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(guān)注。中國軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)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(diào)查，詳盡的實驗數(shù)據(jù)表明：日常訓(xùn)練、演習(xí)及實戰(zhàn)中炮兵火炮射擊時的脈沖噪聲峰值聲壓級高達(dá)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(yán)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(jī)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(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)致聽力問題愈發(fā)嚴(yán)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(jù)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(bǔ)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(jìn)一步聽力損傷。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)市場上并沒有針對高分貝噪聲的聽力保護(hù)裝置，而國外具備類似功能的產(chǎn)品價格高達(dá)499美元,其實現(xiàn)的功能本質(zhì)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(fù)擔(dān)，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(jī)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(hù)系統(tǒng)。本系統(tǒng)結(jié)合了助聽和噪聲過濾兩大功能，有效彌補(bǔ)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(shè)計思路上著重突出“聽力保護(hù)”的功能，將超過設(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，保證正常語音信號幾乎無損的傳輸。通過合理設(shè)計延時開關(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自動增益控制技術(shù)放大語音信號，在較大的動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)低噪聲助聽放大功能。圖1所示是本智能聽力保護(hù)系統(tǒng)的實物圖。

圖1  智能聽力保護(hù)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(nèi)變化時，輸出能夠維持在一定范圍內(nèi)，即保證放大器對弱信號有足夠的增益，同時對強(qiáng)信號不堵塞飽和；

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人耳造成的聽力損傷，起到一定的保護(hù)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(qiáng)度脈沖噪聲威脅的人群帶去實質(zhì)性的幫助。

本智能聽力保護(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的訓(xùn)練使用，可用于金屬冶煉、管道作業(yè)、機(jī)場、鐵路、發(fā)電廠等存在高強(qiáng)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(hù)；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(shù)原理

本作品研究實現(xiàn)的智能聽力保護(hù)系統(tǒng)能夠?qū)μ幱诟叻重愒肼暛h(huán)境中的人耳實施一定程度的保護(hù)，此舉明顯突破了當(dāng)前助聽產(chǎn)品以及一般聽力保護(hù)產(chǎn)品的傳統(tǒng)設(shè)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(jié)合助聽與保護(hù)兩大功能于一身，使得作品功能更加人性化，這也是“助聽”和“聽力保護(hù)”等相關(guān)領(lǐng)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(qiáng)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(diào)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(jù)不同應(yīng)用場合的需求進(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，A路傳感器將給出相應(yīng)的控制信號,切斷助聽開關(guān)。圖2所示是聲音傳感器產(chǎn)生控制信號的原理圖。

圖2  聲音傳感器產(chǎn)生控制信號原理圖

其次，系統(tǒng)采用AGC自動增益控制技術(shù)放大處理聲音信號，即使輸入聲音信號在較大范圍內(nèi)動態(tài)變化，其輸出仍能維持在一定范圍內(nèi)，既保證放大器對弱信號有足夠的增益，又不至于因信號過強(qiáng)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(nèi)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(jù)ISO所制定的聽力保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，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(rèn)對正常語音信號的增益約為20dB，放大后人耳接收到的強(qiáng)度不應(yīng)超過90dB；為達(dá)到良好的聽力保護(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，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(hù)措施，本作品設(shè)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(chǎn)生的噪聲。系統(tǒng)采用兩個NE555調(diào)節(jié)延時來保證聲音信號開關(guān)的穩(wěn)定性。當(dāng)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(qū)動光耦開關(guān)，進(jìn)而控制實現(xiàn)助聽放大功能的聲音傳感器的開關(guān)。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(shù)。

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(shè)計了電源供電電路。系統(tǒng)采用了一節(jié)5號電池供電，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

借鑒市場上常見的聽力保護(hù)隔音耳塞和國外相關(guān)產(chǎn)品,本系統(tǒng)在耳罩前端置入隔音材料，能夠在助聽功能關(guān)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(hù)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(shù)放大語音信號，在較大的動態(tài)范圍內(nèi)實現(xiàn)低噪聲助聽放大功能。

通過設(shè)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(chǎn)生的噪聲。

應(yīng)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(bǔ)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(jī)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(bǔ)。倘若能裝配到部隊和相關(guān)產(chǎn)業(yè)，相信能實現(xiàn)聽力保護(hù)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(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，無論日常環(huán)境、戰(zhàn)備訓(xùn)練，甚至演習(xí)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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