周　鋒，唐加能，王如剛

（1.鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇鹽城，224051；2.華僑大學(xué)工學(xué)院，福建泉州362021）

一種基于聲壓級分段的數(shù)字助聽器響度補(bǔ)償方法研究*

周鋒1*，唐加能2，王如剛1

（1.鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇鹽城，224051；2.華僑大學(xué)工學(xué)院，福建泉州362021）

響度補(bǔ)償技術(shù)是數(shù)字助聽器的核心技術(shù)之一，目前大多數(shù)響度補(bǔ)償算法均是籠統(tǒng)地通過低、中、高三段輸入聲壓級來進(jìn)行補(bǔ)償增益值的計(jì)算的，這通常并不符合聽力損失患者的實(shí)際需要。為此，針對傳統(tǒng)三段補(bǔ)償算法補(bǔ)償效果的不足，提出了一種基于聲壓級分段的非等寬多通道響度補(bǔ)償算法。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果顯示，該算法比傳統(tǒng)的三段補(bǔ)償算法更好的補(bǔ)償了患者所需的聽力損失，顯著提升了患者的言語辨識率，且很好的消除了助聽器內(nèi)部噪聲對患者正常使用造成的影響。

聲壓級；響度補(bǔ)償；多通道濾波器組；數(shù)字助聽器

響度補(bǔ)償技術(shù)是數(shù)字助聽器中最重要的功能之一，其目的在于補(bǔ)償聽力損傷患者缺失的語音信息，以提高患者對于語音內(nèi)容的理解［1］。目前，對于數(shù)字助聽器響度補(bǔ)償方法的研究主要都集中在多通道的劃分上。多通道的頻帶劃分雖然能夠在一定程度上使得患者可以在不同頻段內(nèi)獲得不同的增益補(bǔ)償，但是其在具體進(jìn)行響度補(bǔ)償時(shí)，多是籠統(tǒng)地通過低、中、高三段輸入聲壓級來進(jìn)行補(bǔ)償增益值的計(jì)算的［2］，而患者對不同聲壓級的聲音所需要的補(bǔ)償值并不只是需要三段來補(bǔ)償。例如：在使用助聽器的過程中，麥克風(fēng)和放大器等助聽器的內(nèi)部組件會產(chǎn)生較大的內(nèi)部噪聲，當(dāng)在安靜環(huán)境時(shí)，這種噪聲有時(shí)候可以被患者聽見，特別是那些有好的低頻聽力的患者，這會導(dǎo)致患者對語音的可懂度、辨識率以及舒適度的下降。因此，傳統(tǒng)的低、中、高三段補(bǔ)償是不符合聽損患者的實(shí)際情況的。

基于上述原因，本文針對傳統(tǒng)三段補(bǔ)償算法的補(bǔ)償不足，提出了一種基于聲壓級分段的多通道響度補(bǔ)償算法，通過將聲壓級細(xì)化為八段，每段根據(jù)患者的實(shí)際需要進(jìn)行不一樣的補(bǔ)償，以提高患者的言語辨識率以及舒適度。

1　基于人耳聽覺特性的濾波器組設(shè)計(jì)

由于人耳耳蝸言對聲音的感知并不與頻率呈線性關(guān)系，而是呈一種近似對數(shù)的關(guān)系，且人耳對聲音頻率最敏感部分主要集中在低頻處，因此在設(shè)計(jì)濾波器組時(shí)需要對低頻部分進(jìn)行細(xì)分，而對高頻部分進(jìn)行粗分。根據(jù)人耳對不同頻段的聲音感知能力，我們有：

通過式（1）可求得各臨界頻率，結(jié)合常見的11個(gè)頻率特征點(diǎn)（125 Hz、250 Hz、375 Hz、500 Hz、750 Hz、1 000 Hz、1 500 Hz、2 000 Hz、3 000 Hz、4 000 Hz和6 000 Hz），再根據(jù)盡量使劃分的通道中心頻率值落在頻率特征點(diǎn)處和低頻劃分細(xì)、高頻劃分粗的原則，進(jìn)一步將100 Hz～8 kHz分為符合人耳聽覺特性的16通道［3］，如表1所示。

