ES2295313T3 - Aparato y metodo para deteccion y discriminacion de voz. - Google Patents
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Abstract
Aparato para detección y discriminación de voz para controlar un sistema accionado por voz, que comprende un elemento terminal (1, 2) de protección para los oídos a efectos de proteger el oído al proporcionar atenuación acústica, un elemento transductor electroacústico interior (M2) en un lado interior del elemento terminal (1, 2) para los oídos a efectos de detectar un primer campo acústico y proporcionar una primera señal electrónica que representa dicho primer campo acústico, un elemento transductor electroacústico exterior (M1) en un lado exterior del elemento terminal (1, 2) para los oídos a efectos de detectar un segundo campo acústico y proporcionar una segunda señal electrónica que representa dicho segundo campo acústico, una unidad electrónica (11, E3) conectada con dichos elementos transductores electroacústicos (M1, M2) y que comprende primeros medios de comparación (27) para comparar dichas primera y segunda señales electrónicas a efectos de obtener la diferencia entre dichas dos señales electrónicas, y segundos medios de comparación (28) para comparar dicha diferencia con unos criterios dados, y medios de salida (13, E12) conectados a dicha unidad electrónica para proporcionar una señal de salida dependiendo de dicha segunda comparación, siendo dicha señal de salida una señal de entrada al sistema (29) accionado por voz.
Description
Aparato y método para detección y discriminación
de voz.
La presente invención se refiere a un aparato
para detección y discriminación de voz en un dispositivo de
protección auditiva y, más particularmente, a un aparato VOX (de
transmisión/intercambio accionados por voz), para determinar si una
señal de voz acústica está presente o no en un dispositivo de
protección auditiva.
La presente invención se refiere también a un
método para detectar una voz usando el aparato para detección y
discriminación de voz de la invención en un dispositivo de
protección auditiva.
El control activado por voz se utiliza
extensamente en sistemas de comunicación, tales como transceptores
de radio, sistemas de intercomunicación, equipos de grabación, etc.,
y en interfaces hombre-máquina basadas en el
habla.
Esta invención está destinada a emplearse en
entornos ruidosos, por ejemplo en entornos en los que predomina
alguna fuente de ruido acústico, que hace que sea difícil oír o
cuando se puede correr el riesgo de dañar la función auditiva. En
dichos entornos, puede existir por ejemplo maquinaria de tipo pesado
o denso tráfico de vehículos en los alrededores. En otros entornos,
puede haber una gran cantidad de personas, por ejemplo en estadios
deportivos, tales como estadios de fútbol o similares, en los que el
público genera mucho ruido.
En particular, la aplicación primaria para la
invención se tiene en situaciones en las que es deseable que la
gente use un dispositivo de protección auditiva, si bien se
requieren todavía algunos medios de comunicación, por ejemplo para
hablar con otras personas o para dar órdenes a equipos accionados
por voz.
Los dispositivos actuales destinados a captar el
habla de una persona en un entorno muy ruidoso, como base para la
detección de voz, representan un desafío tecnológico, y adoptan
varias formas. Los tipos más comunes incluyen:
- Un micrófono muy próximo a la boca, soportado
en un brazo para soporte del mismo. El micrófono está hecho con una
característica que destaca el campo cercano desde la boca. Este tipo
se denomina, a veces, "de cancelación del ruido".
- Un captador de vibraciones en contacto con la
garganta, que capta las vibraciones de las cuerdas vocales.
- Un captador de vibraciones en contacto con la
pared del meato auditivo, el conducto auditivo externo, que capta
las vibraciones del tejido en la cabeza.
- Un captador similar en contacto con el
pómulo.
- Un micrófono que capta el sonido en un espacio
cerrado en la parte interior del meato auditivo.
La detección de voz está basada en varias
técnicas:
- Medición de la intensidad de una señal del
captador de vibraciones/micrófono filtrada con paso de banda,
- Procesamiento de señales avanzado de una señal
captada por un micrófono (una revisión de métodos se encuentra en
Bishnu S. Atal, Lawrence R. Rabiner: "A Pattern Recognition
Approach to Voice-Unvoiced-Silence
Classification with Applications to Speech Recognition" ("Una
propuesta de reconocimiento de modelos para clasificación
voz-sin voz-silencio con
aplicaciones al reconocimiento del habla"), IEEE Transactions on
Acoustics, Speech and Signal Processing, volumen
ASSP-24, número 3, de junio de 1976, páginas
209-212.
Frecuentemente, los dispositivos actuales no
funcionan de modo apropiado en entornos ruidosos. Habitualmente,
tienen lugar los siguientes tipos de errores:
- El dispositivo no se activa por voz
normal.
- El ruido activa falsamente el dispositivo en
el caso de que no haya habla.
Además, se hace observar que el documento U.S.A.
5.577.511 da a conocer un medidor de oclusión en el que se usan dos
micrófonos para detectar niveles de presión sonora en el exterior y
en el interior de un conducto auditivo en el que está colocado un
auricular. La diferencia entre estos niveles de presión sonora
proporciona una indicación del grado de oclusión por el
auricular.
La presente invención es un desarrollo adicional
del terminal para los oídos descrito en las solicitudes
internacionales de patente PCT/N001/00357, PCT/N001/00358,
PCT/N001/00359, PCT/N001/00360 y PCT/N001/00361, todas ellas
pendientes de publicar.
Un objetivo de la presente invención es dar a
conocer un aparato para detección y discriminación de voz, que
proporciona un comportamiento muy mejorado en entornos ruidosos.
