智能听力保护系统

作品介绍

听力损伤问题在人们的日常生活中十分普遍，已引起人们的广泛关注。中国军事医学科学院的实验人员曾对369名炮兵战士的听力情况作了为期三年的追踪调查，详尽的实验数据表明：日常训练、演习及实战中炮兵火炮射击时的脉冲噪声峰值声压级高达160~190dB，可造成听力下降、鼓膜破裂等急性损伤。炮兵作为现代陆军的重要组成部分和主要火力突击力量，长期遭受着火炮噪声的严重伤害，即使在和平时期，炮兵部队评残率在所有兵种中也居于前列。

不仅是炮兵部队，金属冶炼、铁路及机场、管道作业、发电厂等等部门的职工都面临着不同来源噪声对听力的伤害。突发性的巨大脉冲噪声和长时间暴露在高分贝噪声环境下，是造成听力损伤的根本原因。而这些饱受噪声困扰的人群却普遍不佩戴任何保护措施就参加训练或实施作业，亡羊却不补牢，往往导致听力问题愈发严重。

另外，除后天的听力损伤之外，先天失聪、老年性失聪、病理性听力疾病也十分常见。根据WHO在2006年公布辙全球失聪和听力损伤事实档案》，全球约每22个人中就有1人因失聪和听力损伤影响正常生活、交流和工作。目前，市面上所出现的助听器通过电子放大装置使患者获得一定程度的听力补偿，然而，传统助听器的单一放大功能十分局限，佩戴过程中如果遭遇突然的高分贝噪声，听障患者不仅会受到惊吓,甚至有可能遭到进一步听力损伤。

经过调查发现，目前国内市场上并没有针对高分贝噪声的听力保护装置，而国外具备类似功能的产品价格高达499美元,其实现的功能本质上与我们研制的作品无异，但昂贵的价格使普通收入的人群通常无法负担，大规模装配部队和工人更是无从谈起。

基于上述情况，本作品研究并实现了一款能够自主过滤炮声、飞机轰鸣和汽车鸣笛等高分贝噪声，又能放大微弱语音信号的智能听力保护系统。本系统结合了助听和噪声过滤两大功能，有效弥补了传统助听器功能单一的弊端，同时能够帮助更多面临噪声环境的人群免受听力损伤的危害。

本作品在设计思路上着重突出“听力保护”的功能，将超过设定阈值强度（该值可调）的噪声一律衰减，以达到保护目的。系统采用双声音传感器配合工作的模式，在有效滤除炮声等高强度脉冲噪声的同时，保证正常语音信号几乎无损的传输。通过合理设计延时开关电路，有效抑制传感器工作状态突变产生的噪声，并采用AGC自动增益控制技术放大语音信号，在较大的动态范围内实现低噪声助听放大功能。图1所示是本智能听力保护系统的实物图。

图1  智能听力保护系统实物图

在功能实现上，本作品主要解决了三大问题：

合理放大处理语音信号，保证信号在较宽的动态范围内变化时，输出能够维持在一定范围内，即保证放大器对弱信号有足够的增益，同时对强信号不堵塞饱和；

准确判断并合理屏蔽外界环境中的高强度噪声，能够有效减弱大响度噪声对人耳造成的听力损伤，起到一定的保护作用；

系统成功实现小型化，性能稳定且成本低廉，相较于传统的助听器，性价比高，推向市场后能以其完善可靠的功能为听力障碍人士和听力受到高强度脉冲噪声威胁的人群带去实质性的帮助。

本智能听力保护系统体积轻巧，成本低廉，性能稳定，特别适合于炮兵部队的训练使用，可用于金属冶炼、管道作业、机场、铁路、发电厂等存在高强度噪声的场合，为暴露在噪声环境下生活、工作的人群提供有效的听力保护；同时也可用于广大听力障碍人士，以保证其正常助听过程中免受突发大响度声音的惊吓。

技术原理

本作品研究实现的智能听力保护系统能够对处于高分贝噪声环境中的人耳实施一定程度的保护，此举明显突破了当前助听产品以及一般听力保护产品的传统设计思路。作品不仅对微弱声音信号实施了合理的放大措施，而且能智能地“控制”声音，屏蔽有害噪音。结合助听与保护两大功能于一身，使得作品功能更加人性化，这也是“助听”和“听力保护”等相关领域重要的发展方向。

