CN114699671B - 用于空气呼吸器的音频通信设备、方法及空气呼吸器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于空气呼吸器的音频通信方法，包括以下步骤：通过第一音频获取模块获取空气呼吸器内部的第一音频数据；通过呼吸检测传感器获取佩戴者的呼吸信号数据；根据佩戴者的呼吸信号数据，调整第一音频数据中的气流噪声，以得到第二音频数据；以及输出第二音频数据。本发明在空气呼吸器的面罩与脸部合围成的容置腔体中，通过检测与气流变化声相关联的佩戴者呼吸信号数据，适度调整包含佩戴者说话的语音信号的第一音频数据，减少其气流噪声分量，提升通话的清晰度。

Description

用于空气呼吸器的音频通信设备、方法及空气呼吸器

技术领域

本发明涉及智能信息设备技术领域，尤其涉及一种用于空气呼吸器的音频通信设备及方法以及包含该音频通信设备的空气呼吸器。

背景技术

空气呼吸器广泛应用于消防、化工、船舶、石油、冶炼、仓库、试验室、矿山等部门，可供消防员或抢险救护人员在浓烟、毒气、蒸汽或缺氧等各种环境下安全有效地进行灭火、抢险救灾和救护工作。在灾难现场，由于环境复杂且不确定因素太多，消防员作为现场一线人员，有必要把自己看到的情况及时清晰准确地传递回指挥中心，方便指挥中心统一部署调度，因此一线使用人员和指挥中心之间的交流协调成为处理事故的基础，也是决定救援工作成功的决定因素。

现有的空气呼吸器存在以下缺点：1、空气呼吸器使用过程中，面罩内部存在很大的气流声，严重影响通话的清晰度；2、火场存在复杂的环境噪声(爆破声、切割声、鸣笛声、撞击声等)，严重影响通话的可辨别度；3、口腔说话声源处在面罩和脸部合围形成的相对独立容置腔体中，其音频特性会因腔体而发声变化，影响通话的音质，需要加以修正。

发明内容

针对现有的空气呼吸器的通讯装置存在声音清晰度低、可辨度差、结构不合理与操作不方便等缺点，本发明的主要目的在于提供一种用于空气呼吸器的音频通信设备及方法，以增强语音的音质与可懂度，进而提升救援效率。

为实现上述目的，本发明提供一种用于空气呼吸器的音频通信方法，包括以下步骤：

通过第一音频获取模块获取空气呼吸器内部的第一音频数据；

通过呼吸检测传感器获取佩戴者的呼吸信号数据；

根据佩戴者的所述呼吸信号数据，调整所述第一音频数据中的气流噪声，以得到第二音频数据；以及

输出所述第二音频数据。

在本发明提供的用于空气呼吸器的音频通信方法中，还包括：

获取所述空气呼吸器外部环境的第三音频数据，提取所述第三音频数据中的环境噪声数据；

根据所述空气呼吸器的隔音特性以及所述环境噪声数据，调整所述第二音频数据中的环境噪声，以得到第四音频数据；以及

输出所述第四音频数据。

在本发明提供的用于空气呼吸器的音频通信方法中，还包括：

获取所述空气呼吸器的面罩的声波谐振曲线；

根据所述声波谐振曲线，修正所述第四音频数据中的频响曲线，以得到第五音频数据；以及

输出所述第五音频数据。

在本发明提供的用于空气呼吸器的音频通信方法中，还包括：

监测所述第五音频数据的音量输出能量；

在所述音量输出能量持续超出预设的输出阈值范围的时间超过预设时间时，压缩所述第五音频数据；以及

输出所述第五音频数据或压缩后的第五音频数据。

在本发明提供的用于空气呼吸器的音频通信方法中，根据佩戴者的所述呼吸信号数据，调整所述第一音频数据中的气流噪声，以得到第二音频数据的步骤包括：

对所述第一音频数据进行数字化处理，并把数字化处理后的第一音频数据按时间轴进行分段处理，以得到分段的数字化第一音频数据；

对所述分段的数字化第一音频数据进行时域到频域转换，得到与之对应的第一频域音频信号；

对所述呼吸信号数据进行降噪和特征检测，得到呼吸状态特征参数；

将所述分段后的数字化第一音频数据与所述呼吸状态特征参数进行同步；

根据同步后的呼吸状态特征参数，实时计算对应的加权参数曲线和对应的加权因子；

对所述第一频域音频信号分频段进行滤波处理，并利用加权参数曲线和加权因子进行对应的加权增益补偿控制，以得到第二频域音频信号；

对所述第二频域音频信号进行频域到时域转换、信号重组以及数模转换，以得到所述第二音频数据。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种用于空气呼吸器的音频通信设备，包括：