Otro objetivo adicional de la invención es dar a
conocer un aparato VOX (de transmisión/intercambio accionados por
voz) que es capaz de detectar y discriminar una voz en un entorno
ruidoso.
Otro objetivo adicional de la invención es dar a
conocer un aparato para detección y discriminación de voz, con
capacidad mejorada de detección de voz y en el que se ha reducido la
falsa activación debido al ruido acústico.
En particular, otro objetivo adicional de la
invención es dar a conocer un aparato VOX (de
transmisión/intercambio accionados por voz) adecuado para su uso
con sistemas de comunicación electrónica que se utilizan en entornos
ruidosos.
Además, otro objetivo de la presente invención
es dar a conocer un método para detectar una voz a efectos de
controlar un sistema accionado por voz, mediante la utilización de
un elemento terminal para los oídos destinado también a proteger la
función auditiva al proporcionar atenuación acústica.
Según la invención, estos objetivos se consiguen
con un aparato para detección y discriminación de voz para
controlar un sistema accionado por voz, que comprende un elemento
terminal de protección para los oídos a efectos de proteger el oído
al proporcionar atenuación acústica. Un elemento transductor
electroacústico interior en un lado interior del elemento terminal
para los oídos detecta un primer campo acústico y proporciona una
primera señal electrónica que representa dicho primer campo
acústico. Un elemento transductor electroacústico exterior en un
lado exterior del elemento terminal para los oídos detecta un
segundo campo acústico y proporciona una segunda señal electrónica
que representa dicho segundo campo acústico. Una unidad electrónica
está conectada con dichos elementos transductores electroacústicos.
La unidad electrónica comprende primeros medios de comparación para
comparar dichas primera y segunda señales electrónicas a efectos de
obtener la diferencia entre las dos señales electrónicas
mencionadas. La unidad electrónica comprende también segundos medios
de comparación para comparar dicha diferencia con unos criterios
dados. Medios de salida conectados a dicha unidad electrónica
proporcionan una señal de salida dependiendo de dicha segunda
comparación. La señal de salida se usa como una señal de entrada al
sistema accionado por voz.
Según la invención, estos objetivos se consiguen
también con un método correspondiente para detectar la propia voz
de una persona y para controlar un sistema accionado por voz, que
utiliza un elemento terminal para los oídos a efectos de proteger
el oído al proporcionar atenuación acústica. El método comprende las
siguientes etapas: se detecta la intensidad de la señal acústica en
el lado interior de dicho elemento terminal para los oídos usando
un primer elemento transductor electroacústico. Se detecta la
intensidad de la señal acústica en el lado exterior del elemento
terminal para los oídos usando un segundo elemento transductor
electroacústico. Se obtiene un valor de diferencia que representa
la diferencia en la intensidad de la señal acústica entre el lado
interior y exterior del elemento terminal para el oído. Usando el
valor que representa la diferencia obtenida y los criterios dados,
se decide si está presente una voz. Dependiendo de la decisión, se
proporciona una señal de salida usando medios de salida. La señal
de salida se usa como entrada al sistema accionado por voz.
Las realizaciones preferibles adicionales de la
invención se definen en las reivindicaciones independientes.
La figura 1 muestra una realización de la
invención en la que la detección de voz está incluida en un terminal
de comunicación de voz de protección auditiva en forma de tapón
para los oídos.
La figura 2 es un diagrama de bloques que
muestra las unidades funcionales principales de los circuitos
electrónicos del aparato según la invención.
La figura 3 es un diagrama de bloques que
muestra una posible disposición de procesamiento de señales según
la invención.
La figura 4 es un diagrama de bloques que
muestra una posible disposición de procesamiento de señales según
la invención, en el que la entrada de señales de referencia de
decisión se obtiene desde un seguidor de mínimos.
La figura 5 es un diagrama de bloques de las dos
etapas del procesamiento del bloque de decisión.
La figura 6 muestra una característica de
respuesta de frecuencia posible de los filtros de paso de banda.
La figura 7 es un diagrama de bloques que
muestra una realización preferente de la detección de señales.
La figura 8 muestra una característica típica de
atenuación sonora de un protector auditivo con una sección de
estanqueidad de espuma polímera y control sonoro activo (ANR).
La figura 9 muestra el funcionamiento de un
seguidor de mínimos.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 muestra una realización según la
invención en la que la detección y discriminación de voz están
incluidas en un terminal de comunicación de voz de protección
auditiva (1), (2) basado en un tapón para los oídos. El tapón (1),
(2) para los oídos comprende una sección principal (1) que contiene
dos elementos transductores electroacústicos (M1) y (M2) y un
generador de sonidos (SG). La sección principal (1) está diseñada de
modo que proporciona una colocación cómoda y segura en la concha
(la cavidad en forma de cuenco a la entrada del conducto auditivo).
