CN112399299B - 一种环境音监听的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种环境音监听的装置及方法。首先在本系统中标定人耳舒适区的声压级信号对应的电信号y0，并计算该电信号y0的短时能量E0，然后通过麦克风及麦克风驱动将环境音从声压级信号转换成电信号x(n)，x(n)经过固定增益电路后的信号为d(n)，计算d(n)的短时能量E(n)，根据E(n)和E0可得到可变增益器的增益K(n)，最后将d(n)经过可变增益器得到的电信号y(n)，经扬声器发出变成声信号。本发明的显著特征在于：首先对声压级信号和电信号进行标定，然后通过将环境音的声压级信号转换成电信号，并计算其短时能量E(n)，通过调整可变增益器的增益，使处理后的环境音输出音量在人耳舒适区范围内，具有稳定度高，实时性好，用户体验好等显著优点。

Description

一种环境音监听的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种环境监听技术，更具体的涉及一种应用于侦查等环境监听技术。

背景技术

在战场环境下，具备环境监听功能是很有必要的，即需要在小的声音环境下实现监听，也需要在大的爆破音下如枪声实现监听，这就要求装置具有好的增益调控能力。然而，现有监听装置对输出音量一直保持在人耳舒适区的增益动态实时控制并不多见。比如在专利《一种无线耳机及其环境监听方法和装置》中，仅是根据耳机是否佩戴进行环境监听，具体方法为：获取第一无线耳机和与第一无线耳机配对连接的第二无线耳机的当前佩戴情况；判断第一无线耳机和第二无线耳机的当前佩戴情况是否均为佩戴状态；若是，则利用第一无线耳机和/或第二无线耳机中的麦克风采集环境声音信号；将环境声音信号发送至第一无线耳机和/或第二无线耳机的扬声器，以播放环境声音信号，该方法实现了对于双耳佩戴耳机的情况下对环境音监听。在专利《耳机的环境音监听方法、电子设备、计算机可读存储介质》中的方法为：采集耳机外部的环境音，周期性判断环境声的突变情况；若环境音没有发生突变，则按设定音量控制耳机中的左右耳进行播音；若环境音发生突变，则判断突变环境音的声音方位，当判断到声音方位在耳机左侧时，降低左耳的播音音量，保持右耳不变；当判断到声音方位在耳机右侧时，降低右耳的播音音量，保持左耳不变，该发明通过只降低临近突变环境音的耳机的播音音量，保持另一耳机音量不变，使得用户可通过临近突变环境音的耳机听清环境音。以上两个专利中的方法没有实现输出音量保持在人耳舒适区的增益动态控制。实际上，对于环境监听的增益控制也很重要，如果环境音过大，若不进行增益控制，很容易对耳朵造成损伤，如果环境音太小，若不进行增益控制，也失去了监听的意义，因此具备增益动态控制的环境音监听的设备非常必要。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提出了一种环境音监听的装置及方法。

为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：

一种环境音监听的装置，如附图1所示，其特征在于，包括麦克风，麦克风驱动，固定增益电路，处理器，可变增益器，扬声器驱动，扬声器，所述麦克风连接到麦克风驱动的输入端，用于将环境音从声压级信号转换成电信号x(n)；所述麦克风驱动的输出端连接到固定增益电路的输入端，用于将电信号x(n)传输到固定增益电路；所述固定增益电路的输出同时连接到处理器的AD输入端和可变增益器的输入端，用于将x(n)在一定带宽内放大A倍得到d(n)并传输到处理器和可变增益器；所述处理器的DA输出端或逻辑输出端口连接到可变增益器的增益控制端，用于计算d(n)的短时能量E(n)和可变增益器的增益K(n)，并控制可变增益器的增益；所述可变增益器的输出端连接到扬声器驱动的输入端，用于调节d(n)的大小，并将调节后的信号y(n)传输到扬声器驱动；所述扬声器驱动的输出端连接到扬声器，用于驱动扬声器；所述扬声器用于将电信号转化为声信号发出。

上述的一种环境音监听的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在本系统中标定人耳舒适区的声压级信号对应的电信号y0，并计算该电信号y0的短时能量E0，其计算公式为：

