智能聽力保護系統(tǒng)

作品介紹

聽力損傷問題在人們的日常生活中十分普遍，已引起人們的廣泛關注。中國軍事醫(yī)學科學院的實驗人員曾對369名炮兵戰(zhàn)士的聽力情況作了為期三年的追蹤調查，詳盡的實驗數據表明：日常訓練、演習及實戰(zhàn)中炮兵火炮射擊時的脈沖噪聲峰值聲壓級高達160~190dB，可造成聽力下降、鼓膜破裂等急性損傷。炮兵作為現(xiàn)代陸軍的重要組成部分和主要火力突擊力量，長期遭受著火炮噪聲的嚴重傷害，即使在和平時期，炮兵部隊評殘率在所有兵種中也居于前列。

不僅是炮兵部隊，金屬冶煉、鐵路及機場、管道作業(yè)、發(fā)電廠等等部門的職工都面臨著不同來源噪聲對聽力的傷害。突發(fā)性的巨大脈沖噪聲和長時間暴露在高分貝噪聲環(huán)境下，是造成聽力損傷的根本原因。而這些飽受噪聲困擾的人群卻普遍不佩戴任何保護措施就參加訓練或實施作業(yè)，亡羊卻不補牢，往往導致聽力問題愈發(fā)嚴重。

另外，除后天的聽力損傷之外，先天失聰、老年性失聰、病理性聽力疾病也十分常見。根據WHO在2006年公布轍全球失聰和聽力損傷事實檔案》，全球約每22個人中就有1人因失聰和聽力損傷影響正常生活、交流和工作。目前，市面上所出現(xiàn)的助聽器通過電子放大裝置使患者獲得一定程度的聽力補償，然而，傳統(tǒng)助聽器的單一放大功能十分局限，佩戴過程中如果遭遇突然的高分貝噪聲，聽障患者不僅會受到驚嚇,甚至有可能遭到進一步聽力損傷。

經過調查發(fā)現(xiàn)，目前國內市場上并沒有針對高分貝噪聲的聽力保護裝置，而國外具備類似功能的產品價格高達499美元,其實現(xiàn)的功能本質上與我們研制的作品無異，但昂貴的價格使普通收入的人群通常無法負擔，大規(guī)模裝配部隊和工人更是無從談起。

基于上述情況，本作品研究并實現(xiàn)了一款能夠自主過濾炮聲、飛機轟鳴和汽車鳴笛等高分貝噪聲，又能放大微弱語音信號的智能聽力保護系統(tǒng)。本系統(tǒng)結合了助聽和噪聲過濾兩大功能，有效彌補了傳統(tǒng)助聽器功能單一的弊端，同時能夠幫助更多面臨噪聲環(huán)境的人群免受聽力損傷的危害。

本作品在設計思路上著重突出“聽力保護”的功能，將超過設定閾值強度（該值可調）的噪聲一律衰減，以達到保護目的。系統(tǒng)采用雙聲音傳感器配合工作的模式，在有效濾除炮聲等高強度脈沖噪聲的同時，保證正常語音信號幾乎無損的傳輸。通過合理設計延時開關電路，有效抑制傳感器工作狀態(tài)突變產生的噪聲，并采用AGC自動增益控制技術放大語音信號，在較大的動態(tài)范圍內實現(xiàn)低噪聲助聽放大功能。圖1所示是本智能聽力保護系統(tǒng)的實物圖。

圖1  智能聽力保護系統(tǒng)實物圖

在功能實現(xiàn)上，本作品主要解決了三大問題：

合理放大處理語音信號，保證信號在較寬的動態(tài)范圍內變化時，輸出能夠維持在一定范圍內，即保證放大器對弱信號有足夠的增益，同時對強信號不堵塞飽和；

準確判斷并合理屏蔽外界環(huán)境中的高強度噪聲，能夠有效減弱大響度噪聲對人耳造成的聽力損傷，起到一定的保護作用；

系統(tǒng)成功實現(xiàn)小型化，性能穩(wěn)定且成本低廉，相較于傳統(tǒng)的助聽器，性價比高，推向市場后能以其完善可靠的功能為聽力障礙人士和聽力受到高強度脈沖噪聲威脅的人群帶去實質性的幫助。

本智能聽力保護系統(tǒng)體積輕巧，成本低廉，性能穩(wěn)定，特別適合于炮兵部隊的訓練使用，可用于金屬冶煉、管道作業(yè)、機場、鐵路、發(fā)電廠等存在高強度噪聲的場合，為暴露在噪聲環(huán)境下生活、工作的人群提供有效的聽力保護；同時也可用于廣大聽力障礙人士，以保證其正常助聽過程中免受突發(fā)大響度聲音的驚嚇。

技術原理

本作品研究實現(xiàn)的智能聽力保護系統(tǒng)能夠對處于高分貝噪聲環(huán)境中的人耳實施一定程度的保護，此舉明顯突破了當前助聽產品以及一般聽力保護產品的傳統(tǒng)設計思路。作品不僅對微弱聲音信號實施了合理的放大措施，而且能智能地“控制”聲音，屏蔽有害噪音。結合助聽與保護兩大功能于一身，使得作品功能更加人性化，這也是“助聽”和“聽力保護”等相關領域重要的發(fā)展方向。