Esto se puede obtener usando piezas (1) para los oídos moldeadas
individualmente, que están retenidas en su sitio por el oído
externo o por la aplicación al menos en una parte del tapón (1), (2)
para los oídos de una presión circundante flexible contra la
estructura del oído externo. Una sección de estanqueidad (2) está
fijada a la sección principal. La sección de estanqueidad (2) puede
ser una parte integral del tapón (1), (2) para los oídos, o puede
ser intercambiable. La entrada de sonido del elemento transductor
electroacústico (M1) está conectada al exterior del tapón (1), (2)
para los oídos, captando los sonidos externos. El elemento
transductor electroacústico (M2) está conectado a la parte interior
del meato auditivo (3) por medio de un tubo (T1) de transmisión
acústica. El tubo (T1) de transmisión acústica puede contener
elementos de filtrado acústico adicionales y opcionales. Los
elementos de filtrado pueden consistir, por ejemplo, en elementos de
resistencia acústica en forma de elementos de inserción porosos o
sinterizados, y/o en elementos de adaptación acústica en forma de
pequeñas cavidades, por separado o en combinación. Una salida del
generador de sonidos (SG) está abierta hacia adentro de la parte
interior del meato auditivo (3) por medio de un tubo (T2) de
transmisión acústica entre el generador de sonidos (SG) y la parte
dirigida hacia adentro de la sección de estanqueidad (2). El tubo
(T2) de transmisión acústica puede contener también elementos de
filtrado acústico adicionales y opcionales.
Cuando se disponga de elementos transductores
electroacústicos (M2) más pequeños, y generadores de sonidos (SG),
será posible montar el elemento transductor electroacústico (M2) y
el generador de sonidos (SG) en la parte más interior de la sección
de estanqueidad (2). No hay necesidad entonces de los tubos (T1) y
(T2) de transmisión.
Los dos elementos transductores electroacústicos
(M1), (M2) y el generador de sonidos (SG) están conectados a una
unidad electrónica (11), que puede estar conectada a otro equipo por
una interfaz de conexión (13), que puede transmitir señales
digitales o analógicas, o ambas, y opcionalmente potencia.
La unidad electrónica (11) y la fuente de
alimentación (12), por ejemplo, una batería, pueden estar incluidas
en la sección principal (1) o en una sección independiente.
Uno o ambos de los elementos transductores
electroacústicos (M1), (M2) pueden ser, en una realización
preferente, micrófonos, tales como micrófonos de electreto en
miniatura estándares, similares a los usados en audífonos. Se
pueden usar también micrófonos de silicio recientemente
desarrollados.
El generador de sonidos (SG) se puede basar, en
una realización preferente, en el principio electromagnético o
electrodinámico, similares a los generadores de sonido aplicados en
audífonos.
La sección principal del tapón (1), (2) para los
oídos puede estar hecha de materiales polímeros estándares que se
usan para audífonos normales. La parte de estanqueidad (2) puede
estar hecha de una espuma polímera elástica con retención de forma,
que se vuelve a expandir lentamente, semejante a PVC, PUR o a otros
materiales adecuados para los tapones para los oídos.
Para algunas aplicaciones (con niveles de ruido
menos extremos), el tapón para los oídos puede estar moldeado en
una pieza (1), (2), combinando la sección principal (1) y la sección
de estanqueidad (2). El material para este diseño puede ser un
material típico usado para tapones pasivos para los oídos (elacín,
acril).
También es posible realizar el tapón (1), (2)
para los oídos en una pieza que comprenda la sección principal (1)
y la sección de estanqueidad (2), toda hecha de la espuma polímera
mencionada anteriormente, pero entonces los tubos (T1), (T2), (T3)
se tienen que hacer de un material de pared que impida que los
canales (T1), (T2), (T3) se aplasten cuando la sección de
estanqueidad (2) se inserta en el meato auditivo (3). El material de
pared debería ser no poroso, típicamente un material de plástico o
de caucho con una rigidez suficiente para mantener abierto el tubo
y, al mismo tiempo, permitir el curvado del tubo para que se adapte
a la geometría del meato auditivo.
Cuando un usuario lleva el aparato según la
invención en un entorno ruidoso, existirá normalmente una diferencia
significativa en el sonido, denominada también intensidad del campo
acústico o de la señal acústica entre el interior y el exterior del
aparato, detectada por los dos elementos transductores
electroacústicos (M1) y (M2). Cuando el usuario del protector
auditivo habla, la señal desde su propia voz produce una señal en
el elemento transductor electroacústico interior (M2). Entonces
disminuye la diferencia en la intensidad de la señal, detectada por
los dos elementos transductores electroacústicos (M1), (M2). Cuando
se detecta dicha disminución en la diferencia de señales, ésta se
interpreta como que está presente una señal de voz, y los medios de
salida (13) generan una salida para controlar un sistema (29)
accionado por voz.
En muchas aplicaciones de un aparato según la
invención, la presión circundante puede variar durante su uso. Por
consiguiente, se requiere una compensación de presión entre los dos
lados del sistema de tapón para los oídos. Esto se obtiene usando
un conducto muy delgado (T3), (T4) o una válvula que compense las
diferencias de presión estática, al tiempo que conserve fuerte
atenuación sonora de baja frecuencia. Se puede incorporar una
válvula de seguridad (V) para tener cuidado de la descompresión
rápida en el sistema (T3), (T4) de compensación de presión. Los
medios (T3), (T4), (V) de compensación de presión no se requieren,
estrictamente, en una realización básica del aparato según la
invención, pero pueden ser una característica opcional incluida en
otra realización de la invención.
