CN114501236A - 降噪拾音设备和降噪拾音方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降噪拾音设备及降噪拾音方法，所述降噪拾音设备包括至少一个噪声拾音器、目标音拾音装置和声音信号处理单元。至少一个噪声拾音器靠近对应的噪声源设置，适于采集噪声源发出的环境噪声并产生环境噪声频率信号。目标音拾音装置靠近目标声音源设置，适于采集目标声音源的目标声音并产生目标音频率信号。声音信号处理单元将环境噪声频率信号中的至少一部分频率信号反相放大，将反相放大后的环境噪声信号与目标音信号叠加以获得有用音，并输出有用音。所述降噪拾音设备和方法能够对大型设备发出的各种复杂噪音进行采集后进行噪音消除，同时保留及放大需要的声音信号，以确保正常语音通讯和提高通讯质量。

Description

降噪拾音设备和降噪拾音方法

技术领域

本发明涉及音频处理技术领域，尤其涉及一种降噪拾音设备及降噪拾音方法。

背景技术

在大型医疗器械(例如，密闭环境下工作的放疗/放射设备、核磁设备等)上，工作环境通常存在较多复杂环境噪音，特别是在治疗病人的过程中各种机械、电器设备在工作过程中都会发出各种噪音，如风扇、泵、链条、气动装置、皮带及其他运动装置所发出的机械噪音、射频高频噪音等。各种噪音同时混杂在一起，而且屏蔽机房属于一个近乎全密闭环境，该噪音音量将会进一步被放大，导致病人在用该类设备进行检查或者治疗过程中需要与外面操作人员进行语音交流时语音交流存在很大障碍。

为了保证治疗室外的技师与治疗室内患者的语音交流，通常会在配套设备上安装一个麦克风来收取室内的所有声音。麦克风收到声音后，有的声音会直接传送到外部扩音器上进行广播送出，而有的声音则会采用软件滤波的方式被处理以降低环境噪音。采用这种软件滤波方法虽然能降低部分环境噪音，但是患者的声音质量也会受到极大的影响，严重的可能会因为算法原因导致患者发出的语音被局部漏掉，导致收听人错误地理解患者的意思。

因此，为了能听清患者在治疗床上的语音，当前大多数设备都是尽可能把拾音麦克风放到靠近患者口腔位置，但是与患者通话因为噪音太大仍然相当困难，不能达到理想的通话效果。由于麦克风固定在设备上，难以随着治疗设备的运动或者患者位置的变化进行近距离交流获取患者的声音信号。有的医疗设备为了更好地听清患者说话，不得不将麦克风安装到设备最靠近患者说话的位置并固定，且尽可能地与患者减小距离。但带来的风险是由于麦克风太靠近放射出线窗口，导致麦克风会被射线直射或者散射照射，导致使用寿命大大降低或者被干扰而不能正常工作。

发明内容

本发明提供一种降噪拾音设备及降噪拾音方法，所述降噪拾音设备和方法能够对大型设备发出的各种复杂噪音进行采集后进行噪音消除，同时保留及放大需要的声音信号，以确保正常语音通讯和提高通讯质量。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种降噪拾音设备，包括至少一个噪声拾音器、目标音拾音装置和声音信号处理单元。至少一个噪声拾音器靠近对应的噪声源设置，适于采集噪声源发出的环境噪声并产生环境噪声频率信号。目标音拾音装置靠近目标声音源设置，适于采集目标声音源的目标声音并产生目标音频率信号。声音信号处理单元将环境噪声频率信号中的至少一部分频率信号反相放大，将反相放个大后的环境噪声频率信号与目标音频率信号叠加以获得有用音，并输出有用音。