第一音频获取模块，用于获取空气呼吸器内部的第一音频数据；

呼吸检测传感器，用于获取佩戴者的呼吸信号数据；

第一处理模块，连接于所述第一音频获取模块和所述呼吸检测传感器，用于根据佩戴者的所述呼吸信号数据，调整所述第一音频数据中的气流噪声，以得到第二音频数据；以及

第一输出模块，连接于所述第一处理模块，用于输出所述第二音频数据。

在本发明提供的用于空气呼吸器的音频通信设备中，还包括：

环境噪声数据获取模块，用于获取所述空气呼吸器外部环境的第三音频数据，提取所述第三音频数据中的环境噪声数据；

第二处理模块，连接于所述环境噪声数据获取模块和所述第一输出模块，用于根据所述空气呼吸器的隔音特性以及所述环境噪声数据，调整所述第二音频数据中的环境噪声，以得到第四音频数据；

第二输出模块，连接于所述第二处理模块，用于输出所述第四音频数据。

在本发明提供的用于空气呼吸器的音频通信设备中，还包括：

振动检测传感器，用于获取所述空气呼吸器的面罩的声波谐振曲线；

第三处理模块，连接于所述振动检测传感器和所述第二输出模块，用于根据所述声波谐振曲线，修正所述第四音频数据中的频响曲线，以得到第五音频数据；以及

第三输出模块，连接于所述第三处理模块，用于输出所述第五音频数据。

在本发明提供的用于空气呼吸器的音频通信设备中，还包括：

能量监测模块，连接于所述第三处理模块，用于监测所述第五音频数据的音量输出能量；

保护模块，连接于所述能量监测模块，用于在所述音量输出能量持续超出预设的输出阈值范围的时间超过预设时间时，压缩所述第五音频数据；

所述第三输出模块，用于输出所述第五音频数据或压缩后的第五音频数据。

此外，为实现上述目的，本发明还提供一种包括如上所述的用于空气呼吸器的音频通信设备的空气呼吸器。

在本发明中，在空气呼吸器的面罩与脸部合围成的容置腔体中，通过检测与气流变化声相关联的佩戴者呼吸信号数据，适度调整包含佩戴者说话的语音信号的第一音频数据，减少其气流噪声分量，提升通话的清晰度；通过环境噪声数据获取模块采集空气呼吸器的容置腔体外部的环境噪声，结合容置腔体的隔音特性，进一步调整已经滤除了气流噪声分量的人声信号，减少其环境噪声分量，提升通话的可辨别度；通过振动检测传感器来检测面罩的声波谐振曲线，对去除了环境噪声和气流噪声的人声信号加以修正，可以有效改善通话音质；增加了保护音频过幅失真的功能，避免频段内的声音幅度过大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1所示为使用包含本发明的音频通信设备的空气呼吸器的场景示意图；

图2所示为本发明实施例一提供的音频通信设备的原理图；

图3所示是图2所示的第一处理模块的功能示意图；

图4所示是图3所示的频域信号处理模块的功能示意图；

图5所示为本发明实施例二提供的音频通信设备的原理图；

图6所示是图5所示的第二处理模块的功能示意图；

图7所示为本发明实施例三提供的音频通信设备的原理图；

图8所示是图7所示的第三处理模块的功能示意图；

图9所示为本发明实施例四提供的音频通信设备的原理图；

图10所示为本发明实施例五提供的音频通信方法的流程图；

图11所示为本发明实施例六提供的音频通信方法的流程图；

图12所示为本发明实施例七提供的音频通信方法的流程图；

图13所示为本发明实施例八提供的音频通信方法的流程图；

图14是音频通信设备110的另一个优选实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

图1所示为使用包含本发明的音频通信设备的空气呼吸器的场景示意图；如图1所示，在使用时，该空气呼吸器100佩戴于使用者的头部，包括音频通信设备110、供气阀120、呼气阀130以及供气管140，其中，音频通信设备110的一端靠近呼气阀130。音频通信设备110与终端设备200通过无线(例如，蓝牙、4G/5G网络、wifi等)或有线(例如，带插头的弹簧线连接)的方式通信连接，音频通信设备110将获取到的音频信号数据发送至终端设备200或收取来自终端设备200的音频数据，其中，终端设备200包括但不限于对讲机、移动电台、手机、移动电脑、内置于空气呼吸器的内置模块等。

实施例一

参照图2，图2所示为本发明实施例一提供的音频通信设备的原理图。如图2所示，本实施例一提供的用于空气呼吸器的音频通信设备包括第一音频获取模块1、呼吸检测传感器2、连接于所述第一音频获取模块1和所述呼吸检测传感器2的第一处理模块3以及连接于所述第一处理模块3的第一输出模块4。

具体地，在本实施例中，第一音频获取模块1用于获取空气呼吸器内部的第一音频数据。第一音频数据包括了佩戴者说话的语音信号以及多种噪声信号，其中，噪声信号包括但不限于气流噪声、面罩隔音效果不好带来的爆破残余噪声和警笛残余噪声等。进一步地，可选用置于空气呼吸器面罩内侧的拾音器或压电陶瓷片等作为第一音频获取模块获取音频数据。进一步地，第一音频获取模块1优选为无源音频模块，其与第一处理模块3通过电磁信号进行能量和信息的交换。通过无源音频模块可以使本发明提供的音频通信设备在不改变空气呼吸器面罩气密性的基础上，对现有的空气呼吸器进行升级改造。进一步地，在保证空气呼吸器面罩气密性的基础上，第一音频获取模块1可与第一处理模块3通过有线的方式进行能量和信息的交换。