La figura 2 es un diagrama de bloques que
muestra las unidades funcionales principales de los circuitos
electrónicos del aparato según la invención. El elemento
transductor electroacústico (M1) capta el sonido ambiental. Una
señal desde el elemento transductor electroacústico (M1) es
amplificada en el amplificador (E1) y, en una realización básica de
la invención, proporcionada directamente a la unidad (E3) de
procesamiento de señales. La señal desde el elemento transductor
electroacústico (M1) en una realización alternativa preferible de la
invención es muestreada y digitalizada en un convertidor analógico
a digital (E2) y alimentada a una unidad de procesamiento (E3), que
puede ser un procesador de señales digitales (DSP), un
microprocesador (\muP) o una combinación de ambos. Una señal
desde el elemento transductor electroacústico (M2), que capta el
sonido en el meato auditivo (3) entre la sección de aislamiento (2)
y el tímpano (4), es amplificada en el amplificador (E4). La señal
amplificada se puede proporcionar directamente a la unidad de
procesamiento (E3) o puede ser muestreada y digitalizada en el
convertidor analógico a digital (E5) antes de ser alimentada a la
unidad de procesamiento (E3).
En el caso de que el aparato según la invención
se esté utilizando para controlar un sistema (29) accionado por voz
en forma de un sistema de comunicaciones, por ejemplo usando las
técnicas descritas en las solicitudes relacionadas anteriormente
mencionadas, será útil incluir una función de bloqueo, tal como se
explicará a continuación.
Se puede introducir una señal entrante de
comunicación en la unidad de procesamiento (E3) a través de la
interfaz digital (E12). Esta señal de comunicación es convertida en
forma analógica en el convertidor digital a analógico (E7) y
alimentada al amplificador de salida analógica (E6) que acciona el
generador de sonidos (SG). La señal sonora producida por el altavoz
(SG) es alimentada al tímpano (4) mediante el conducto (T2), hacia
adentro del meato auditivo (3).
Cuando la señal entrante de comunicación se
introduce en el mismo terminal que se utiliza para el control
activado por voz, es necesario aplicar una función de bloqueo en
forma de una señal adicional de estado de la decisión al proceso de
decisión. Esta señal adicional de estado de la decisión depende
típicamente de la señal entrante de comunicación. La señal
adicional de estado de la decisión prohibirá o bloqueará la
detección de la señal entrante de comunicación, tal como si fuera
la propia voz de los usuarios, durante los períodos de tiempo en
los que la señal entrante de comunicación está activa. Esta señal de
prohibición de la detección se aplica al bloque de decisión (28) y
al bloque de detalle (40) correspondiente, en las figuras 3 y 5,
respectivamente.
No obstante, se puede introducir una señal
entrante de comunicación en un terminal de protección auditiva (1),
(2) adicional situado en el oído opuesto al que aloja el terminal
utilizado para el control activado por voz. En este caso, no se
requiere estrictamente la función de bloqueo anteriormente
mencionada.
La unidad de procesamiento (E3) está conectada a
medios de almacenamiento que pueden ser RAM (memoria de acceso
aleatorio) (E8), ROM (memoria de lectura solamente) (E9) o EEPROM
(memoria de solo lectura programable que se puede borrar
eléctricamente) (E10), o combinaciones de los mismos. Las memorias
(E8), (E9) y (E10) se usan, en una realización preferente de la
invención, para almacenar programas informáticos, coeficientes de
filtro, datos del análisis y otros datos relevantes.
Los medios de almacenamiento (E8), (E9), (E10)
contienen típicamente los criterios a utilizar por la unidad de
procesamiento (E3) durante el funcionamiento del dispositivo. Los
criterios pueden comprender típicamente datos proporcionados
durante el montaje del aparato, datos proporcionados como parte de
un procedimiento de calibración, posiblemente asociados con
usuarios particulares, datos obtenidos desde procesos adaptativos
durante el funcionamiento del dispositivo o datos de entrada, por
ejemplo proporcionados por un usuario, mediante la interfaz digital
(E12).
Los circuitos electrónicos (11) pueden estar
conectados a otras unidades eléctricas por una interfaz, tal como
una interfaz digital bidireccional (E12). La comunicación con otras
unidades eléctricas se puede realizar mediante un cable o de modo
inalámbrico a través de un radioenlace digital. El estándar
Bluetooth para radio digital de corto alcance es un posible
candidato de comunicación inalámbrica para esta interfaz digital
(E12).
\newpage
\global\parskip0.930000\baselineskip
En una realización preferente de la invención,
las señales que se pueden transmitir a través de esta interfaz
son:
- Un código de programa para la unidad de
procesamiento (E3).
- Datos del análisis desde la unidad de
procesamiento (E3).
- Datos de sincronización cuando se usan dos
terminales (1), (2) para los oídos en un modo binaural.
- Señales de audio digitalizadas en ambas
direcciones hacia y desde un terminal (1), (2) para los oídos.
- Señales de control para controlar el
funcionamiento del terminal para los oídos.
- Señales digitales de medición para el
diagnóstico del comportamiento del terminal para los oídos.
Basándose en las señales recibidas por los
circuitos electrónicos (11) mediante la comunicación con otras
unidades eléctricas, en las señales almacenadas en el propio
elemento terminal (1), (2) para los oídos, o en las señales
detectadas por los elementos transductores electroacústicos (M1),
(M2), el procesador (E3) de señales puede generar una señal de
salida para el generador de sonidos (SG). En la versión digital de
la invención, la señal digital generada en la unidad de
procesamiento (E3) es convertida en forma analógica en el
convertidor digital a analógico (E7) y alimentada al amplificador de
salida analógica (E6) que acciona el altavoz (SG). La señal sonora
producida por el altavoz (SG) es alimentada al tímpano (4) mediante
el conducto (T2), hacia adentro del meato auditivo (3), tal como se
ha descrito anteriormente.
