王 鵬，裴東興，張 波，王亞軍

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

隨著社會(huì)的老齡化以及人們對耳聾問題的日益關(guān)注，助聽器的發(fā)展逐漸受到人們的重視。隨著數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，助聽器的補(bǔ)償性能和可控性均有大幅提高，其中數(shù)字式助聽器以其低噪聲、低失真、節(jié)能、小型化、可調(diào)性強(qiáng)等特點(diǎn)成為聽力損失患者的福音［1］。

依據(jù)患者的響度補(bǔ)償曲線進(jìn)行聽力補(bǔ)償，這是數(shù)字式助聽器設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。合理的聽力響度補(bǔ)償方法必須依照人耳的聽覺特性，涉及到聲學(xué)、語音學(xué)和聽力學(xué)，并且與頻率、聲強(qiáng)等諸多因素相關(guān)。而通常這些要素之間的關(guān)系是非線性的［2］。聽力補(bǔ)償模型的復(fù)雜性決定了響度補(bǔ)償方法的復(fù)雜性。另一方面，就像每個(gè)近視患者的視力下降不一樣，每個(gè)耳聾患者的聽力損失也各不相同。本文立足于針對不同患耳的聽覺特性制定不同的補(bǔ)償方案和補(bǔ)償參數(shù)，提出基于人耳聽覺特性的動(dòng)態(tài)響度補(bǔ)償策略，依托現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理核心的快速實(shí)時(shí)仿真能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對每個(gè)患者聽力均可得到最優(yōu)補(bǔ)償。目前此個(gè)性化補(bǔ)償策略在基于DSP的數(shù)字式助聽器中得到較好的應(yīng)用。

1 響度補(bǔ)償曲線

人耳聽覺是基于對聲音頻率的敏感。聽力損傷患者在聽力損失上表現(xiàn)為響度損失，并可轉(zhuǎn)換為聲強(qiáng)損失［3］，而聲強(qiáng)補(bǔ)償是一個(gè)非線性的補(bǔ)償過程，而且與頻率成非線性，所以動(dòng)態(tài)的響度補(bǔ)償策略必然是隨著頻率，根據(jù)輸入語音聲強(qiáng)，來調(diào)整助聽器響度補(bǔ)償增益。該補(bǔ)償增益因決定于頻率和聲強(qiáng)的非線性關(guān)系，也稱為響度補(bǔ)償曲線。基于DSP的數(shù)字式助聽器聽力補(bǔ)償?shù)脑硎且罁?jù)患者聽力的響度補(bǔ)償曲線，進(jìn)行聲學(xué)上的科學(xué)補(bǔ)償。

2 響度補(bǔ)償策略

如何精確計(jì)算出患者聽力的響度補(bǔ)償曲線，是數(shù)字式助聽器響度補(bǔ)償模塊面臨的首要問題。響度補(bǔ)償因?yàn)橐李l率對聲音進(jìn)行壓縮放大，將正常人能聽到的聲音壓縮放大到患者的聽力動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，所以合理地響度補(bǔ)償就是要制定一條科學(xué)的策略，即通過患者的聽力動(dòng)態(tài)范圍來界定患者合適的聲強(qiáng)大小，不但使患者能在自身的聽力動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)聽清語音，還保證了聲音的清晰度和聽覺的舒適度。該策略也可稱之為動(dòng)態(tài)壓縮補(bǔ)償法。

動(dòng)態(tài)范圍指的是患者的聽力范圍，即從純音聽閾到不舒適閾。動(dòng)態(tài)范圍因人而異，即使兩個(gè)聽力圖相同的患者，其對響聲的敏感程度不同，而相應(yīng)的響度補(bǔ)償函數(shù)也不相同［4］。對于重的患者，其動(dòng)態(tài)范圍比正常人要窄。動(dòng)態(tài)壓縮補(bǔ)償策略能有效地解決此問題。

動(dòng)態(tài)壓縮補(bǔ)償區(qū)別于線性放大補(bǔ)償，線性放大輸入輸出關(guān)系呈線性，若響度本身較大，再經(jīng)過線性放大，則患耳會(huì)因響度過大而出現(xiàn)轟鳴感［5］。動(dòng)態(tài)壓縮補(bǔ)償為非線性放大，這便要求對小聲給予足夠的放大，對于大聲放大量要減小，這才能使輸入信號(hào)較寬的動(dòng)態(tài)范圍壓縮到輸出信號(hào)較窄的范圍之中，使患者能對聲音有舒適感，即為“動(dòng)態(tài)壓縮"真正內(nèi)涵。

與正常的聽力水平相比較，聽障患者的聽力損傷主要體現(xiàn)在對聲音感受的范圍大幅降低，圖1所示為聽力正常人和聽障患者的聽力指標(biāo)比較圖，THR為聽閾，MCL表示最適級(jí)，UCL為不適域。聽障患者感受聲音動(dòng)態(tài)范圍縮小，最直接的體現(xiàn)是在頻率范圍內(nèi)，正常人可以聽到較高和較低的聲音，而聽障患者則無法聽到。然而這部分在頻率范圍內(nèi)的聽力缺失對語音的語義理解產(chǎn)生明顯的影響，因此，依頻率對聲音進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮放大是解決聽力障礙的有效手段。