进一步地，环境噪声频率信号可以为实时信号。

可选地，声音信号处理单元包括信号延迟模块，所述信号延迟模块控制环境噪声频率信号的延迟，以使环境噪声频率信号与目标音频率信号同步。

进一步可选地，声音信号处理单元还包括至少一个噪声处理模块、目标音跟随放大器、目标音同相放大器和反相加法器。所述至少一个噪声处理模块靠近至少一个噪声拾音器中对应的噪声拾音器设置，并且至少一个噪声处理模块中的每一个包括将接收到的环境噪声频率信号同相放大的噪声跟随放大器、输入端与噪声跟随放大器的输出端连接的信号延迟模块、和输入端与信号延迟模块的输出端连接的噪声反相放大器。目标音跟随放大器将接收到的目标音频率信号同相放大，目标音同相放大器的输入端与目标音跟随放大器连接。反相加法器的输入端与噪声反相放大器的输出端和目标音同相放大器的输出端连接，并将反相放大后的环境噪声频率信号与目标音频率信号叠加。

可选地，噪声处理模块设置有与噪声反相放大器并联的第一可调电阻器。

此外，信号延迟模块包括可调电容器和固定电阻器，可调电容器和固定电阻器串联在噪声跟随放大器的输出端与噪声反相放大器的输入端之间。

进一步地，环境噪声频率信号包括第一环境噪声频率信号和第二环境噪声频率信号，第一环境噪声频率信号为被声音信号处理单元反相放大的环境噪声频率信号。噪声处理模块还包括噪声同相放大器和程控开关。噪声同相放大器的输入端与噪声跟随放大器的输出端连接，适于将放大后的第二环境噪声频率信号同相放大为有用噪声。程控开关的输入端连接噪声反相放大器的输出端或者噪声同相放大器的输出端，程控开关的输出端连接反相加法器的输入端。

可选地，噪声处理模块设置有与噪声同相放大器并联的第二可调电阻器。

另外，目标音拾音装置可以包括防辐射外壳和目标音拾音器。防辐射外壳为中空壳体以形成音腔，并且防辐射外壳设置有至少一个迷路，所述至少一个迷路中每一个的一端连接导音管、另一端与音腔连通。目标音拾音器设置在所述音腔内。

优选地，导音管可以具有弯管形状。

可选地，至少一个迷路倾斜贯穿防辐射外壳。

另外，防辐射外壳可以设置有彼此分隔开的多个迷路。

进一步地，防辐射外壳还可以设置有覆盖防辐射外壳的外表面的隔音层。

此外，声音信号处理单元的输出端可以连接到扬声器。

根据本发明的实施例的另一个方面，提出了一种降噪拾音方法，包括：通过至少一个噪声拾音器采集对应的噪声源的环境噪声并产生环境噪声频率信号；通过目标音拾音装置采集目标声音源的目标声音并产生目标音频率信号；和将环境噪声频率信号中的至少一部分频率信号反相放大，将反相放大后的环境噪声频率信号与目标音频率信号叠加以获得有用音，并输出有用音。

进一步地，环境噪声频率信号可以为实时信号。

可选地，所述将所述环境噪声频率信号中的至少一部分频率信号反相放大并将反相放大后的环境噪声频率信号与所述目标音频率信号叠加可以包括：同相放大环境噪声频率信号和目标音频率信号；控制放大的环境噪声频率信号的延迟，以使环境噪声频率信号与目标音频率信号保持同步；将所述至少一部分环境噪声频率信号的相位翻转并放大所述至少一部分环境噪声频率信号的幅度，并且放大目标音频率信号的幅度，以使所述至少一部分环境噪声频率信号的幅度匹配目标音频率信号的幅度；和叠加所述至少一部分环境噪声频率信号和目标音频率信号，以去除目标音频率信号中与所述至少一部分环境噪声频率信号同频率的信号以获得有用音。

进一步地，在所述控制所述放大的环境噪声频率信号的延迟以使所述环境噪声频率信号与所述目标音频率信号保持同步之后，所述降噪拾音方法还包括：判断环境噪声频率信号的频率在第一预设频率范围内或第二预设频率范围内；以及当判定环境噪声频率信号在第一预设频率范围内时，将环境噪声频率信号反相放大并与目标音频率信号叠加；或者当判定环境噪声频率信号在第二预设频率范围内时，将环境噪声频率信号同相放大并输出。

附图说明

本发明的上述及其它方面和特征将从以下结合附图对实施例的说明清楚呈现，其中：

图1为根据本发明的一个实施例的降噪拾音设备的示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的声音信号处理单元的电路示意图；以及

