智能聽(tīng)力保護(hù)系統(tǒng)

作品介紹

聽(tīng)力損傷問(wèn)題在人們的日常生活中十分普遍，已引起人們的廣泛關(guān)注。中國(guó)軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院的實(shí)驗(yàn)人員曾對(duì)369名炮兵戰(zhàn)士的聽(tīng)力情況作了為期三年的追蹤調(diào)查，詳盡的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：日常訓(xùn)練、演習(xí)及實(shí)戰(zhàn)中炮兵火炮射擊時(shí)的脈沖噪聲峰值聲壓級(jí)高達(dá)160~190dB，可造成聽(tīng)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(zhǎng)期遭受著火炮噪聲的嚴(yán)重傷害，即使在和平時(shí)期，炮兵部隊(duì)評(píng)殘率在所有兵種中也居于前列。

不僅是炮兵部隊(duì)，金屬冶煉、鐵路及機(jī)場(chǎng)、管道作業(yè)、發(fā)電廠等等部門(mén)的職工都面臨著不同來(lái)源噪聲對(duì)聽(tīng)力的傷害。突發(fā)性的巨大脈沖噪聲和長(zhǎng)時(shí)間暴露在高分貝噪聲環(huán)境下，是造成聽(tīng)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(hù)措施就參加訓(xùn)練或?qū)嵤┳鳂I(yè)，亡羊卻不補(bǔ)牢，往往導(dǎo)致聽(tīng)力問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。

另外，除后天的聽(tīng)力損傷之外，先天失聰、老年性失聰、病理性聽(tīng)力疾病也十分常見(jiàn)。根據(jù)WHO在2006年公布轍全球失聰和聽(tīng)力損傷事實(shí)檔案》，全球約每22個(gè)人中就有1人因失聰和聽(tīng)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(tīng)器通過(guò)電子放大裝置使患者獲得一定程度的聽(tīng)力補(bǔ)償，然而，傳統(tǒng)助聽(tīng)器的單一放大功能十分局限，佩戴過(guò)程中如果遭遇突然的高分貝噪聲，聽(tīng)障患者不僅會(huì)受到驚嚇,甚至有可能遭到進(jìn)一步聽(tīng)力損傷。

經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上并沒(méi)有針對(duì)高分貝噪聲的聽(tīng)力保護(hù)裝置，而國(guó)外具備類(lèi)似功能的產(chǎn)品價(jià)格高達(dá)499美元,其實(shí)現(xiàn)的功能本質(zhì)上與我們研制的作品無(wú)異，但昂貴的價(jià)格使普通收入的人群通常無(wú)法負(fù)擔(dān)，大規(guī)模裝配部隊(duì)和工人更是無(wú)從談起。

基于上述情況，本作品研究并實(shí)現(xiàn)了一款能夠自主過(guò)濾炮聲、飛機(jī)轟鳴和汽車(chē)?guó)Q笛等高分貝噪聲，又能放大微弱語(yǔ)音信號(hào)的智能聽(tīng)力保護(hù)系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)合了助聽(tīng)和噪聲過(guò)濾兩大功能，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)助聽(tīng)器功能單一的弊端，同時(shí)能夠幫助更多面臨噪聲環(huán)境的人群免受聽(tīng)力損傷的危害。

本作品在設(shè)計(jì)思路上著重突出“聽(tīng)力保護(hù)”的功能，將超過(guò)設(shè)定閾值強(qiáng)度（該值可調(diào)）的噪聲一律衰減，以達(dá)到保護(hù)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(qiáng)度脈沖噪聲的同時(shí)，保證正常語(yǔ)音信號(hào)幾乎無(wú)損的傳輸。通過(guò)合理設(shè)計(jì)延時(shí)開(kāi)關(guān)電路，有效抑制傳感器工作狀態(tài)突變產(chǎn)生的噪聲，并采用AGC自動(dòng)增益控制技術(shù)放大語(yǔ)音信號(hào)，在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低噪聲助聽(tīng)放大功能。圖1所示是本智能聽(tīng)力保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)物圖。

圖1  智能聽(tīng)力保護(hù)系統(tǒng)實(shí)物圖

在功能實(shí)現(xiàn)上，本作品主要解決了三大問(wèn)題：

合理放大處理語(yǔ)音信號(hào)，保證信號(hào)在較寬的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出能夠維持在一定范圍內(nèi)，即保證放大器對(duì)弱信號(hào)有足夠的增益，同時(shí)對(duì)強(qiáng)信號(hào)不堵塞飽和；

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

系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)小型化，性能穩(wěn)定且成本低廉，相較于傳統(tǒng)的助聽(tīng)器，性?xún)r(jià)比高，推向市場(chǎng)后能以其完善可靠的功能為聽(tīng)力障礙人士和聽(tīng)力受到高強(qiáng)度脈沖噪聲威脅的人群帶去實(shí)質(zhì)性的幫助。

本智能聽(tīng)力保護(hù)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(duì)的訓(xùn)練使用，可用于金屬冶煉、管道作業(yè)、機(jī)場(chǎng)、鐵路、發(fā)電廠等存在高強(qiáng)度噪聲的場(chǎng)合，為暴露在噪聲環(huán)境下生活、工作的人群提供有效的聽(tīng)力保護(hù)；同時(shí)也可用于廣大聽(tīng)力障礙人士，以保證其正常助聽(tīng)過(guò)程中免受突發(fā)大響度聲音的驚嚇。