圖1 臨床檢測的正常聽力和聽障患者的聽力指標(biāo)比較圖

動(dòng)態(tài)壓縮輸入輸出曲線如圖2所示，圖中橫軸以前綴n表示輸入聲壓級(jí)(比對的是正常聽力響度水平)，縱軸以前綴u表示輸出聲壓級(jí)(比對的是患耳的響度水平)，THR表示聽閾，MCL表示最適級(jí)，UCL表示不適閾，正常人耳的動(dòng)態(tài)范圍DRn完全被映射在患者的動(dòng)態(tài)范圍DRu，兩者并不是滿足線性對應(yīng)的關(guān)系，為保證聲強(qiáng)能夠映射到患者的最適級(jí)，I/O曲線上就增加了一個(gè)拐點(diǎn)。拐點(diǎn)將I/O曲線分成兩段，拐點(diǎn)下段的壓縮增益比為CRa，拐點(diǎn)以上曲線b段的壓縮增益比為CRb，可得下式

圖2 動(dòng)態(tài)壓縮補(bǔ)償策略的輸入輸出曲線

通過式(1)和式(2)對照圖2所示，即可計(jì)算出助聽器臨床驗(yàn)配所須的特征頻率點(diǎn)250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz上的增益，再以此特征頻率點(diǎn)上的增益插值計(jì)算出整個(gè)頻域內(nèi)壓縮增益序列，即響度補(bǔ)償曲線。

實(shí)際應(yīng)用中，視助聽器輸入語音的響度等級(jí)高低變化，壓縮補(bǔ)償算法所采用式(1)和式(2)求得的響度補(bǔ)償曲線也程動(dòng)態(tài)變化。實(shí)時(shí)采集的每一幀語音信號(hào)數(shù)字序列乘以該幀信號(hào)的動(dòng)態(tài)響度補(bǔ)償增益序列，即實(shí)現(xiàn)對語音的個(gè)性化響度補(bǔ)償。

3 仿真計(jì)算

對動(dòng)態(tài)壓縮補(bǔ)償算法的Matlab仿真流程如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)壓縮補(bǔ)償算法的Matlab仿真流程圖

如圖4所示，原始仿真運(yùn)算語音序列經(jīng)Hamming窗截取之后的一幀信號(hào)，經(jīng)過頻率域內(nèi)動(dòng)態(tài)壓縮響度補(bǔ)償，最終還原成時(shí)域語音幀信號(hào)的完整過程。

仿真結(jié)果顯示:對于“低頻段”語音，增益序列顯示動(dòng)態(tài)補(bǔ)償量遠(yuǎn)小于“高頻段”語音，且即使對于“高頻段”語音，經(jīng)過動(dòng)態(tài)壓縮響度補(bǔ)償后的語音信號(hào)仍未超過患耳聽力的不舒適閾;“頻域補(bǔ)償后經(jīng)IFFT反變換還原的演示幀幀信號(hào)語音”較之原始“演示幀加窗后的語音信號(hào)”在幅度上體現(xiàn)為響度補(bǔ)償效果，“更多的毛刺”體現(xiàn)了對語音高頻段補(bǔ)償增益明顯實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用動(dòng)態(tài)壓縮響度補(bǔ)償策略對語音信號(hào)處理時(shí)“低頻域中具有聆聽舒適感、聽力缺失嚴(yán)重的高頻域下無不適感”的算法核心。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)現(xiàn)代數(shù)字式助聽器響度補(bǔ)償技術(shù)的特殊要求，針對人耳的聽覺特性中語音頻率、聲強(qiáng)級(jí)等諸多因素的相關(guān)規(guī)律，研究總結(jié)了基于頻率、聲強(qiáng)級(jí)的多種響度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方法，并重點(diǎn)提出了動(dòng)態(tài)壓縮響度補(bǔ)償策略。通過Matlab仿真結(jié)果顯示，該響度補(bǔ)償策略可使聽障患者取得最滿意的驗(yàn)配效果。經(jīng)過多次仿真驗(yàn)證，該算法具有較強(qiáng)的存活性和可靠性，能滿足對不同患耳的個(gè)性化響度補(bǔ)償效果，是新概念數(shù)字式助聽器的關(guān)鍵技術(shù)，對于全數(shù)字式助聽器響度補(bǔ)償模組的研制具有指導(dǎo)意義。

［1］ 肖憲波.數(shù)字助聽器中若干主要算法的發(fā)展和現(xiàn)狀［J］.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2004，21(4):694－698.

［2］ 馬曉紅.基于DSP的助聽器語音處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技廣場，2009(7):205－207.

［3］ 孟君.基于DSP的數(shù)字助聽器多通道響度補(bǔ)償方案［J］.南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，2(5):420－425.

［4］ 崔?；?全數(shù)字助聽器的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2007.

［5］Northern J.L.助聽器聽力學(xué)及高級(jí)助聽器技術(shù)［J］.國外醫(yī)學(xué):眼耳鼻喉科學(xué)分冊，1987(4):8－10.

［6］ 張華.數(shù)字式助聽器的發(fā)展與展望［J］.國外醫(yī)學(xué):耳鼻喉科學(xué)分冊，2001，25(6):343－346.