图3为根据本发明的一个实施例的目标音拾音装置的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的说明性、非限制性实施例，对根据本发明的降噪拾音设备和降噪拾音方法进行进一步说明。

图1示出根据本发明的一个实施例的降噪拾音设备的示意图。在所述实施例中，降噪拾音设备100包括至少一个噪声拾音器10、目标音拾音装置20和声音信号处理单元30。至少一个噪声拾音器10靠近对应的噪声源设置，采集噪声源发出的环境噪声并产生环境噪声频率信号。目标音拾音装置20靠近目标声音源(例如，患者)设置，采集目标声音源的目标声音并产生目标音频率信号。声音信号处理单元30将环境噪声频率信号中的至少一部分频率信号反相放大，将反相放大后的环境噪声频率信号与目标音频率信号叠加以获得有用音，并输出所述有用音。本发明的降噪拾音设备将噪音源信号与目标声音源内包含的噪音进行硬件降噪处理，直接过滤掉不需要的噪音，确保最终送出去的音频信号保留的是有用信号。这样，所述降噪拾音设备能够过滤掉医疗设备发出的大部分噪声，将患者发出的语音信号进行降噪处理后，再送给外面的操作技术人员收听。因此，确保医患之间的信息畅通和互动，并确保在发生紧急情况(比如，患者呼救或者设备发出异常声音)下时及时采取相关措施，挽救造成更大的损失。

如图1中所示，示例性地示出多个噪声源的实施例。每一个需要被过滤的噪声源附近对应地设置一个噪声拾音器10，用于采集不同噪声源发出的环境噪声(例如，频率和幅度大小)。这样，采用多点噪音采样方式实现对各个噪声源进行直接定点实时采样，同时对需要保留的有用音源(例如，报警音、人体发出的声音等)同步进行采样。然后，通过将各路噪声源拾音器拾取到的噪声与拾取到的目标声音的信号进行硬件过滤，从而得到有用音。进一步地，在一个实施例中，声音信号处理单元30的输出端连接到扬声器40以输出最终获得的有用音。

在一个实施例中，环境噪声频率信号可以为实时信号。进一步可选地，声音信号处理单元30包括信号延迟模块，所述信号延迟模块控制环境噪声频率信号的延迟，以使环境噪声频率信号与目标音频率信号同步。

进一步地，在一个实施例中，声音信号处理单元30还包括至少一个噪声处理模块、目标音跟随放大器31、目标音同相放大器32和反相加法器33，其中目标音同相放大器32的输入端与目标音跟随放大器31连接。如图2中所示，每一个噪声处理模块靠近对应的噪声拾音器设置，且包括噪声跟随放大器34、信号延迟模块和噪声反相放大器35。信号延迟模块的输入端与噪声跟随放大器34的输出端连接，噪声反相放大器35的输入端与所述信号延迟模块的输出端连接。反相加法器33的输入端与噪声反相放大器35的输出端和目标音同相放大器32的输出端连接。噪声跟随放大器34将接收到的环境噪声频率信号同相放大，放大后的环境噪声频率信号在所述信号延迟模块的控制和调节下始终与目标音频率信号同步。然后，环境噪声频率信号被传送到噪声反相放大器35并被反相，同时环境噪声频率信号的幅度被放大。目标音跟随放大器31将接收到的目标音频率信号同相放大，反相放大的环境噪声频率信号的信号幅度与同相放大的目标音频率信号中的同频信号的幅度相匹配。反相加法器33将反相放大后的环境噪声频率信号与同相放大后的目标音频率信号叠加，从而过滤掉不需要的噪音，确保最终输出的音频信号主要保留了有用音信号。

如图2中所示，在一个示例性实施例中，噪声处理模块可以设置有与噪声反相放大器35并联的第一可调电阻器R5。第一可调电阻器R5用于调整噪声频率信号的放大幅度，确保噪声频率信号的幅度调整后与目标声音源中同频信号的幅度匹配，确保将目标声音源中该频率的噪声信号进行抑制控制。