其中N为固定常数，N值取决于语音信号频率及系统采样率，n0表示采集过程中的任一时刻；

2)通过麦克风及麦克风驱动将环境音从声压级信号转换成电信号x(n)；

3)信号x(n)经过固定增益电路后得到信号d(n)，其中固定增益电路在一定带宽范围内具有恒定增益A，d(n)＝A*x(n)；

4)计算d(n)的短时能量E(n)，其计算公式为：

其中N为固定常数，N值取决于语音信号频率及系统采样率；

5)计算可变增益器的增益K(n)，其计算公式为：

6)调节可变增益器的增益，并使d(n)经过可变增益器得到y(n)，其中y(n)的计算公式为：y(n)＝K(n)*d(n)；

7)将得到的y(n)，经扬声器驱动和扬声器发出。

进一步地，上述一种环境音监听的方法步骤，其特征在于，步骤1)中标定人耳舒适区的声压级信号对应的电信号，装置示意图如附图3，具体步骤如下：

1)在消声室或空旷房间，整个装置测量位置位于测试室中央，距离各墙面不小于1.5m，初级扬声器距离麦克风1m；

2)断开本装置的可变增益器与扬声器驱动的连接，用信号源连接到初级扬声器驱动电路的输入端，在装置的麦克风附近5cm放置一个测量传声器，并连接到采集设备，采集设备实现声压级的监测；

3)信号源输出幅度10mV、频率1kHz正弦信号；

4)调节信号源输出信号的幅度大小，直到采集设备监测到的声压约50dB，观察此时处理器采集到的电信号大小，从而可以得到本装置中人耳舒适区范围内的声压级信号对应的电信号y0。

本发明的显著特征在于：首先对声压级信号和电信号进行标定，然后通过将环境音的声压级信号转换成电信号，并计算其短时能量E(n)，通过调整可变增益器的增益，使处理后的环境音输出音量在人耳舒适区范围内，具有稳定度高，实时性好，用户体验好等显著优点。

附图说明

图1是环境音监听的装置示意图。

图2是环境音监听的实施例装置示意图。

图3是标定人耳舒适区的声压级信号对应的电信号装置示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，来说明本发明的环境音监听方法及装置的具体实施。

一种环境音监听的实施例装置示意图，如附图2所示，包括麦克风，麦克风驱动，固定增益电路，处理器，可变增益器，扬声器驱动，扬声器，手机，示波器，其特征在于，所述麦克风连接到麦克风驱动；所述麦克风驱动连接到固定增益电路；所述固定增益电路分别连接到处理器和可变增益器，固定增益电路在400Hz～4kHz信号频率范围内具有恒定增益A＝20倍；所述处理器连接到可变增益器，处理器采用STM32F429芯片，用于计算信号的短时能量和可变增益器的增益，并控制可变增益器的增益；所述可变增益器连接到扬声器驱动，可变增益器采用AD7111芯片，该芯片具有-88.5dB～0dB，步进0.375dB的增益调节性能；所述扬声器驱动连接到扬声器，用于驱动扬声器将电信号转化为声信号；所述手机用于播放不同音量的语音和枪声；所述示波器用于观测到扬声器驱动输入端的信号幅度是否保持恒定。

本实施例中，标定人耳舒适区的声压级信号(50dB)对应的电信号y0，并计算该电信号y0的短时能量E0，装置示意图如附图3所示，具体步骤如下：

1)在消声室或空旷房间，整个装置测量位置位于测试室中央，距离各墙面不小于1.5m，初级扬声器距离麦克风1m；

2)断开本装置的可变增益器与扬声器驱动的连接，用信号源连接到初级扬声器驱动电路的输入端，在装置的麦克风附近5cm放置一个测量传声器，并连接到采集设备，采集设备实现声压级的监测；

3)信号源输出幅度10mV、频率1kHz正弦信号，

4)调节信号源输出信号的幅度大小，直到采集设备监测到的声压约50dB，观察此时处理器采集到的电信号大小，从而可以得到本装置中人耳舒适区范围内的声压级信号对应的电信号y0。