Una señal de control manual puede ser generada
en la unidad de control manual (E11) y alimentada a la unidad de
procesamiento (E3). La señal de control manual puede ser generada
por botones de accionamiento, conmutadores, etc., y se puede usar
para poner en marcha y parar el aparato, para cambiar el modo de
funcionamiento, etc. En una realización alternativa, una señal de
voz puede constituir las señales de control para la unidad de
procesamiento (E3). En este caso, la señal detectada de voz se
compararía típicamente con una representación almacenada
predeterminada, por ejemplo pregrabada, de una señal de voz, tal
como una grabación digital. Una señal de control manual puede ser
proporcionada también por una unidad alejada que suministra señales
de salida adaptadas para ser recibidas por el aparato, por ejemplo
mediante la interfaz (13).
Los circuitos eléctricos están alimentados por
la fuente de alimentación (12a), que puede ser una batería primaria
o recargable dispuesta en el tapón para los oídos o en una unidad
independiente, o pueden estar alimentados mediante una conexión a
otro equipo, por ejemplo una radio de comunicación.
El diagrama de bloques en la figura 3 muestra
una posible disposición de procesamiento de señales según la
invención. El procesamiento de señales puede ser completamente
analógico, o las señales amplificadas desde (M1) y (M2) pueden ser
convertidas de analógicas a digitales, y todo el filtrado y
procesamiento de señales puede ser realizado en el dominio digital,
tal como se muestra en la figura 2. La señal desde el elemento
transductor electroacústico (M1) es amplificada en el amplificador
(21) y filtrada en un filtro de paso de banda (22) antes de ser
alimentada a un detector de la intensidad de la señal. Igualmente,
la señal desde el elemento transductor electroacústico (M2) es
amplificada en el amplificador (24) y filtrada en un filtro de paso
de banda (25) antes de ser alimentada a un detector (26) de la
intensidad de la señal. Las salidas desde los dos detectores (23),
(26) de la intensidad de la señal se comparan en la unidad de
comparación (27) de la intensidad de la señal, que proporciona
también como una salida una señal de diferencia que representa la
diferencia en la intensidad de la señal desde los dos elementos
transductores electroacústicos.
Esta salida de la señal de diferencia es entrada
para el bloque de decisión (28). La señal de diferencia tiene un
valor negativo en dB. Cuando la señal de diferencia es menos
negativa que un cierto límite, se toma la decisión de que el
usuario del equipo está hablando. Cuando la señal de diferencia es
más negativa que este límite, se considera que el usuario no está
hablando. La señal de diferencia está típicamente en el intervalo
de -20 a -40 dB. Típicamente, un valor adecuado del límite estará en
el intervalo de 2 a 10 dB menos negativo que un valor típico de la
señal de diferencia únicamente en el caso de ruido, para cualquier
aparato único.
El límite se almacena típicamente en los medios
de almacenamiento (E8), (E9), (E10) del aparato y puede ser un
valor predeterminado para cualquier aparato individual. El límite es
introducido como referencia de decisión para el bloque de decisión
(28), tal como se indica en la figura 3.
No obstante, el límite se puede generar durante
el uso del dispositivo para adaptarse a la lenta desviación en el
comportamiento del aparato. Se puede realizar un proceso adaptativo
en la unidad de procesamiento (E3) a fin de obtener este límite
adaptado. Este límite se podría generar también en un procedimiento
de calibración que se realizara a intervalos regulares.
De manera similar, el límite se puede generar
durante el uso del dispositivo para adaptarse a las diferencias
individuales entre usuarios del aparato.
En una alternativa, la entrada de señales de
referencia de decisión se puede obtener usando un seguidor de
mínimos (60), tal como se muestra en la figura 4. El seguidor de
mínimos toma una señal de entrada desde la salida del bloque de
comparación (27) de la intensidad de la señal.
\global\parskip1.000000\baselineskip
En la figura 6 se muestra una característica
posible de los filtros de paso de banda. El diagrama muestra la
respuesta de frecuencia con frecuencias de corte superior e inferior
de 150 Hz y 700 Hz, respectivamente, una pendiente de paso alto de
+18 dB/octava y una pendiente de paso bajo de -6 dB/octava. Esta
característica de frecuencia selecciona un intervalo de frecuencias
en el que la intensidad de la señal de la voz del usuario en el
espacio cerrado en la parte interior del meato auditivo es alta. Al
mismo tiempo suprime ruido de baja frecuencia que puede ser
dominante en entornos típicos (vehículos, fábricas, etc.).
En la figura 7 se ilustra una realización
preferente de la detección (23), (26) de la intensidad de la señal.
La señal filtrada de paso de banda desde cada uno de los filtros de
paso de banda (23), (25) es rectificada en una unidad rectificadora
(31) y hecha pasar a un filtro de paso bajo (32). Una constante
temporal adecuada del filtro de paso bajo es 10 ms. La señal de
salida del filtro de paso bajo (32) se proporciona a la entrada de
un convertidor logarítmico (33). El logaritmo de la señal desde
(32), en una versión digital de la invención, se calcula en el
bloque de comparación (27) y se proporciona a la salida del mismo.
En una versión analógica, el logaritmo de la señal desde (32) se
obtiene usando un convertidor logarítmico analógico (33). Las
salidas desde los convertidores logarítmicos (33) son alimentadas a
la unidad de comparación (27) de la intensidad de la señal.
En la unidad de comparación (27) de la
intensidad de la señal se puede realizar una sustracción momentánea
exponencial del valor logarítmico que es sacada del detector (23) de
la intensidad de la señal, a partir del valor logarítmico que se
saca del detector (26) de la intensidad de la señal.