具体地，在本实施例中，呼吸检测传感器2用于获取佩戴者的呼吸信号数据。空气呼吸器面罩内部有一个随着呼吸动作而变化的气流噪声，属于非稳态噪声，会对空气呼吸器的通话质量造成干扰。在本实施例中，通过设置在空气呼吸器面罩内侧的呼吸检测传感器2来检测佩戴者的呼吸相关参数，通过分析和预测佩戴者的呼吸参数，包括但不限于呼吸频率、吸气开始、吸气终止、吸气压力、通气量等，可以很好的预测和估算气流噪声的变化情况，从而方便第一处理模块调整第一音频数据中的气流噪声，从而使得通话更清晰。可选地，可以通过气压计来检测呼吸状态，通过分析对应的传感器数据来反推呼吸状态。

具体地，在本实施例中，第一处理模块3用于根据佩戴者的所述呼吸信号数据，调整所述第一音频数据中的气流噪声，以得到第二音频数据。第一处理模块3首先推测呼吸状态，获取对应呼吸特征参数，然后同步气流噪声，获取实时的加权参数组；然后依据加权参数组对第一音频数据的频响曲线和幅度进行调整，以降低第一音频数据中的气流噪声分量，获得音质更好的第二音频数据。

进一步地，图3所示是图2所示的第一处理模块的功能示意图。如图3所示，第一处理模块3包括：

第一模/数转换模块3A，用于将所述第一音频数据进行数字化处理，以得到数字化的第一音频数据。在本实施例中，第一模/数转换模块3A可以配置采样率、通道延时等参数；需要说明的是，如果输入的第一音频数据已经为数字信号，则输入信号可跳过第一模/数转换模块3A；

第一音频分帧模块3B，用于把数字化处理后的第一音频数据，按时间轴进行分段处理，以得到分段的数字化第一音频数据；需要说明的是，此处的分段的时长是可以配置的；

第一时域到频域转换模块3C，用于对分段后的数字化第一音频数据进行时域到频域的转换，以得到与数字化第一音频数据对应的第一频域音频信号；需要说明的是，在本实施例中，第一时域到频域转换模块3C可以通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)将数字化的第一音频数据转换成对应的第一频域音频信号FFTS1；

第一降噪网络模块3H，用于对呼吸检测传感器传来的数据进行滤波处理，移除和/或降低不相干的噪声信号，并对有用信息进行对应的增强；需要说明的是，在本实施例中，前置使用了卡尔曼滤波的方法，以降低人体噪声带来的影响；

第一特征检测模块3I，用于对降噪后的呼吸信号数据进行数据处理，提取出相关的呼吸状态特征参数；需要说明的是，在本实施例中，提取的相关特征信号包括呼吸频率、吸气开始、吸气终止、吸气压力等；

同步气流噪声模块3J，用于将分段后的数字化第一音频数据与呼吸状态特征参数进行同步，使呼吸动作与第一音频数据中因呼吸动作而引起的变化气流声在时间维度上同步；

第一加权参数提取模块3K，根据同步后的呼吸状态特征参数，实时计算出对应的加权参数曲线和对应的加权因子；需要说明的是，在本实施例中，加权因子是一系列与频响曲线相对应的参数组，且是随着时间变化的；呼吸非稳态噪声是因呼吸动作而引起的，其在时间上具有往复性，因此其加权参数具有时间特性；又由于其每时刻的具体参数与佩戴者的呼吸力度有关联，因此其是一个与时间维度相关联的多维数组；假设T1时刻为吸气开始，T2时刻为吸气终止，T3时刻为呼气开始，T4时刻为呼气结束，依次往复；那么我们可以定义T1到T2时刻之间的参数为K1＝(x1,y1,z1)，其中x1代表此阶段的气流噪声频率特性，y1代表呼吸力度关联的参数，z1为修正经验因子；依次我们定义T2到T3时刻之间的参数为K2＝(x2,y2,z2)；T3到T4时刻之间的参数为K3＝(x3,y3,z3)；T4到下一次的T1时刻之间的参数为K4＝(x4,y4,z4)；需要注意的是，T1～T4的时间点不是严格固定间距的，只是一个范围，具体的时机需要由特征检测模块3I实时监测与修正；进一步地，整个呼吸周期可由示例的4个阶段进一步细分。

第一频域信号处理模块3D，用于对第一频域音频信号FFTS1分频段进行限波/滤波处理，并利用加权参数曲线和加权因子进行对应的加权增益补偿控制，以得到第二频域音频信号FFTS2；需要说明的是，本实施例中，可以通过梅尔滤波器把第一频域音频信号FFTS1分拆到多个子频带中，如图4所示，频域信号处理模块包括多个带通滤波器(31-1～31-N)和多个子频带增益补偿单元(32-1～32-N)，基于加权参数提取模块3K提供的加权参数，分子频带动态地调节第一频域音频信号FFTS1的相量，然后合并各子频带的信号，从而形成新的频响曲线，以得到第二频域音频信号FFTS2；