进一步地，信号延迟模块可以包括可调电容器C2和固定电阻器L1，所述可调电容器和所述固定电阻器串联在噪声跟随放大器34的输出端与噪声反相放大器35的输入端之间。可调电容器C2和固定电阻器L1控制噪声频率信号的延迟，以使环境噪声频率信号与目标音频率信号保持同步。

在一个实施例中，环境噪声频率信号包括第一环境噪声频率信号和第二环境噪声频率信号，所述第一环境噪声频率信号为被声音信号处理单元30反相放大的环境噪声频率信号。噪声处理模块还可以包括噪声同相放大器36和程控开关。例如，在图2所示的实施例中，噪声处理模块包括多个程控开关S1、S2、S3…Sn。噪声同相放大器36的输入端与噪声跟随放大器34的输出端连接，用于将放大后的第二环境噪声频率信号同相放大为有用噪声并输出所述有用噪声(例如，监控报警声音)。程控开关的输入端连接噪声反相放大器35的输出端或者噪声同相放大器36的输出端，所述程控开关的输出端连接反相加法器33的输入端。所述程控开关在默认状态下，其输入端连接噪声反相放大器35的输出端，只有在检测到第二环境噪声频率信号时才连接到噪声同相放大器36的输出端。

如图2中所示，在一个示例性实施例中，噪声处理模块可以设置有与噪声同相放大器36并联的第二可调电阻器R1。第二可调电阻器R1用于调整噪声频率信号的放大幅度，确保噪声频率信号的幅度调整后与目标声音源中同频信号的幅度匹配。

进一步地，如图3中所示，目标音拾音装置20可以包括防辐射外壳21和目标音拾音器22。防辐射外壳21为中空壳体以形成音腔23，并且设置有至少一个迷路24，每一个迷路24的一端连接导音管25、另一端与音腔23连通。目标音拾音器22设置在音腔23内。由于音腔内的目标音拾音器22通过与音腔连通的导引管采集声音，因此目标音拾音器不需要安装到设备最靠近患者说话的位置并固定。这样，一方面，即便医疗设备运动或者患者位置发生变化，也不会影响患者声音的采集，另一方面避免拾音器被射线直射，从而显著提高拾音器的使用寿命或者抗干扰能力。

在一个实施例中，例如，防辐射外壳21可以由防辐射材料(例如，重金属)制成，以防止射线损坏目标音拾音器。可选地，防辐射外壳21还可以设置有覆盖所述防辐射外壳的外表面的隔音层(例如，隔音海绵)，以隔绝震动传入的其他杂音信号，从而降低信号处理难度。

在一个示例中，导音管25具有弯管形状，如图3中所示。由于导音管25为弯管形状且目标音拾音器22设置在音腔23内，医疗设备放射出的射线不会到达目标音拾音器22，从而进一步防止损坏目标音拾音器以提高拾音器的使用寿命。在一个实施例中，导音管25的管壁外侧包裹有隔音材料，例如隔音棉。在另一个实施例中，导音管25可以为弯曲软管。

在一个可选实施例中，迷路24可以倾斜贯穿防辐射外壳21，如图3中所示。此外，以上所述及图3中所示的目标音拾音装置20仅为示例性结构，而并不旨在将本发明限制于此。例如，防辐射外壳可以设置有彼此分隔开的多个迷路，每一个迷路连接一个导音管。所述多个迷路可以彼此分隔开地形成在防辐射外壳中，这种设置多个导音管的结构除了采集患者的声音外还能够同步采集其他需要保留的有用音源(例如，报警音等)，因此能够扩大拾音区域，将导音管放置到需要拾取的音频区域内，从而提高声音拾取效果和精度。

另一方面，根据本发明的降噪拾音方法将在下面详细说明。所述降噪拾音方法包括：通过至少一个噪声拾音器10采集对应的噪声源40发出的环境噪声并产生环境噪声频率信号；通过目标音拾音装置20采集目标声音源的目标声音并产生目标音频率信号；和将环境噪声频率信号中的至少一部分频率信号反相放大，将反相放大后的环境噪声频率信号与目标音频率信号叠加以获得有用音，并输出所述有用音。