技術(shù)原理

本作品研究實(shí)現(xiàn)的智能聽(tīng)力保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)μ幱诟叻重愒肼暛h(huán)境中的人耳實(shí)施一定程度的保護(hù)，此舉明顯突破了當(dāng)前助聽(tīng)產(chǎn)品以及一般聽(tīng)力保護(hù)產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。作品不僅對(duì)微弱聲音信號(hào)實(shí)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(jié)合助聽(tīng)與保護(hù)兩大功能于一身，使得作品功能更加人性化，這也是“助聽(tīng)”和“聽(tīng)力保護(hù)”等相關(guān)領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。

在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，系統(tǒng)采用雙聲音傳感器，一路傳感器A用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作環(huán)境中的聲音強(qiáng)度，另一路傳感器B用來(lái)實(shí)時(shí)采集并處理放大外界音頻信號(hào)，且其工作狀態(tài)受控于監(jiān)測(cè)傳感器A。A、B兩路傳感器協(xié)調(diào)工作，性能穩(wěn)定，能夠保證正常的語(yǔ)音信號(hào)不失真，且受控的音頻信號(hào)范圍可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)所采集到的環(huán)境聲音強(qiáng)度高于所設(shè)閾值時(shí)，A路傳感器將給出相應(yīng)的控制信號(hào),切斷助聽(tīng)開(kāi)關(guān)。圖2所示是聲音傳感器產(chǎn)生控制信號(hào)的原理圖。

圖2  聲音傳感器產(chǎn)生控制信號(hào)原理圖

其次，系統(tǒng)采用AGC自動(dòng)增益控制技術(shù)放大處理聲音信號(hào)，即使輸入聲音信號(hào)在較大范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，其輸出仍能維持在一定范圍內(nèi)，既保證放大器對(duì)弱信號(hào)有足夠的增益，又不至于因信號(hào)過(guò)強(qiáng)而堵塞飽和。因此，系統(tǒng)在實(shí)際噪聲環(huán)境中工作時(shí)，可在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)合理放大語(yǔ)音信號(hào)，同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的助聽(tīng)放大功能。

目前，根據(jù)ISO所制定的聽(tīng)力保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定每周40小時(shí),每年50周，連續(xù)噪聲容許的最高限為L(zhǎng)A=90dB。考慮系統(tǒng)默認(rèn)對(duì)正常語(yǔ)音信號(hào)的增益約為20dB，放大后人耳接收到的強(qiáng)度不應(yīng)超過(guò)90dB；為達(dá)到良好的聽(tīng)力保護(hù)效果，當(dāng)系統(tǒng)所在工作環(huán)境中聲音強(qiáng)度大于設(shè)定的閾值時(shí)，聲音傳感器A將自動(dòng)切斷助聽(tīng)放大功能。

為了實(shí)現(xiàn)有效穩(wěn)定的保護(hù)措施，本作品設(shè)計(jì)了合理有效的延時(shí)觸發(fā)電路，統(tǒng)籌安排兩路聲音傳感器的工作時(shí)序，有效抑制因傳感器工作狀態(tài)突然跳變所產(chǎn)生的噪聲。系統(tǒng)采用兩個(gè)NE555調(diào)節(jié)延時(shí)來(lái)保證聲音信號(hào)開(kāi)關(guān)的穩(wěn)定性。當(dāng)555被觸發(fā)時(shí)，其兩路輸出通過(guò)邏輯電路變換后輸出控制電平，并通過(guò)三極管放大后驅(qū)動(dòng)光耦開(kāi)關(guān)，進(jìn)而控制實(shí)現(xiàn)助聽(tīng)放大功能的聲音傳感器的開(kāi)關(guān)。圖3所示為延時(shí)電路的原理圖，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)確定聲音傳感器的延時(shí)觸發(fā)參數(shù)。

圖3  延時(shí)電路原理圖

為控制整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量，并保證其能夠較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠的工作，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了電源供電電路。系統(tǒng)采用了一節(jié)5號(hào)電池供電，經(jīng)電源電路轉(zhuǎn)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(chǎng)上常見(jiàn)的聽(tīng)力保護(hù)隔音耳塞和國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品,本系統(tǒng)在耳罩前端置入隔音材料，能夠在助聽(tīng)功能關(guān)閉時(shí)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(diǎn)

本作品不僅可以適度放大微弱的聲音信號(hào)，而且能自主屏蔽有損聽(tīng)力的大響度聲音，保證聽(tīng)力障礙人士在享受智能聽(tīng)力保護(hù)系統(tǒng)帶來(lái)的益處的同時(shí)，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(shí)保證正常語(yǔ)音信號(hào)幾乎無(wú)損的傳輸；采用AGC自動(dòng)增益控制技術(shù)放大語(yǔ)音信號(hào)，在較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低噪聲助聽(tīng)放大功能。

通過(guò)設(shè)計(jì)合適的延時(shí)電路統(tǒng)籌安排兩路聲音傳感器的工作時(shí)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(chǎn)生的噪聲。

應(yīng)用前景和市場(chǎng)

本作品具備聲音放大功能，適合為聽(tīng)障人士提供一定程度的聽(tīng)力補(bǔ)償，使患者回歸有聲世界;并且對(duì)聲音實(shí)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(tīng)力障礙患者、炮兵部隊(duì)、鐵路及機(jī)場(chǎng)作業(yè)、管道作業(yè)及發(fā)電廠等，其所具備的功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)助聽(tīng)器功能單一的彌補(bǔ)。倘若能裝配到部隊(duì)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)，相信能實(shí)現(xiàn)聽(tīng)力保護(hù)從無(wú)到有的突破。

目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的助聽(tīng)器價(jià)格從300?1200元不等,國(guó)外產(chǎn)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(wú)論日常環(huán)境、戰(zhàn)備訓(xùn)練，甚至演習(xí)實(shí)戰(zhàn)都能工作良好，相信如果裝配部隊(duì)或投放民用市場(chǎng)，都能收到良好的反饋和效益。

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