第一频域到时域转换模块3E，用于对第二频域音频信号FFTS2进行频域到时域转换，以得到相应分段的数字化第二时域音频信号IFFTS2；需要说明的是，在本实施例中，第一频域到时域转换模块3E采用快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)；

第一音频重组模块3F，用于将分段的数字化第二时域音频信号IFFTS2重组成在时间轴上连续的数字化第二音频信号；

第一数/模转换模块3G，用于将数字化第二音频信号恢复成模拟音频信号，以输出第二音频数据。

具体地，在本实施例中，第一输出模块4用于输出第二音频数据。在本实施例中，第一输出模块4将第二音频数据进行电信号到声波信号的转换，然后通过无线或有线的方式传送至终端设备200。

在本实施例中，在空气呼吸器的面罩与脸部合围成的容置腔体中，通过检测与气流变化声相关联的佩戴者呼吸信号数据，适度调整包含佩戴者说话的语音信号的第一音频数据，减少其气流噪声分量，提升通话的清晰度。

实施例二

参照图5，图5所示为本发明实施例二提供的音频通信设备的原理图；如图5所示，与实施例一提供的音频通信设备相比，本实施例提供的音频通信设备还包括环境噪声数据获取模块5、连接于所述环境噪声数据获取模块5和所述第一输出模块4的第二处理模块6以及连接于所述第二处理模块6的第二输出模块7。通过环境噪声数据获取模块采集空气呼吸器的容置腔体外部的环境噪声，结合容置腔体的隔音特性，进一步调整已经滤除了气流噪声分量的人声信号，减少其环境噪声分量，提升通话的可辨别度。

具体地，在本实施例中，环境噪声数据获取模块5用于获取所述空气呼吸器外部环境的第三音频数据，提取所述第三音频数据中的环境噪声数据。进一步地，可选用置于空气呼吸器面罩外侧并远离呼气阀的拾音器或压电陶瓷片等作为环境噪声数据获取模块来采集空气呼吸器周围的环境噪声。

具体地，在本实施例中，第二处理模块6用于根据所述空气呼吸器的隔音特性以及所述环境噪声数据，调整所述第二音频数据中的环境噪声，以得到第四音频数据。在实施例中，空气呼吸器的面罩和佩戴者的脸部形成一个相对独立的容置腔体，其本身对空气呼吸器周围的环境噪声有一定的隔音作用，其具体的隔音效果因不同面罩的结构或材料类型、材料厚度而存在差异。因此需要对每种空气呼吸器的隔音特性进行事前标定。结合隔音特性、第三音频数据(周围环境噪声数据)，调整第二音频数据中残余的环境噪声，以得到效果更好的第四音频数据。

进一步地，图6所示是图5所示的第二处理模块的功能示意图。如图6所示，第二处理模块6包括：

第二模/数转换模块6A，用于将所述第二音频数据进行数字化处理，以得到数字化的第二音频数据。在本实施例中，第二模/数转换模块6A可以配置采样率、通道延时等参数；需要说明的是，如果输入的第二音频数据已经为数字信号，则输入信号可跳过第二模/数转换模块6A；

第二音频分帧模块6B，用于把数字化处理后的第二音频数据，按时间轴进行分段处理，以得到分段的数字化第二音频数据；需要说明的是，此处的分段的时长是可以配置的；

第二时域到频域转换模块6C，用于对分段后的数字化第二音频数据进行时域到频域的转换，以得到与数字化第二音频数据对应的第三频域音频信号；需要说明的是，在本实施例中，第二时域到频域转换模块6C可以通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)将数字化的第二音频数据转换成对应的第三频域音频信号FFTS3；

第三模/数转换模块6D，用于将包含环境噪声数据的所述第三音频数据进行数字化处理，以得到数字化的第三音频数据。在本实施例中，第三模/数转换模块6D可以配置采样率、通道延时等参数；需要说明的是，如果输入的第三音频数据已经为数字信号，则输入信号可跳过第三模/数转换模块6D；

第三音频分帧模块6E，用于把数字化处理后的第三音频数据，按时间轴进行分段处理，以得到分段的数字化第三音频数据；需要说明的是，此处的分段的时长是可以配置的，且与第二音频分帧模块6B中的分段时长一致、同步；

第三时域到频域转换模块6F，用于对分段后的数字化第三音频数据进行时域到频域的转换，以得到与数字化第三音频数据对应的第四频域音频信号；需要说明的是，在本实施例中，第三时域到频域转换模块6F可以通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)将数字化的第三音频数据转换成对应的第四频域音频信号FFTS4；

第二频域信号处理模块6G，用于对第三频域音频信号FFTS3、第四频域音频信号FFTS4和空气呼吸器的隔音特性参数分频段进行限波/滤波处理，以得到第五频域音频信号FFTS5；

第二频域到时域转换模块6H，用于对第五频域音频信号FFTS5进行频域到时域转换，以得到相应分段的数字化第三时域音频信号IFFTS3；需要说明的是，在本实施例中，第二频域到时域转换模块6H采用快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)；

