王 鵬，裴東興，張 波，王亞軍

(中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051)

隨著社會的老齡化以及人們對耳聾問題的日益關注，助聽器的發(fā)展逐漸受到人們的重視。隨著數(shù)字技術的應用，助聽器的補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)性強等特點成為聽力損失患者的福音［1］。

依據(jù)患者的響度補償曲線進行聽力補償，這是數(shù)字式助聽器設計的首要目標。合理的聽力響度補償方法必須依照人耳的聽覺特性，涉及到聲學、語音學和聽力學，并且與頻率、聲強等諸多因素相關。而通常這些要素之間的關系是非線性的［2］。聽力補償模型的復雜性決定了響度補償方法的復雜性。另一方面，就像每個近視患者的視力下降不一樣，每個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償方案和補償參數(shù)，提出基于人耳聽覺特性的動態(tài)響度補償策略，依托現(xiàn)代數(shù)字信號處理核心的快速實時仿真能力，進而實現(xiàn)對每個患者聽力均可得到最優(yōu)補償。目前此個性化補償策略在基于DSP的數(shù)字式助聽器中得到較好的應用。

1 響度補償曲線

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)換為聲強損失［3］，而聲強補償是一個非線性的補償過程，而且與頻率成非線性，所以動態(tài)的響度補償策略必然是隨著頻率，根據(jù)輸入語音聲強，來調(diào)整助聽器響度補償增益。該補償增益因決定于頻率和聲強的非線性關系，也稱為響度補償曲線?；贒SP的數(shù)字式助聽器聽力補償?shù)脑硎且罁?jù)患者聽力的響度補償曲線，進行聲學上的科學補償。

2 響度補償策略

如何精確計算出患者聽力的響度補償曲線，是數(shù)字式助聽器響度補償模塊面臨的首要問題。響度補償因為要依頻率對聲音進行壓縮放大，將正常人能聽到的聲音壓縮放大到患者的聽力動態(tài)范圍內(nèi)，所以合理地響度補償就是要制定一條科學的策略，即通過患者的聽力動態(tài)范圍來界定患者合適的聲強大小，不但使患者能在自身的聽力動態(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態(tài)壓縮補償法。

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

動態(tài)壓縮補償區(qū)別于線性放大補償，線性放大輸入輸出關系呈線性，若響度本身較大，再經(jīng)過線性放大，則患耳會因響度過大而出現(xiàn)轟鳴感［5］。動態(tài)壓縮補償為非線性放大，這便要求對小聲給予足夠的放大，對于大聲放大量要減小，這才能使輸入信號較寬的動態(tài)范圍壓縮到輸出信號較窄的范圍之中，使患者能對聲音有舒適感，即為“動態(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比較圖，THR為聽閾，MCL表示最適級，UCL為不適域。聽障患者感受聲音動態(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，依頻率對聲音進行動態(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比較圖

動態(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(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(比對的是患耳的響度水平)，THR表示聽閾，MCL表示最適級，UCL表示不適閾，正常人耳的動態(tài)范圍DRn完全被映射在患者的動態(tài)范圍DRu，兩者并不是滿足線性對應的關系，為保證聲強能夠映射到患者的最適級，I/O曲線上就增加了一個拐點。拐點將I/O曲線分成兩段，拐點下段的壓縮增益比為CRa，拐點以上曲線b段的壓縮增益比為CRb，可得下式

圖2 動態(tài)壓縮補償策略的輸入輸出曲線

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

實際應用中，視助聽器輸入語音的響度等級高低變化，壓縮補償算法所采用式(1)和式(2)求得的響度補償曲線也程動態(tài)變化。實時采集的每一幀語音信號數(shù)字序列乘以該幀信號的動態(tài)響度補償增益序列，即實現(xiàn)對語音的個性化響度補償。

3 仿真計算

對動態(tài)壓縮補償算法的Matlab仿真流程如圖3所示。

圖3 動態(tài)壓縮補償算法的Matlab仿真流程圖

如圖4所示，原始仿真運算語音序列經(jīng)Hamming窗截取之后的一幀信號，經(jīng)過頻率域內(nèi)動態(tài)壓縮響度補償，最終還原成時域語音幀信號的完整過程。

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

4 結束語

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

［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)學工程學雜志，2004，21(4):694－698.

［2］ 馬曉紅.基于DSP的助聽器語音處理系統(tǒng)設計［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償方案［J］.南京信息工程大學學報，2010，2(5):420－425.

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

［5］Northern J.L.助聽器聽力學及高級助聽器技術［J］.國外醫(yī)學:眼耳鼻喉科學分冊，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:耳鼻喉科學分冊，2001，25(6):343－346.