在具體實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)采用雙聲音傳感器，一路傳感器A用來實時監(jiān)測工作環(huán)境中的聲音強度，另一路傳感器B用來實時采集并處理放大外界音頻信號，且其工作狀態(tài)受控于監(jiān)測傳感器A。A、B兩路傳感器協(xié)調工作，性能穩(wěn)定，能夠保證正常的語音信號不失真，且受控的音頻信號范圍可根據不同應用場合的需求進行適當調節(jié)。當系統(tǒng)所采集到的環(huán)境聲音強度高于所設閾值時，A路傳感器將給出相應的控制信號,切斷助聽開關。圖2所示是聲音傳感器產生控制信號的原理圖。

圖2  聲音傳感器產生控制信號原理圖

其次，系統(tǒng)采用AGC自動增益控制技術放大處理聲音信號，即使輸入聲音信號在較大范圍內動態(tài)變化，其輸出仍能維持在一定范圍內，既保證放大器對弱信號有足夠的增益，又不至于因信號過強而堵塞飽和。因此，系統(tǒng)在實際噪聲環(huán)境中工作時，可在較大的動態(tài)范圍內合理放大語音信號，同時有效實現(xiàn)穩(wěn)定的助聽放大功能。

目前，根據ISO所制定的聽力保護標準，規(guī)定每周40小時,每年50周，連續(xù)噪聲容許的最高限為LA=90dB?？紤]系統(tǒng)默認對正常語音信號的增益約為20dB，放大后人耳接收到的強度不應超過90dB；為達到良好的聽力保護效果，當系統(tǒng)所在工作環(huán)境中聲音強度大于設定的閾值時，聲音傳感器A將自動切斷助聽放大功能。

為了實現(xiàn)有效穩(wěn)定的保護措施，本作品設計了合理有效的延時觸發(fā)電路，統(tǒng)籌安排兩路聲音傳感器的工作時序，有效抑制因傳感器工作狀態(tài)突然跳變所產生的噪聲。系統(tǒng)采用兩個NE555調節(jié)延時來保證聲音信號開關的穩(wěn)定性。當555被觸發(fā)時，其兩路輸出通過邏輯電路變換后輸出控制電平，并通過三極管放大后驅動光耦開關，進而控制實現(xiàn)助聽放大功能的聲音傳感器的開關。圖3所示為延時電路的原理圖，通過實驗測試來確定聲音傳感器的延時觸發(fā)參數。

圖3  延時電路原理圖

為控制整個系統(tǒng)的體積和重量，并保證其能夠較長時間穩(wěn)定可靠的工作，專門設計了電源供電電路。系統(tǒng)采用了一節(jié)5號電池供電，經電源電路轉換后可輸出穩(wěn)定的3.3V電壓。圖4為電源電路的原理圖。

圖4  電源電路原理圖

借鑒市場上常見的聽力保護隔音耳塞和國外相關產品,本系統(tǒng)在耳罩前端置入隔音材料，能夠在助聽功能關閉時減輕約30dB的聲音，這樣既起到良好的消音作用，又不至于完全阻斷聲音而影響正常交流。

創(chuàng)新點

本作品不僅可以適度放大微弱的聲音信號，而且能自主屏蔽有損聽力的大響度聲音，保證聽力障礙人士在享受智能聽力保護系統(tǒng)帶來的益處的同時，避免受到突發(fā)大響度聲音的驚嚇和傷害。

本作品采用雙聲音傳感器配合工作的模式，可有效去除炮聲等大響度聲音的不利影響，同時保證正常語音信號幾乎無損的傳輸；采用AGC自動增益控制技術放大語音信號，在較大的動態(tài)范圍內實現(xiàn)低噪聲助聽放大功能。

通過設計合適的延時電路統(tǒng)籌安排兩路聲音傳感器的工作時序，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作，有效抑制傳感器工作狀態(tài)突變產生的噪聲。

應用前景和市場

本作品具備聲音放大功能，適合為聽障人士提供一定程度的聽力補償，使患者回歸有聲世界;并且對聲音實現(xiàn)智能“控制”，能夠屏蔽有害噪聲，功能更加人性化。

本系統(tǒng)尤其適合聽力障礙患者、炮兵部隊、鐵路及機場作業(yè)、管道作業(yè)及發(fā)電廠等，其所具備的功能可實現(xiàn)對傳統(tǒng)助聽器功能單一的彌補。倘若能裝配到部隊和相關產業(yè)，相信能實現(xiàn)聽力保護從無到有的突破。

目前，市場上常見的助聽器價格從300?1200元不等,國外產品更加昂貴，而本作品成本僅為200元左右，且體積輕巧，便于攜帶和日常使用，穩(wěn)定性好，靈敏度高，無論日常環(huán)境、戰(zhàn)備訓練，甚至演習實戰(zhàn)都能工作良好，相信如果裝配部隊或投放民用市場，都能收到良好的反饋和效益。

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