在一个实施例中，环境噪声频率信号可以为实时信号。进一步地，在一个实施例中，所述将所述环境噪声频率信号中的至少一部分频率信号反相放大并将反相放大后的环境噪声频率信号与所述目标音频率信号叠加包括：同相放大所述环境噪声频率信号和所述目标音频率信号；控制所述放大的环境噪声频率信号的延迟，以使所述环境噪声频率信号与所述目标音频率信号保持同步；将所述至少一部分环境噪声频率信号的相位翻转并放大所述至少一部分环境噪声频率信号的幅度，并且放大所述目标音频率信号的幅度，以使所述至少一部分环境噪声频率信号的幅度匹配所述目标音频率信号的幅度；和叠加所述至少一部分环境噪声频率信号和所述目标音频率信号，以去除所述目标音频率信号中与所述至少一部分环境噪声频率信号同频率的信号以获得所述有用音。

进一步地，可选地，在所述控制所述放大的环境噪声频率信号的延迟以使所述环境噪声频率信号与所述目标音频率信号保持同步之后，所述降噪拾音方法还包括判断环境噪声频率信号的频率在第一预设频率范围内或第二预设频率范围内。当判定环境噪声频率信号在第一预设频率范围内时，将环境噪声频率信号反相放大并与目标音频率信号叠加；而当判定环境噪声频率信号在第二预设频率范围内时，将环境噪声频率信号同相放大并输出。第一预设频率范围和第二预设频率范围不同，根据需要消除的噪声的频率和需要保留的噪声的频率来预先设定第一预设频率范围和第二预设频率范围。因此，环境噪声频率信号中包含的所有相关噪声频率信号被消除，只留下需要的声音信号，例如，患者的语音及部分被检测的关键设备工作指示声音等。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，本领域技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和原理的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (18)

1.一种降噪拾音设备，包括：

至少一个噪声拾音器，所述至少一个噪声拾音器靠近对应的噪声源设置，适于采集所述噪声源发出的环境噪声并产生环境噪声频率信号；

目标音拾音装置，所述目标音拾音装置靠近目标声音源设置，适于采集所述目标声音源的目标声音并产生目标音频率信号；和

声音信号处理单元，所述声音信号处理单元将所述环境噪声频率信号中的至少一部分频率信号反相放大，将反相放大后的环境噪声频率信号与所述目标音频率信号叠加以获得有用音，并输出所述有用音。

2.根据权利要求1所述的降噪拾音设备，其中，所述环境噪声频率信号为实时信号。

3.根据权利要求2所述的降噪拾音设备，其中，所述声音信号处理单元包括信号延迟模块，所述信号延迟模块控制所述环境噪声频率信号的延迟，以使所述环境噪声频率信号与所述目标音频率信号同步。

4.根据权利要求3所述的降噪拾音设备，其中，所述声音信号处理单元还包括：

至少一个噪声处理模块，所述至少一个噪声处理模块靠近所述至少一个噪声拾音器中对应的噪声拾音器设置，并且所述至少一个噪声处理模块中的每一个包括：

噪声跟随放大器，所述噪声跟随放大器将接收到的所述环境噪声频率信号同相放大；

所述信号延迟模块，所述信号延迟模块的输入端与所述噪声跟随放大器的输出端连接；和

噪声反相放大器，所述噪声反相放大器的输入端与所述信号延迟模块的输出端连接；

目标音跟随放大器，所述目标音跟随放大器将接收到的所述目标音频率信号同相放大；

目标音同相放大器，所述目标音同相放大器的输入端与所述目标音跟随放大器连接；和

反相加法器，所述反相加法器的输入端与所述噪声反相放大器的输出端和所述目标音同相放大器的输出端连接，并将反相放大后的所述环境噪声频率信号与所述目标音频率信号叠加。

5.根据权利要求4所述的降噪拾音设备，其中，所述噪声处理模块设置有与所述噪声反相放大器并联的第一可调电阻器。

6.根据权利要求5所述的降噪拾音设备，其中，所述信号延迟模块包括可调电容器和固定电阻器，所述可调电容器和所述固定电阻器串联在所述噪声跟随放大器的输出端与所述噪声反相放大器的输入端之间。