表1　通道劃分結(jié)果表

根據(jù)上述所設(shè)計(jì)的16通道濾波器組的頻帶劃分，考慮到常用的語音信號的相位對整個(gè)語音的可懂度和可聽性影響較少［4］，且滿足條件的IIR濾波器的階數(shù)會比FIR濾波器要少5倍～10倍，所用的存儲單元少，運(yùn)算次數(shù)少，這些優(yōu)點(diǎn)正好是數(shù)字助聽器所需要的。因此根據(jù)實(shí)際條件，本文選擇使用IIR濾波器來進(jìn)行16通道濾波器組的設(shè)計(jì)，濾波器階數(shù)取為6，所得到的濾波器組頻響如圖1所示。

圖1　本文設(shè)計(jì)的16通道濾波器組頻響圖

2　基于聲壓級分段的非等寬多通道響度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的多通道響度補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)中，通常是分為低、中、高三段輸入聲壓級來進(jìn)行增益值的補(bǔ)償［5，6］，而聽力損失患者對于不同輸入聲壓級的聲音所需要的補(bǔ)償增益值并不只是需要上述三段來補(bǔ)償［7-8］?；诖?，本文將人耳正常所能接受的0 dB SPL～120 dB SPL的輸入聲壓級進(jìn)行分段，并且根據(jù)“小聲多補(bǔ)償，大聲少補(bǔ)償”以及典型的感音神經(jīng)性聽力損失患者需要的“低頻少補(bǔ)償，高頻多補(bǔ)償”的原則［9-10］，同時(shí)結(jié)合常用的DSL［I/O］［11］、FIG6［12］等非線性處方公式，設(shè)計(jì)得到本文所采用的16通道中任一通道內(nèi)的處方公式：

上述各式中，IG表示患者在指定輸入聲壓級下所需的增益值，單位為dB；HL表示當(dāng)前通道中心頻率處患者的聽閾值，單位為dB HL，它可以根據(jù)患者的聽力圖通過線性插值得到。

圖2為本文所設(shè)計(jì)的16通道響度補(bǔ)償算法的整體流程框圖。輸入語音信號x（n）經(jīng)過16通道的分解濾波器組分解后，得到了16個(gè)子帶信號xi（n）（i=1，2，…，16）。在每個(gè)通道內(nèi)，首先進(jìn)行當(dāng)前幀信號聲壓級的計(jì)算；與此同時(shí)根據(jù)患者的聽力圖，通過線性插值的方法獲得患者在當(dāng)前通道中心頻率處的聽閾值，再根據(jù)式（2）～式（9）所得到當(dāng)前通道的I/O曲線，即可得到患者在當(dāng)前幀所需要的非dB域增益值，繼而得到當(dāng)前幀期望的輸出信號，最后將此16個(gè)通道的輸出信號通過綜合濾波器組，得到最終補(bǔ)償后的輸出語音信號y（n）。

圖2　本文設(shè)計(jì)的16通道響度補(bǔ)償算法整體流程框圖

3　多通道響度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)與仿真

根據(jù)圖3所示的典型感音神經(jīng)性聽力損失患者的聽力圖，使用本文所提供的基于聲壓級分段的算法對該患者進(jìn)行響度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)與仿真。實(shí)驗(yàn)測試語音文件采用TIMIT語音庫dr3-madc0類中的sa2.wav文件，采樣率為16 kHz，采樣精度為16 bit，語音文件內(nèi)容為“Don't ask me to carry an oily rag like that.”。