第二音频重组模块6I，用于将分段的数字化第三时域音频信号IFFTS3重组成在时间轴上连续的数字化第四音频信号；

第二数/模转换模块6J，用于将数字化第四音频信号恢复成模拟音频信号，以输出第四音频数据。

具体地，在本实施例中，第二输出模块7用于输出第四音频数据。在实施例中，第二输出模块7将第四音频数据进行电信号到声波信号的转换，然后通过无线或有线的方式传送至终端设备200。需要特别说明的是，第一处理器模块3中的第一频域信号处理模块3D的输出，可直接连接到第二处理器模块6中的第二频域信号处理模块6G的输入，即跳过第一处理器模块3中的3E/3F/3G、第一输出模块4、第二处理器模块6中的6A/6B/6C。

实施例三

参照图7，图7所示为本发明实施例三提供的音频通信设备的原理图；如图7所示，与实施例二提供的音频通信设备相比，本实施例提供的音频通信设备还包括振动检测传感器8、连接于所述振动检测传感器8和所述第二输出模块7的第三处理模块9以及连接于所述第三处理模块9的第三输出模块10。口腔说话声源处于面罩与脸部合围成的容置腔体，其腔体相对完整独立，音频频响会因此而发生改变，通过振动检测传感器来检测面罩的声波谐振曲线，对去除了环境噪声和气流噪声的人声信号加以修正，可以有效改善通话音质。

具体地，在本实施例中，振动检测传感器8用于获取所述空气呼吸器的面罩的声波谐振曲线。进一步地，可选用置于空气呼吸器面罩外侧的压电陶瓷片、加速度计等来采集空气呼吸器的面罩的声波谐振曲线。

具体地，在本实施例中，第三处理模块9用于根据所述声波谐振曲线，修正所述第四音频数据中的频响曲线，以得到第五音频数据。在实施例中，主要修正谐振点与音频低频频段的频响曲线。通过降低谐振频点附近音频的频响幅度以及第四音频中的低频分量，使音频更加清脆悦耳。

进一步地，图8所示是图7所示的第三处理模块的功能示意图。如图8所示，第三处理模块9包括：

第四模/数转换模块9A，用于将所述第四音频数据进行数字化处理，以得到数字化的第四音频数据。在本实施例中，第四模/数转换模块9A可以配置采样率、通道延时等参数；需要说明的是，如果输入的第四音频数据已经为数字信号，则输入信号可跳过第四模/数转换模块9A；

第四音频分帧模块9B，用于把数字化处理后的第四音频数据，按时间轴进行分段处理，以得到分段的数字化第四音频数据；需要说明的是，此处的分段的时长是可以配置的；

第四时域到频域转换模块9C，用于对分段后的数字化第四音频数据进行时域到频域的转换，以得到与数字化第四音频数据对应的第六频域音频信号；需要说明的是，在本实施例中，第四时域到频域转换模块9C可以通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)将数字化的第四音频数据转换成对应的第六频域音频信号FFTS6；

第二降噪网络模块9D，用于振动检测传感器8获取的所述空气呼吸器的面罩的声波谐振曲线进行滤波处理，移除和/或降低不相干的噪声信号，并对有用信息进行对应的增强；需要说明的是，在本实施例中，前置使用了卡尔曼滤波的方法，以降低人体噪声带来的影响；

第二特征检测模块9E，用于对降噪后的声波谐振曲线进行数据处理，提取出相关的特征参数；需要说明的是，在本实施例中，提取的相关特征参数包括谐振频率、幅度、相位等；

第二加权参数提取模块9F，根据特征参数，实时计算出对应的加权参数曲线和对应的加权因子；需要说明的是，谐振频率点可能有一个或多个；谐振频率点N对应的参数为Wn＝(On,Pn,Qn)，其中On代表谐振点频率，Pn代表谐振强度信息，Qn为修正经验因子；

第三频域信号处理模块9G，用于对第六频域音频信号FFTS6分频段进行限波/滤波处理，并利用加权参数曲线和加权因子进行对应的加权增益补偿控制，以得到第七频域音频信号FFTS7；

第三频域到时域转换模块9H，用于对第七频域音频信号FFTS7进行频域到时域转换，以得到相应分段的数字化第四时域音频信号IFFTS4；需要说明的是，在本实施例中，第三频域到时域转换模块9H采用快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform，IFFT)；

第三音频重组模块9I，用于将分段的数字化第四时域音频信号IFFTS4重组成在时间轴上连续的数字化第五音频信号；

第三数/模转换模块9J，用于将数字化第五音频信号恢复成模拟音频信号，以输出第五音频数据。

具体地，在本实施例中，第三输出模块10用于输出第五音频数据。在实施例中，第三输出模块10将第五音频数据进行电信号到声波信号的转换，然后通过无线或有线的方式传送至终端设备200。需要特别说明的是，第二处理器模块6中的第二频域信号处理模块6G的输出，可直接连接到第三处理器模块9中的第三频域信号处理模块9G的输入，即跳过第二处理器模块6中的6H/6I/6J、第二输出模块7、第三处理器模块9中的9A/9B/9C。