上述的一种环境音监听方法，其特征在于，包括如下步骤；

1)在本系统中标定人耳舒适区的声压级信号对应的电信号y0，由公式

由于一般语音信号为1kHz左右，同时该系统处理器采样率为48kHz，此时N取48，得到E0＝316040。

2)用手机播放不同音量的语音和枪声，通过麦克风和麦克风驱动得到其电信号x(n)，该电信号经增益A＝20倍的固定增益放大电路得到d(n)，传输到处理器和可变增益器。

3)计算电信号d(n)的短时能量E(n)，其计算公式为：

其中N为常数，取值方法同步骤1)，N＝48。

4)根据步骤1)中得到的E0和步骤3)中得到的E(n)，并利用公式

即可得到可变增益器的增益K(n)。

5)根据步骤4)中得到的K(n)，通过处理器调节可变增益器使其增益为K(n)，步骤2)中得到的d(n)经可变增益器，传输到扬声器驱动，并由扬声器发出。

实验过程中通过更改手机的播放语音和枪声音量，用示波器观测到扬声器驱动输入端的信号幅度基本保持恒定，表明上述实验结果与预期相符，说明本发明所提出的环境监听装置和方法的可行性。

Claims (1)

1.一种环境音监听的装置，其特征在于，包括麦克风，麦克风驱动，固定增益电路，处理器，可变增益器，扬声器驱动，扬声器，所述麦克风连接到麦克风驱动的输入端，用于将环境音从声压级信号转换成电信号x(n)；所述麦克风驱动的输出端连接到固定增益电路的输入端，用于将电信号x(n)传输到固定增益电路；所述固定增益电路的输出同时连接到处理器的AD输入端和可变增益器的输入端，用于将x(n)在一定带宽内放大A倍得到d(n)并传输到处理器和可变增益器；所述处理器的DA输出端或逻辑输出端口连接到可变增益器的增益控制端，用于计算d(n)的短时能量E(n)和可变增益器的增益K(n)，并控制可变增益器的增益；所述可变增益器的输出端连接到扬声器驱动的输入端，用于调节d(n)的大小，并将调节后的信号y(n)传输到扬声器驱动；所述扬声器驱动的输出端连接到扬声器，用于驱动扬声器；所述扬声器用于将电信号转化为声信号发出；该环境音监听的方法，包括如下步骤：

1)在本系统中标定人耳舒适区的声压级信号对应的电信号y0，并计算该电信号y0的短时能量E0，其计算公式为：

其中N为固定常数，N值取决于语音信号频率及系统采样率，n0表示采集过程中的任一时刻；

2)通过麦克风及麦克风驱动将环境音从声压级信号转换成电信号x(n)；

3)信号x(n)经过固定增益电路后得到信号d(n)，其中固定增益电路在一定带宽范围内具有恒定增益A，d(n)＝A*x(n)；

4)计算d(n)的短时能量E(n)，其计算公式为：

其中N为固定常数，N值取决于语音信号频率及系统采样率；

5)计算可变增益器的增益K(n)，其计算公式为：

6)调节可变增益器的增益，并使d(n)经过可变增益器得到y(n)，其中y(n)的计算公式为：y(n)＝K(n)*d(n)；

7)将得到的y(n)，经扬声器驱动和扬声器发出；

其中，步骤1)中标定人耳舒适区的声压级信号对应的电信号，步骤如下：

1)在消声室或空旷房间，整个装置测量位置位于测试室中央，距离各墙面不小于1.5m，初级扬声器距离麦克风1m；

2)断开本装置的可变增益器与扬声器驱动的连接，用信号源连接到初级扬声器驱动电路的输入端，在装置的麦克风附近5cm放置一个测量传声器，并连接到采集设备，采集设备实现声压级的监测；

3)信号源输出幅度10mV、频率1kHz正弦信号；

4)调节信号源输出信号的幅度大小，直到采集设备监测到的声压约50dB，观察此时处理器采集到的电信号大小，从而可以得到本装置中人耳舒适区范围内的声压级信号对应的电信号y0。

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