圖3　測試用感音神經(jīng)性聽力損失患者聽力圖

圖4即是根據(jù)上述算法所獲得的該患者所需要的三維輸入輸出曲線。

圖4　本文設(shè)計(jì)的多通道響度補(bǔ)償三維I/O曲線

由圖4可以看出，曲線在輸入聲壓級值軸上被等分成了8段，且每一段的曲線壓縮比（也即該段直線斜率的倒數(shù)）均不一樣，這樣相對于傳統(tǒng)的低、中、高三段可以更加有效的根據(jù)患者的實(shí)際需求對每一個(gè)聲壓級段進(jìn)行不一樣的補(bǔ)償。

將測試語音文件通過前述所設(shè)計(jì)的多通道分解與綜合濾波器組，各通道內(nèi)的響度補(bǔ)償算法分別使用傳統(tǒng)的三段補(bǔ)償算法以及本文所設(shè)計(jì)的八段補(bǔ)償算法，得到圖5所示的時(shí)域波形比較圖以及語譜比較圖。觀察圖5（a）可知，傳統(tǒng)算法和本文算法的輸出語音的振幅相對于原始語音均有了一定的提高，只是幅度略有差別；兩種算法補(bǔ)償前后的語音包絡(luò)基本相似，且輸出語音的毛刺明顯增多，表明兩種算法都達(dá)到了響度補(bǔ)償?shù)幕疽?。繼續(xù)研究圖5（b）的輸入輸出語譜比較圖可知，本文算法在無語音處補(bǔ)償?shù)妮^少，而傳統(tǒng)算法對無語音處進(jìn)行較多的補(bǔ)償，如最明顯的開始200 ms左右，此時(shí)語音聲壓級很低，傳統(tǒng)算法對此段進(jìn)行較多的補(bǔ)償，這就說明傳統(tǒng)算法會將助聽器的內(nèi)部噪聲進(jìn)行放大，減小患者佩戴使用時(shí)的舒適度，而本文算法由于對此段聲壓級進(jìn)行了增益控制，因此補(bǔ)償后此段依然無語音，很好的消除了上述隱患。

為了更能夠體現(xiàn)兩種響度補(bǔ)償算法對語音信號內(nèi)部的補(bǔ)償效果，將上述測試語音文件進(jìn)行分幀，每幀長度取為256個(gè)點(diǎn)，并分別選取其中具有正常語音信息的一幀信號以及沒有什么語音信息的低聲壓級信號作為兩個(gè)演示幀。兩種算法對正常演示語音幀提供了相似的補(bǔ)償，在低頻處補(bǔ)償很少，而對中、高頻段進(jìn)行了較大的補(bǔ)償，這主要是因?yàn)楸疚臏y試的患者為感音神經(jīng)性聽力損失患者，其聽力損失主要都集中在中、高頻段，這樣即可使得補(bǔ)償后的中、高頻段語音達(dá)到患者的聽閾值，使患者聽得到聲音。從以上分析，同樣可以得出本文算法優(yōu)于傳統(tǒng)三段算法的結(jié)論。

圖5　傳統(tǒng)算法與本文算法輸入輸出比較圖

在經(jīng)過多通道響度補(bǔ)償仿真實(shí)驗(yàn)后，為了進(jìn)一步定量評價(jià)本文算法的好壞，繼續(xù)對一位具有圖3所示聽力損失情況的老年患者進(jìn)行言語辨識率測試。實(shí)驗(yàn)在安靜的房間內(nèi)進(jìn)行，房間內(nèi)的墻壁裝有吸音材料，以確保播放出來的單音節(jié)詞清晰并且沒有回聲。測試語音來自于解放軍總醫(yī)院所錄制的漢語普通話單音節(jié)測試詞表，將測試語音源文件和按照傳統(tǒng)算法以及本文算法做過響度補(bǔ)償?shù)恼Z音文件分別從計(jì)算機(jī)揚(yáng)聲器中輸出播放。測試的語音采樣率為16 kHz，采樣精度16 bit，測試50個(gè)隨機(jī)選取的無重復(fù)單音節(jié)詞在不同聲壓級下患者的識別情況，只有當(dāng)患者能夠正確回答出所播放的單詞才算正確，得2%的辨識率分?jǐn)?shù)，其余情況均不能得分。測試結(jié)果如圖6所示。