在实际情形中，譬如火场，会存在很大的低频噪声，其很容易与空气呼吸器形成谐振，从而使得低频噪声穿透空气呼吸器的面罩，减弱空气呼吸器的隔音特性。此外，由于空气呼吸器面罩和佩戴者面部形成相对独立的容置腔体，人说话的声音会在容置腔体内部反射，声音变得沉闷，且可能与面罩形成谐振。因此，为了获取更清晰的、更舒服的音频体验，本实施例对声波谐振对音频的影响进行了处理，通过降低谐振频点附近音频的频响幅度以及低频分量，使音频更加清脆悦耳。

实施例四

参照图9，图9所示为本发明实施例四提供的音频通信设备的原理图；如图9所示，与实施例三提供的音频通信设备相比，本实施例提供的音频通信设备还包括连接于所述第三处理模块9的能量监测模块11、连接于能量监测模块11的保护模块12、第三输出模块10连接于保护模块12。由于口腔说话声源处于面罩与脸部合围成的容置腔体中，其腔体相对完整独立，音频频响会因此而发生改变，因此，本实施例中，增加了保护音频过幅失真的功能，避免频段内的声音幅度过大。

具体地，在本实施例中，能量监测模块11用于监测所述第五音频数据的音量输出能量，判断是否超出预设的输出阈值范围。进一步地，只有当第五音频数据的音量输出能量大于一个预设的曲线范围时且持续一个预定时间时，能量监测模块11才会发送开启信号至保护模块。

具体地，在本实施例中，保护模块12用于在所述音量输出能量持续超出预设的输出阈值范围的时间超过预设时间时，压缩所述第五音频数据。在实施例中，保护模块会对整体频响范围内的幅度进行等比的缩小以减小第五音频数据的音量输出，以避免频段内的声音幅度过大。

具体地，在本实施例中，第三输出模块10用于输出所述第五音频数据或压缩后的第五音频数据。在实施例中，第三输出模块10将第五音频数据或压缩后的第五音频数据进行电信号到声波信号的转换，然后通过无线或有线的方式传送至终端设备200。

实施例五

参照图10，图10所示为本发明实施例五提供的用于空气呼吸器的音频通信方法的流程图。如图10所示，本实施例提供的用于空气呼吸器的音频通信方法包括以下步骤：

S1001、通过第一音频获取模块获取空气呼吸器内部的第一音频数据；

具体地，在本实施例中，可以通过有线和/或无线的链接方式获取第一音频获取模块中的第一音频数据。第一音频获取模块处于面罩内侧，靠近呼气阀，离呼气阀在2～10cm的范围内。第一音频数据包括了佩戴者说话的语音信号以及多种噪声信号，其中，噪声信号包括但不限于气流噪声、面罩隔音效果不好带来的爆破残余噪声和警笛残余噪声等。

S1002、通过呼吸检测传感器获取佩戴者的呼吸信号数据；

具体地，在本实施例中，可以通过呼吸检测传感器检测呼吸状态，通过分析对应的传感器数据，反推呼吸状态。通过分析和预测佩戴者的呼吸参数，包括但不限于呼吸频率、吸气开始、吸气终止、吸气压力、通气量等，可以很好的预测和估算气流噪声的变化情况。

S1003、根据佩戴者的所述呼吸信号数据，调整所述第一音频数据中的气流噪声，以得到第二音频数据；

具体地，在本实施例中，首先推测呼吸状态，获取对应呼吸特征参数，然后同步气流噪声，获取实时的加权参数组；然后依据加权参数组对第一音频数据的频响曲线和幅度进行调整，以降低第一音频数据中的气流噪声分量，获得音质更好的第二音频数据。

S1004、输出所述第二音频数据。

具体地，在本实施例中，将第二音频数据进行电信号到声波信号的转换后，通过无线或有线的方式传送至终端设备。

通过本实施例的方法，在空气呼吸器的面罩与脸部合围成的容置腔体中，通过检测与气流变化声相关联的佩戴者呼吸动作信号数据，适度调整包含佩戴者说话的语音信号的第一音频数据，减少其气流噪声分量，提升通话的清晰度。

实施例六

参照图11，图11所示为本发明实施例六提供的音频通信方法的流程图；如图11所示，与实施例五提供的音频通信方法相比，本实施例提供的音频通信方法还包括：

S1005、获取所述空气呼吸器外部环境的第三音频数据，提取所述第三音频数据中的环境噪声数据；

具体地，在本实施例中，通过处于面罩外侧且远离呼气阀的环境噪声数据获取模块采集空气呼吸器周围的环境噪声。

S1006、根据所述空气呼吸器的隔音特性以及所述环境噪声数据，调整所述第二音频数据中的环境噪声，以得到第四音频数据；

具体地，在本实施例中，结合隔音特性、第三音频数据(周围环境噪声数据)，调整第二音频数据中残余的环境噪声，以得到效果更好的第四音频数据。

S1007、输出所述第四音频数据。

具体地，在本实施例中，将第四音频数据进行电信号到声波信号的转换后，通过无线或有线的方式传送至终端设备。

本实施例通过环境噪声数据获取模块采集空气呼吸器的容置腔体外部的环境噪声，结合容置腔体的隔音特性，进一步调整已经滤除了气流噪声分量的人声信号，减少其环境噪声分量，提升通话的可辨别度。

