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)、機場、鐵路、發(fā)電廠等存在高強度噪聲的場合，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。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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