Si se realiza dicha sustracción de señales
cuando no existe ninguna señal de voz producida por el usuario, el
resultado de la sustracción proporciona una medida de la atenuación
de la función de protección auditiva del aparato (1), (2) según la
invención.
Además, si se realiza dicha sustracción
momentánea antes del uso del aparato, es posible obtener un valor
de calibración, que es un valor de atenuación típico de la
atenuación de la función de protección auditiva del aparato (1),
(2) según la invención. Preferiblemente, dicho valor de calibración
estaría almacenado internamente en medios de almacenamiento (E8),
(E9), (E10) en el aparato. En algunas aplicaciones, se podría
realizar dicha calibración para un usuario previsto del
aparato.
Cuando dicha operación de calibración ha sido
realizada para un aparato y para un usuario particular, que es una
sustracción de señales posterior realizada cuando no existe ninguna
señal de voz producida por el usuario, el resultado de la
sustracción será una verificación del funcionamiento correcto
continuado de la función de atenuación sonora de la función de
protección auditiva del aparato (1), (2) según la invención. Se
verifica el funcionamiento correcto si el resultado de la
sustracción es aproximadamente igual al valor obtenido en la
operación de calibración.
Si se realiza una operación de calibración en un
entorno controlado con un generador de señales de ruido
controlables, es posible obtener una atenuación característica
calibrada dependiente de la frecuencia de la función de protección
auditiva del aparato (1), (2) según la invención.
El bloque de decisión (28) toma una decisión
basándose en el hecho de que la diferencia de intensidades de la
señal (calculada en 27) entre los elementos transductores
electroacústicos (M1) y (M2) únicamente debida a sonidos externos
es independiente del carácter sonoro y el nivel sonoro. Dicha
diferencia sólo depende de las propiedades de atenuación sonora del
protector auditivo. Estas propiedades son normalmente independientes
de la intensidad del sonido, pero dependen de la frecuencia del
sonido. En la figura 8 se muestra una característica típica de
atenuación sonora de un protector auditivo con una sección de
estanqueidad de espuma polímera y control sonoro activo
(ANR).
(ANR).
Cuando habla el usuario del protector auditivo,
que se encuentra en un entorno ruidoso, la señal de su voz produce
una señal intensa en el elemento transductor electroacústico (M2)
(especialmente en el intervalo de frecuencias de 100 Hz a 1 kHz) y
se disminuye la diferencia, tal como es medida por el bloque (27) en
la figura 3. Cuando se conoce la atenuación dependiente de la
frecuencia del protector auditivo, se consigue un funcionamiento
muy preciso del detector de voz comparado con un detector que esté
basado únicamente en un nivel de la señal. El detector puede actuar
sobre un límite que es únicamente unos pocos dB menor que la
atenuación del protector auditivo, sin correr el riesgo de falsa
detección debida a ruido externo.
La característica de atenuación del protector
auditivo se puede conocer a priori, o se puede estimar antes
del uso normal o durante el uso, tal como se ha explicado
anteriormente. Se puede realizar una estimación temporal
exponencial de la atenuación mediante la utilización de un seguidor
de mínimos (60) en la señal desde la unidad de comparación (27) de
la intensidad de la señal en la figura 3.
El resultado de la comparación (28) de la
intensidad de la señal será típicamente una señal constante o que
varía lentamente debido principalmente a las características del
protector auditivo (1), (2), con picos bastante cortos añadidos por
la señal de voz cuando el usuario habla. Los picos del habla tendrán
típicamente una duración de 10 a 30 milisegundos. El intervalo
entre los picos tendrá típicamente una duración de 10 a 500
milisegundos. El bloque de decisión (28) puede contener, en
consecuencia, dos etapas de procesamiento de señales, siendo la
primera etapa (40) una decisión momentánea que compara la señal
compuesta de entrada con una señal de referencia, y siendo la
segunda etapa (41) un temporizador que se puede reactivar con un
retardo fijo típicamente de 500 milisegundos. El fin del retardo
que se puede reactivar es puentear el intervalo entre los picos del
habla. La salida desde el retardo que se puede reactivar constituye
la señal final que significa la presencia de habla.
La figura 9 muestra el funcionamiento del
seguidor de mínimos (60). El seguidor de mínimos (60) proporciona a
la salida el valor mínimo de la señal de entrada como una función
del tiempo. Cuando la señal de entrada es mayor que la señal de
salida, el valor de salida aumenta lentamente hacia arriba hasta que
alcanza el valor de entrada.
El seguidor de mínimos (60) está implementado
preferiblemente como un filtro digital con una primera entrada (50)
a un bloque (52) de función mínima (min) que tiene una salida (51).
En un bucle de realimentación del bloque (52) de función min, un
bloque (54) de retardo de muestras proporciona un retardo (1/z) de
la muestra, un bloque de multiplicación (53) con un factor de
multiplicación (1+\delta) proporciona una función de
multiplicación, cuya salida proporciona una segunda entrada al
bloque (52) de función min. Una entrada (55) de valor mínimo
ajustada a un valor mínimo (\varepsilon) proporciona una tercera
entrada al bloque (52) de función min. El bloque (52) de función
min proporciona a la salida el valor más pequeño de sus tres
entradas, tal como se indica en la figura 9.