在具体实现过程中，系统采用双声音传感器，一路传感器A用来实时监测工作环境中的声音强度，另一路传感器B用来实时采集并处理放大外界音频信号，且其工作状态受控于监测传感器A。A、B两路传感器协调工作，性能稳定，能够保证正常的语音信号不失真，且受控的音频信号范围可根据不同应用场合的需求进行适当调节。当系统所采集到的环境声音强度高于所设阈值时，A路传感器将给出相应的控制信号,切断助听开关。图2所示是声音传感器产生控制信号的原理图。

图2  声音传感器产生控制信号原理图

其次，系统采用AGC自动增益控制技术放大处理声音信号，即使输入声音信号在较大范围内动态变化，其输出仍能维持在一定范围内，既保证放大器对弱信号有足够的增益，又不至于因信号过强而堵塞饱和。因此，系统在实际噪声环境中工作时，可在较大的动态范围内合理放大语音信号，同时有效实现稳定的助听放大功能。

目前，根据ISO所制定的听力保护标准，规定每周40小时,每年50周，连续噪声容许的最高限为LA=90dB。考虑系统默认对正常语音信号的增益约为20dB，放大后人耳接收到的强度不应超过90dB；为达到良好的听力保护效果，当系统所在工作环境中声音强度大于设定的阈值时，声音传感器A将自动切断助听放大功能。

为了实现有效稳定的保护措施，本作品设计了合理有效的延时触发电路，统筹安排两路声音传感器的工作时序，有效抑制因传感器工作状态突然跳变所产生的噪声。系统采用两个NE555调节延时来保证声音信号开关的稳定性。当555被触发时，其两路输出通过逻辑电路变换后输出控制电平，并通过三极管放大后驱动光耦开关，进而控制实现助听放大功能的声音传感器的开关。图3所示为延时电路的原理图，通过实验测试来确定声音传感器的延时触发参数。

图3  延时电路原理图

为控制整个系统的体积和重量，并保证其能够较长时间稳定可靠的工作，专门设计了电源供电电路。系统采用了一节5号电池供电，经电源电路转换后可输出稳定的3.3V电压。图4为电源电路的原理图。

图4  电源电路原理图

借鉴市场上常见的听力保护隔音耳塞和国外相关产品,本系统在耳罩前端置入隔音材料，能够在助听功能关闭时减轻约30dB的声音，这样既起到良好的消音作用，又不至于完全阻断声音而影响正常交流。

创新点

本作品不仅可以适度放大微弱的声音信号，而且能自主屏蔽有损听力的大响度声音，保证听力障碍人士在享受智能听力保护系统带来的益处的同时，避免受到突发大响度声音的惊吓和伤害。

本作品采用双声音传感器配合工作的模式，可有效去除炮声等大响度声音的不利影响，同时保证正常语音信号几乎无损的传输；采用AGC自动增益控制技术放大语音信号，在较大的动态范围内实现低噪声助听放大功能。

通过设计合适的延时电路统筹安排两路声音传感器的工作时序，保证系统稳定可靠地工作，有效抑制传感器工作状态突变产生的噪声。

应用前景和市场

本作品具备声音放大功能，适合为听障人士提供一定程度的听力补偿，使患者回归有声世界;并且对声音实现智能“控制”，能够屏蔽有害噪声，功能更加人性化。

本系统尤其适合听力障碍患者、炮兵部队、铁路及机场作业、管道作业及发电厂等，其所具备的功能可实现对传统助听器功能单一的弥补。倘若能装配到部队和相关产业，相信能实现听力保护从无到有的突破。

目前，市场上常见的助听器价格从300〜1200元不等,国外产品更加昂贵，而本作品成本仅为200元左右，且体积轻巧，便于携带和日常使用，稳定性好，灵敏度高，无论日常环境、战备训练，甚至演习实战都能工作良好，相信如果装配部队或投放民用市场，都能收到良好的反馈和效益。

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