李貴容 張鳳 周建梅

摘 要：傳統(tǒng)電子助聽器只單純的從外界采集聲音并放大，這會(huì)造成外界的噪音與人說(shuō)話的語(yǔ)音同時(shí)被放大，可能會(huì)對(duì)聽損者聽力造成二次傷害。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于深度學(xué)習(xí)的可降噪助聽器，主要通過(guò)可深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本設(shè)計(jì)基于樹莓派單片機(jī)平臺(tái)，通過(guò)陣列麥克風(fēng)接收并判斷外界的聲音，采用寬帶MVDR后置維納濾波算法進(jìn)行初步的降噪，之后利用深度學(xué)習(xí)的對(duì)抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入的聲信號(hào)分離出語(yǔ)音信號(hào)和噪音信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行有效的降噪處理，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜噪音環(huán)境下的降噪處理功能，在此性能上可達(dá)到人與人之間正常交流的聲音分貝要求，最終實(shí)現(xiàn)在不影響正常助聽功能的同時(shí)保護(hù)佩戴者的聽力。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);樹莓派單片機(jī);數(shù)字助聽器;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);麥克風(fēng)陣列;寬帶MVDR后置維納濾波算法

1 作品介紹

1.1 設(shè)計(jì)背景

自二十世紀(jì)初，電子助聽器被啟用以來(lái)，電子助聽器一直幫助著聽障者恢復(fù)聽力。作為一種小型的擴(kuò)音器，簡(jiǎn)單的把原本聲音擴(kuò)大，再利用聽障者殘余的聽力，使聲音能傳送大腦中樞而感覺(jué)到聲音。但這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致噪聲與語(yǔ)音同時(shí)被放大，并不能很好的幫助聽障者交流。非平穩(wěn)或多噪聲情形下的語(yǔ)音增強(qiáng)是助聽器等設(shè)備的研究重點(diǎn)，雙耳助聽是近年來(lái)復(fù)雜環(huán)境下研究的重要方向之一，其可有效減緩正常耳朵聽力受損，為患者在復(fù)雜環(huán)境下提供更好的助聽體驗(yàn)。

1.2 創(chuàng)作目的

利用噪聲信號(hào)包絡(luò)的噪聲抑制技術(shù)能明顯的抑制噪聲，然而該算法仍有一些不足：（1）預(yù)處理算法經(jīng)常將一些不可預(yù)見的聲學(xué)失真引入信號(hào)中;

（2）一些算法（例如，子空間算法）在計(jì)算量上需求較大并且難以跟現(xiàn)有的助聽器降噪策略進(jìn)行融合;（3）不能針對(duì)所有的用戶使用情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，在某些噪聲環(huán)境中可能無(wú)法滿足助聽器使用者的降噪需要。

針對(duì)這樣的現(xiàn)狀，提出使用深度學(xué)習(xí)的方法，改善助聽器在噪聲環(huán)境下的助聽效果。通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法不僅能夠有效的降低環(huán)境中噪音，使在多數(shù)場(chǎng)景下能夠改善使用效率和舒適度，通過(guò)算法技術(shù)也能夠降低硬件的成本。

2 總體設(shè)計(jì)

可降噪助聽器主要由三個(gè)模塊構(gòu)成：基于麥克風(fēng)矩陣的聲音接收模塊、基于深度學(xué)習(xí)的信號(hào)處理算法模塊、授話器（揚(yáng)聲器）模塊。通過(guò)麥克風(fēng)陣列得到聲音信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，首先通過(guò)麥克風(fēng)陣列算法增強(qiáng)語(yǔ)音，然后通過(guò)深度學(xué)習(xí)模塊分離出其中的語(yǔ)音與噪聲信號(hào)。對(duì)噪聲信號(hào)做降噪處理，最后將處理后的信號(hào)放大輸出。通過(guò)授話器傳給聽損者。軟件部分的設(shè)計(jì)主要包括麥克風(fēng)陣列部分的算法，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分的算法。深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法主要包括兩個(gè)部分，對(duì)語(yǔ)音與噪音進(jìn)行分別。以及將分別出的降噪進(jìn)行降噪處理。麥克風(fēng)陣列也通過(guò)算法對(duì)語(yǔ)音與噪音分離起到了增強(qiáng)的作用。

3 硬件設(shè)計(jì)

參考典型的數(shù)字助聽器結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為核心的麥克風(fēng)陣列數(shù)字助聽器，軟件部分結(jié)合了深度學(xué)習(xí)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 麥克風(fēng)陣列設(shè)計(jì)

麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)拾取實(shí)際環(huán)境下聲音的復(fù)雜度如圖2所示，基本上由三種語(yǔ)音源發(fā)出的聲波在空氣中傳播，傳播過(guò)程中沒(méi)有遇到障礙直接傳達(dá)到拾音器，語(yǔ)音源發(fā)出的聲波在傳播過(guò)程中通過(guò)反射面的反射再傳達(dá)到拾音器及其他無(wú)用生源的環(huán)境背景雜聲。

麥克風(fēng)陣列的排列結(jié)構(gòu)可以分為三種。一維線性陣列，二維平面陣列，三維立體結(jié)構(gòu)陣列。考慮到設(shè)計(jì)難度與實(shí)際需求采用一維陣列排列。

3.2 基于深度學(xué)習(xí)處理的算法模塊

算法模塊主要通過(guò)集成的樹莓派單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程，實(shí)現(xiàn)軟件所需的各種算法。樹莓派單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 授話器（揚(yáng)聲器）模塊

授話器模塊主要采用了普通常見的授話器模塊，并沒(méi)有做過(guò)多的改變。

4 結(jié)論

基于深度學(xué)習(xí)的可降噪助聽器在解決聽損者交流與使用問(wèn)題上有著重要的意義。通過(guò)對(duì)噪音的去除提高了聽損者的使用感受。本文針對(duì)助聽器硬件部分給出設(shè)計(jì)。估計(jì)了麥克風(fēng)陣列的算法有效性。同樣對(duì)于設(shè)備的實(shí)用性還需要在多場(chǎng)景下進(jìn)行不斷測(cè)試，目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有很大的擴(kuò)展空間。

參考文獻(xiàn)

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