El valor mínimo (\varepsilon) proporcionado a
la entrada (55) de valor mínimo se usa para evitar que el seguidor
de mínimos (60) caiga hasta un valor de cero. Si el seguidor de
mínimos (60) introduce el valor nulo, no se recuperará respecto a
este valor. El valor inicial en el retardo debería ser por lo tanto
(\varepsilon). El intervalo de las constantes positivas
(\delta) y (\varepsilon) depende del formato de número (entero
o con coma flotante) y del número de bits en la implementación del
filtro digital.
Debido a la naturaleza silábica del habla, la
salida del seguidor de mínimos (60) representa una medida de la
atenuación acústica del protector auditivo. El límite en el bloque
de decisión (28) se puede ajustar entonces según la estimación
temporal exponencial de la atenuación acústica.
Parte de la unidad electrónica (11), (E3) y de
los medios de salida (13) puede estar contenida en una unidad que
está separada de dicho terminal (1), (2) para los oídos, pero
conectada al mismo. En algunas situaciones, se puede requerir la
utilización de unidades de procesamiento de señal situadas en una
unidad independiente, por ejemplo debido al espacio limitado en el
elemento terminal para los oídos, o debido a funciones de
procesamiento adicionales en unidades auxiliares de procesamiento
de señales. Los medios de salida pueden requerir, en algunas
aplicaciones, radiotransmisores con fuentes de alimentación de
salida no deseables cerca de la cabeza de los usuarios. En este
caso, parte de los medios de salida podría estar dispuesta a una
cierta distancia lejos de la cabeza, pero conectada mediante una
interfaz de comunicaciones adecuada.
La unidad de procesamiento (E3) puede comprender
medios de análisis de señales para detectar la presencia de
componentes del habla, tales como palabras, en la señal desde el
elemento transductor electroacústico interior (M2). Tras detectar
ciertos componentes en la señal, se pueden buscar órdenes,
instrucciones o código particulares desde los medios de
almacenamiento (E8), (E9), (E10) para transmisión al sistema
accionado por voz usando los medios de salida (13). Los medios de
análisis de señales pueden comprender también medios para determinar
la duración, contenido de frecuencia y amplitud de la señal desde
el elemento transductor electroacústico interior (M2). En
particular, los medios de análisis de señales comprenden medios para
separar la señal de voz de la señal total detectada por el elemento
transductor electroacústico interior. El análisis de señales se
realiza típicamente como módulos de software que llevan a cabo una
combinación de funciones de procesamiento de señales, tales como
filtrado digital.
Claims (29)
-
\global\parskip0.970000\baselineskip
1. Aparato para detección y discriminación de voz para controlar un sistema accionado por voz, que comprendeun elemento terminal (1, 2) de protección para los oídos a efectos de proteger el oído al proporcionar atenuación acústica,un elemento transductor electroacústico interior (M2) en un lado interior del elemento terminal (1, 2) para los oídos a efectos de detectar un primer campo acústico y proporcionar una primera señal electrónica que representa dicho primer campo acústico,un elemento transductor electroacústico exterior (M1) en un lado exterior del elemento terminal (1, 2) para los oídos a efectos de detectar un segundo campo acústico y proporcionar una segunda señal electrónica que representa dicho segundo campo acústico,una unidad electrónica (11, E3) conectada con dichos elementos transductores electroacústicos (M1, M2) y que comprende primeros medios de comparación (27) para comparar dichas primera y segunda señales electrónicas a efectos de obtener la diferencia entre dichas dos señales electrónicas, y segundos medios de comparación (28) para comparar dicha diferencia con unos criterios dados, y medios de salida (13, E12) conectados a dicha unidad electrónica para proporcionar una señal de salida dependiendo de dicha segunda comparación, siendo dicha señal de salida una señal de entrada al sistema (29) accionado por voz. - 2. Aparato, según la reivindicación 1, en el que la señal de salida comprende instrucciones, órdenes, código o similares para dicho sistema accionado por voz, tal como un sistema de comunicación.
- 3. Aparato, según la reivindicación 1, en el que los criterios se predeterminan y se almacenan en medios de almacenamiento (E8, E9, E10) del aparato.
- 4. Aparato, según la reivindicación 1, que comprende medios de procesamiento (E3) para adaptar los criterios durante el uso del aparato.
- 5. Aparato, según la reivindicación 1, en el que los criterios comprenden una diferencia predeterminada en la intensidad de la señal acústica tal como es detectada por los dos elementos transductores electroacústicos (M1, M2) en un entorno ruidoso, típicamente en el intervalo de -20 a -40 dB, y una disminución permisible predeterminada de dicha diferencia en la intensidad de la señal acústica, típicamente en el intervalo de 2 a 10 dB.
- 6. Aparato, según la reivindicación 1, que comprende un primer filtro electrónico (22) para filtrar la señal electrónica desde el elemento transductor electroacústico interior (M2).
- 7. Aparato, según la reivindicación 1, que comprende un segundo filtro electrónico (25) para filtrar la señal electrónica desde el elemento transductor electroacústico exterior (M1).
- 8. Aparato, según la reivindicación 6 ó 7, que comprende filtros de paso de banda electrónicos (22, 25), típicamente con una banda de paso en el intervalo de 150 a 700 Hz.
- 9. Aparato, según la reivindicación 8, que comprende un detector (23, 26) de la intensidad de la señal conectado con dichos filtros de paso de banda (22, 25) a efectos de proporcionar entradas para un bloque de comparación (27) de la intensidad de la señal.