实施例七

参照图12，图12所示为本发明实施例七提供的音频通信方法的流程图；如图12所示，与实施例六提供的音频通信方法相比，本实施例提供的音频通信方法还包括：

S1008、获取所述空气呼吸器的面罩的声波谐振曲线；

具体地，在本实施例中，用置于面罩外侧的振动检测传感器获取面罩的声波谐振曲线。振动检测传感器优选为压电陶瓷片、加速度计。

S1009、根据所述声波谐振曲线，修正所述第四音频数据中的频响曲线，以得到第五音频数据；

具体地，在本实施例中，根据声波谐振曲线，修正第四音频数据中的频响曲线，以得到第五音频数据。主要修正谐振点与音频低频频段的频响曲线。通过降低谐振频点附近音频的频响幅度以及第四音频中的低频分量，使音频更加清脆悦耳。

S10010、输出所述第五音频数据。

具体地，在本实施例中，将第五音频数据进行电信号到声波信号的转换后，通过无线或有线的方式传送至终端设备。

本实施例通过振动检测传感器来检测面罩的声波谐振曲线，对去除了环境噪声和气流噪声的人声信号加以修正，可以有效改善通话音质。

实施例八

参照图13，图13所示为本发明实施例八提供的音频通信方法的流程图；如图13所示，与实施例七提供的音频通信方法相比，本实施例提供的音频通信方法还包括：

S10011、监测所述第五音频数据的音量输出能量；

具体地，在本实施例中，监测所述第五音频数据的音量输出能量，判断是否超出预设的输出阈值范围。

S10012、在所述音量输出能量持续超出预设的输出阈值范围的时间超过预设时间时，压缩所述第五音频数据；

具体地，在本实施例中，当第五音频数据的音量输出能量大于一个预设的曲线范围时且持续一个预定时间时，才会发送开启信号至保护模块，压缩所述第五音频数据。保护模块会对整体频响范围内的幅度进行等比的缩小以减小第五音频数据的音量输出，以避免频段内的声音幅度过大。

S10013、输出压缩后的第五音频数据。

具体地，在本实施例中，将压缩后的第五音频数据进行电信号到声波信号的转换后，通过无线或有线的方式传送至终端设备。

本实施例增加了保护音频过幅失真的功能，避免频段内的声音幅度过大。

实施例九

图14是音频通信设备110的另一个优选实施例的结构示意图。如图所示，音频通信设备110附属于空气呼吸器面罩的左侧表面，包括第一音频模块1、呼吸检测传感器2、第一处理模块3(图中未示出)、环境噪声数据获取模块5、第二处理模块6(图中未示出)、振动检测传感器8、第三处理模块9(图中未示出)、能量监测模块11(图中未示出)、保护模块12(图中未示出)、扩音器/扬声器13、输入输出单元14(包括第一输出模块4、第二输出模块7、第三输出模块10)。第一音频模块1和呼吸检测传感器2置于空气呼吸器面罩内侧表面，靠近呼气阀且保有一定距离，以减弱呼气气流对第一音频模块的影响。环境噪声数据获取模5置于空气呼吸器面罩外侧表面，且远离呼气阀。振动检测传感器8与空气呼吸器的外侧表明形成刚性连接。扩音器/扬声器13和输入输出单元14靠近面颊附近，以降低其对第一音频模块、呼吸检测传感器和环境噪声获取模块的影响。

需要说明的是，系统为了提升操作的便利性，还可以在输出音频的后端加入关键词的语音识别功能，通过语音控制PTT的按下与释放，提升操作的便捷性。比如，佩戴者说“我要上报”，系统识别到关键词“我要上报”后，尝试拉低PTT控制脚，抢占通信信道，如果抢占失败，则输出对应的失败提示音和提示信息；如果抢占成功，则输出对应的成功提示音和提示信息，佩戴者接下来的说话声音将通过终端设备上传到指挥中心。如果佩戴者说“上报结束”，系统识别到关键词“上报结束”后，弹起PTT控制脚，释放通信信道。如果发现佩戴者占用通信信道时间超过某一时间阈值T，系统会自动释放通信信道，并输出对应的提示音和提示信息给佩戴者。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

Claims (3)

1.一种用于空气呼吸器的音频通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过第一音频获取模块获取空气呼吸器内部的第一音频数据，所述第一音频获取模块为置于空气呼吸器面罩内侧的拾音器或压电陶瓷片；