圖6　兩種算法補(bǔ)償前后言語辨識率

圖6的結(jié)果顯示，聲壓級在40 dB以下時(shí)，無論何種算法，辨識率均極低；而從40 dB開始，隨著聲壓級的升高，患者的言語辨識率也在逐漸地提高。70 dB聲壓級時(shí)，傳統(tǒng)算法言語辨識率升至將近50%，而本文算法辨識率則達(dá)到70%；而當(dāng)聲壓級達(dá)到80 dB時(shí)，傳統(tǒng)算法辨識率開始達(dá)到70%以上，本文算法辨識率則進(jìn)一步增加至86%；最后在90 dB聲壓級下，傳統(tǒng)算法達(dá)到90%的辨識率，而本文算法則具有94%的辨識率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)三段算法與本文算法均能有效的提高患者的言語辨識率，且辨識率均比沒有進(jìn)行補(bǔ)償要高。綜合對比響度補(bǔ)償仿真效果可以發(fā)現(xiàn)，本文采用的是基于聲壓級分段的多通道響度補(bǔ)償算法，無論是補(bǔ)償后的語音質(zhì)量或者可懂度都明顯好于傳統(tǒng)三段算法，本文所提方法能夠更加有效的幫助患者提升聽力。

4　結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)響度補(bǔ)償算法按照低、中、高三段進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟蛔悖岢隽艘环N基于聲壓級分段的數(shù)字助聽器非等寬多通道響度補(bǔ)償方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法相比傳統(tǒng)的三段補(bǔ)償算法，能夠更好的補(bǔ)償患者所需的聽力損失，提高患者的言語辨識率，并且在安靜情況下能夠很好的消除助聽器內(nèi)部噪聲對患者正常使用造成的影響。這表明本文所提方法對于數(shù)字助聽器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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周鋒（1981-），江蘇鹽城人，鹽城工學(xué)院，信息工程學(xué)院，講師，碩士，2004年本科畢業(yè)于東南大學(xué)無線電工程系信息工程專業(yè)，2012年研究生畢業(yè)于東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子與通信工程專業(yè)，2004年在鹽城工學(xué)院從事科研和教學(xué)工作，在《光電子·激光》等國內(nèi)外一流雜志上發(fā)表多篇論文，申請國家發(fā)明專利多項(xiàng)，主要從事信號與信息處理、圖像與語音信號處理方面的工作，zfycit@163.com。

A Research of Loudness Compensation Method for Digital Hearing Aids Based on Segmented Sound Pressure Level*

ZHOU Feng1*，TANG Jianeng2，WANG Rugang1
（1.College of Information Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng Jiangsu 224051，China；2.College of Engineering，Huaqiao University，Quanzhou Fujian 362021，China）

Loudness compensation is a key technology for digital hearing aids，most compensation gain values are calculated by three sections of sound pressure level（SPL），which usually does not meet the actual needs of patients with hearing loss.For the lack of compensation effect of traditional algorithm，a loudness compensation method based on segmented SPL is proposed.Simulation results show that to compare to traditional algorithm，the hearing loss can be better compensated，the patient's speech recognition rate can be increased rapid，and the effect caused by noise inside hearing aid in normal use can be well eliminated with the help of the new algorithm.

sound pressure level；loudness compensation；multi-channel filter bank；digital hearing aids

TH785.1

A

1005-9490（2016）05-1180-05

項(xiàng)目來源：江蘇省自然基金項(xiàng)目（14KJB510034）；泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014Z103）；2014年江蘇省“雙創(chuàng)計(jì)劃”項(xiàng)目；2015年江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性項(xiàng)目；鹽城工學(xué)院人才引進(jìn)項(xiàng)目（KJC2013014）；東南大學(xué)水聲信號處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2015年開放課題項(xiàng)目（UASP1501）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2242013K30010）

2015-05-11修改日期：2015-06-18

EEACC:782010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.032