7.根据权利要求4-6中任一项所述的降噪拾音设备，其中：

所述环境噪声频率信号包括第一环境噪声频率信号和第二环境噪声频率信号，所述第一环境噪声频率信号为被所述声音信号处理单元反相放大的环境噪声频率信号；以及

所述噪声处理模块还包括：

噪声同相放大器，所述噪声同相放大器的输入端与所述噪声跟随放大器的所述输出端连接，适于将放大后的所述第二环境噪声频率信号同相放大为有用噪声；和

程控开关，所述程控开关的输入端连接所述噪声反相放大器的输出端或者所述噪声同相放大器的输出端，所述程控开关的输出端连接所述反相加法器的输入端。

8.根据权利要求7所述的降噪拾音设备，其中，所述噪声处理模块设置有与所述噪声同相放大器并联的第二可调电阻器。

9.根据权利要求1所述的降噪拾音设备，其中，所述目标音拾音装置包括：

防辐射外壳，所述防辐射外壳为中空壳体以形成音腔，并且所述防辐射外壳设置有至少一个迷路，所述至少一个迷路中每一个的一端连接导音管、另一端与所述音腔连通；和

目标音拾音器，所述目标音拾音器设置在所述音腔内。

10.根据权利要求9所述的降噪拾音设备，其中，所述导音管具有弯管形状。

11.根据权利要求9所述的降噪拾音设备，其中，所述至少一个迷路倾斜贯穿所述防辐射外壳。

12.根据权利要求9所述的降噪拾音设备，其中，所述防辐射外壳设置有彼此分隔开的多个迷路。

13.根据权利要求9所述的降噪拾音设备，其中，所述防辐射外壳还设置有覆盖所述防辐射外壳的外表面的隔音层。

14.根据权利要求1所述的降噪拾音设备，其中，所述声音信号处理单元的输出端连接到扬声器。

15.一种降噪拾音方法，包括：

通过至少一个噪声拾音器采集对应的噪声源的环境噪声并产生环境噪声频率信号；

通过目标音拾音装置采集目标声音源的目标声音并产生目标音频率信号；和

将所述环境噪声频率信号中的至少一部分频率信号反相放大，将反相放大后的环境噪声频率信号与所述目标音频率信号叠加以获得有用音，并输出所述有用音。

16.根据权利要求15所述的降噪拾音方法，其中，所述环境噪声频率信号为实时信号。

17.根据权利要求16所述的降噪拾音方法，其中，所述将所述环境噪声频率信号中的至少一部分频率信号反相放大并将反相放大后的环境噪声频率信号与所述目标音频率信号叠加包括：

同相放大所述环境噪声频率信号和所述目标音频率信号；

控制所述放大的环境噪声频率信号的延迟，以使所述环境噪声频率信号与所述目标音频率信号保持同步；

将所述至少一部分环境噪声频率信号的相位翻转并放大所述至少一部分环境噪声频率信号的幅度，并且放大所述目标音频率信号的幅度，以使所述至少一部分环境噪声频率信号的幅度匹配所述目标音频率信号的幅度；和

叠加所述至少一部分环境噪声频率信号和所述目标音频率信号，以去除所述目标音频率信号中与所述至少一部分环境噪声频率信号同频率的信号以获得所述有用音。

18.根据权利要求17所述的降噪拾音方法，其中，在所述控制所述放大的环境噪声频率信号的延迟以使所述环境噪声频率信号与所述目标音频率信号保持同步之后，所述降噪拾音方法还包括：

判断所述环境噪声频率信号的频率在第一预设频率范围内或第二预设频率范围内；以及

当判定所述环境噪声频率信号在所述第一预设频率范围内时，将所述环境噪声频率信号反相放大并与所述目标音频率信号叠加；或者

当判定所述环境噪声频率信号在所述第二预设频率范围内时，将所述环境噪声频率信号同相放大并输出。

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