通过呼吸检测传感器获取佩戴者的呼吸信号数据，所述呼吸检测传感器设置在空气呼吸器面罩内侧；

根据佩戴者的所述呼吸信号数据，调整所述第一音频数据中的气流噪声，以得到第二音频数据；以及

输出所述第二音频数据；

根据佩戴者的所述呼吸信号数据，调整所述第一音频数据中的气流噪声，以得到第二音频数据的步骤包括：

对所述第一音频数据进行数字化处理，并把数字化处理后的第一音频数据按时间轴进行分段处理，以得到分段的数字化第一音频数据；

对所述分段的数字化第一音频数据进行时域到频域转换，得到与之对应的第一频域音频信号；

对所述呼吸信号数据进行降噪和特征检测，得到呼吸状态特征参数；

将所述分段后的数字化第一音频数据与所述呼吸状态特征参数进行同步；

根据同步后的呼吸状态特征参数，实时计算对应的加权参数曲线和对应的加权因子；

对所述第一频域音频信号分频段进行滤波处理，并利用加权参数曲线和加权因子进行对应的加权增益补偿控制，以得到第二频域音频信号；

对所述第二频域音频信号进行频域到时域转换、信号重组以及数模转换，以得到所述第二音频数据；

还包括：

通过置于空气呼吸器面罩外侧并远离呼气阀的拾音器或压电陶瓷片获取空气呼吸器外部环境的第三音频数据，提取所述第三音频数据中的环境噪声数据；

根据所述空气呼吸器的隔音特性以及所述环境噪声数据，调整所述第二音频数据中的环境噪声，以得到第四音频数据；以及

输出所述第四音频数据；

获取所述空气呼吸器的面罩的声波谐振曲线；

根据所述声波谐振曲线，修正所述第四音频数据中的频响曲线，以得到第五音频数据；以及

输出所述第五音频数据；

监测所述第五音频数据的音量输出能量；

在所述音量输出能量持续超出预设的输出阈值范围的时间超过预设时间时，压缩所述第五音频数据；以及

输出所述第五音频数据或压缩后的第五音频数据。

2.一种采用权利要求1中所述音频通信方法的音频通信设备，其特征在于，包括：

第一音频获取模块，用于获取空气呼吸器内部的第一音频数据，所述第一音频获取模块为置于空气呼吸器面罩内侧的拾音器或压电陶瓷片；

呼吸检测传感器，用于获取佩戴者的呼吸信号数据，所述呼吸检测传感器设置在空气呼吸器面罩内侧；

第一处理模块，连接于所述第一音频获取模块和所述呼吸检测传感器，用于根据佩戴者的所述呼吸信号数据，调整所述第一音频数据中的气流噪声，以得到第二音频数据；以及

第一输出模块，连接于所述第一处理模块，用于输出所述第二音频数据；

第一处理模块包括：

第一模/数转换模块3A，用于将所述第一音频数据进行数字化处理，以得到数字化的第一音频数据；

第一音频分帧模块3B，用于把数字化处理后的第一音频数据，按时间轴进行分段处理，以得到分段的数字化第一音频数据；

第一时域到频域转换模块3C，用于对分段后的数字化第一音频数据进行时域到频域的转换，以得到与数字化第一音频数据对应的第一频域音频信号；

第一降噪网络模块3H，用于对呼吸检测传感器传来的数据进行滤波处理，移除和/或降低不相干的噪声信号，并对有用信息进行对应的增强；

第一特征检测模块3I，用于对降噪后的呼吸信号数据进行数据处理，提取出相关的呼吸状态特征参数；

同步气流噪声模块3J，用于将分段后的数字化第一音频数据与呼吸状态特征参数进行同步，使呼吸动作与第一音频数据中因呼吸动作而引起的变化气流声在时间维度上同步；

第一加权参数提取模块3K，根据同步后的呼吸状态特征参数，实时计算出对应的加权参数曲线和对应的加权因子；

第一频域信号处理模块3D，用于对第一频域音频信号FFTS1分频段进行限波/滤波处理，并利用加权参数曲线和加权因子进行对应的加权增益补偿控制，以得到第二频域音频信号FFTS2；

第一频域到时域转换模块3E，用于对第二频域音频信号FFTS2进行频域到时域转换，以得到相应分段的数字化第二时域音频信号IFFTS2；

第一音频重组模块3F，用于将分段的数字化第二时域音频信号IFFTS2重组成在时间轴上连续的数字化第二音频信号；

第一数/模转换模块3G，用于将数字化第二音频信号恢复成模拟音频信号，以输出第二音频数据；

还包括：

环境噪声数据获取模块，用于获取所述空气呼吸器外部环境的第三音频数据，提取所述第三音频数据中的环境噪声数据，环境噪声数据获取模块为置于空气呼吸器面罩外侧并远离呼气阀的拾音器或压电陶瓷片；

第二处理模块，连接于所述环境噪声数据获取模块和所述第一输出模块，用于根据所述空气呼吸器的隔音特性以及所述环境噪声数据，调整所述第二音频数据中的环境噪声，以得到第四音频数据；

第二输出模块，连接于所述第二处理模块，用于输出所述第四音频数据；

振动检测传感器，用于获取所述空气呼吸器的面罩的声波谐振曲线；

第三处理模块，连接于所述振动检测传感器和所述第二输出模块，用于根据所述声波谐振曲线，修正所述第四音频数据中的频响曲线，以得到第五音频数据；以及

第三输出模块，连接于所述第三处理模块，用于输出所述第五音频数据；

能量监测模块，连接于所述第三处理模块，用于监测所述第五音频数据的音量输出能量；

保护模块，连接于所述能量监测模块，用于在所述音量输出能量持续超出预设的输出阈值范围的时间超过预设时间时，压缩所述第五音频数据；

所述第三输出模块，用于输出所述第五音频数据或压缩后的第五音频数据。

3.一种采用权利要求2中所述音频通信设备的空气呼吸器。