- 10. Aparato, según la reivindicación 9, que comprende un bloque de decisión (28) conectado con dicho bloque de comparación (27) de la intensidad de la señal para proporcionar dicha señal de salida a dicho sistema (29) accionado por voz.
- 11. Aparato, según la reivindicación 1,en el que al menos una parte de la unidad electrónica (11, E3) y de los medios de salida (13) está contenida en una unidad que está separada de dicho terminal (1, 2) para los oídos, pero conectada al mismo.
- 12. Aparato, según la reivindicación 1,en el que dicho elemento terminal (1, 2) para los oídos comprende una sección de tapón (1) para los oídos y una sección de cierre (2) que forman un protector auditivo (1, 2) para colocación en un oído y para protección de la función auditiva.
- 13. Aparato, según la reivindicación 1,en el que los medios de comparación (27) de la intensidad de la señal comprenden medios para estimar la atenuación acústica del elemento terminal (1, 2) para los oídos a efectos de establecer dicha diferencia predeterminada.
\global\parskip1.000000\baselineskip
\global\parskip0.920000\baselineskip
- 14. Aparato, según la reivindicación 13, que comprende un seguidor de mínimos (60) conectado con los detectores (23, 26) para obtener estimaciones temporales exponenciales de dicha atenuación acústica.
- 15. Aparato, según la reivindicación 1,en el que la unidad electrónica (11, E3) comprende medios (E3) de análisis de señales para extraer una señal de voz del elemento transductor electroacústico interior (M2), para transmisión al sistema accionado por voz.
- 16. Aparato, según la reivindicación 15,que comprende medios (E3) de análisis de señales para detectar la presencia de componentes específicos del habla, tales como palabras, en la señal desde el elemento transductor electroacústico interior (M2), a efectos de formar órdenes, instrucciones o código para el sistema (29) accionado por voz.
- 17. Aparato, según la reivindicación 1,en el que el elemento o elementos transductores electroacústicos (M1, M2) es o son micrófonos.
- 18. Método para detectar una voz y para controlar un sistema accionado por voz, que utiliza un elemento terminal (1, 2) para los oídos a efectos de proteger el oído al proporcionar atenuación acústica y que comprende las siguientes etapas;detectar (M2) la intensidad de la señal acústica en el lado interior de dicho elemento terminal para los oídos,detectar (M1) la intensidad de la señal acústica en el lado exterior de dicho elemento terminal para los oídos,obtener (23, 26, 27) un valor de diferencias que representa la diferencia en la intensidad de la señal acústica entre el lado interior y exterior de dicho elemento terminal para los oídos,decidir (28) si está presente una voz usando dicho valor que representa dicha diferencia y dichos criterios dados (28),proporcionar una señal de salida, dependiendo de dicha decisión, usando medios de salida (13, E12), siendo la señal de salida una entrada al sistema (29) accionado por voz.
- 19. Método, según la reivindicación 18, que comprendeproporcionar una señal de salida (13) en forma de una señal de control, órdenes, instrucciones, código o similares para dicho sistema (29) accionado por voz, tal como un sistema de comunicación.
- 20. Método, según la reivindicación 18, que comprendeescribir y leer criterios predeterminados hasta medios de almacenamiento (E8, E9, E10) y desde los mismos en el elemento terminal (1, 2) para los oídos.
- 21. Método, según la reivindicación 18, que comprendedeterminar si dicha diferencia en la intensidad (27) de la señal acústica entre el lado interior y exterior de dicho elemento terminal (1, 2) para los oídos ha disminuido más de una cantidad dada, típicamente de 2 a 10 dB, desde una cantidad predeterminada, típicamente de -20 a -40 dB.
- 22. Método, según la reivindicación 18, que comprendefiltrar (22, 25) las señales desde los dos elementos transductores electroacústicos (M2, M1) usando filtros de paso de banda (22, 25).
- 23. Método, según la reivindicación 18, que comprende;analizar (E3) la señal de voz para determinar sus características, tales como duración, frecuencia y amplitud,proporcionar dicha señal de salida (13) dependiendo de dichas características de voz determinadas.
- 24. Método, según la reivindicación 23, que comprende;obtener un valor que representa el promedio temporal exponencial de la diferencia en el nivel de la señal acústica entre el lado interior y exterior del elemento terminal (1, 2) para los oídos.
- 25. Método, según la reivindicación 18, que comprendeajustar dichos criterios según el promedio temporal exponencial de dicha diferencia.
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- 26. Método, según la reivindicación 18, que comprendeextraer información de las señales acústicas que son detectadas por los elementos transductores electroacústicos (M1, M2).
- 27. Método, según la reivindicación 26, que comprendeanalizar la señal desde los elementos transductores electroacústicos (M1, M2) para la presencia de componentes del habla particulares, tales como palabras.
- 28. Método, según la reivindicación 18, que comprendeantes del uso normal, realizar una operación de calibración en la que se obtenga una estimación de la atenuación del protector auditivo al determinar la diferencia en los niveles sonoros, tal como es detectada por los dos elementos transductores electroacústicos en un período en el que no está presente voz, sino sólo ruido.
- 29. Método, según la reivindicación 18, que comprendedurante el funcionamiento normal, realizar una operación de verificación en la que se obtenga una estimación de la atenuación del protector auditivo al determinar la diferencia en los niveles sonoros tal como es detectada por los dos elementos transductores electroacústicos en un período en el que no está presente voz, sino sólo ruido, y en el que la atenuación obtenida se compare con un valor de atenuación almacenado predeterminado.
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