數(shù)字助聽器研究現(xiàn)狀及其算法綜述*

鄭 洋 唐加能 柳培忠 劉曉芳

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數(shù)字助聽器研究現(xiàn)狀及其算法綜述*

鄭 洋 唐加能 柳培忠 劉曉芳

華僑大學(xué)工學(xué)院

隨著中國(guó)老齡化社會(huì)的到來，效果良好的聽力設(shè)備得到重視，一些相關(guān)算法和技術(shù)先后被提出和改進(jìn)，有效解決了現(xiàn)代數(shù)字助聽器中的響度補(bǔ)償、去噪和回聲消除等問題。該文闡述了助聽器的發(fā)展歷程、數(shù)字助聽器的工作原理，以及響度補(bǔ)償、語(yǔ)音降噪技術(shù)、回聲消除技術(shù)和聲源定位技術(shù)等核心技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來相關(guān)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

數(shù)字助聽器 響度補(bǔ)償 語(yǔ)音降噪 回聲消除 聲源定位

1 概述

隨著中國(guó)老齡化社會(huì)的到來，助聽器的使用和發(fā)展受到越來越多人的關(guān)注。助聽器實(shí)質(zhì)上是一種幫助聽力障礙患者補(bǔ)償聽力缺失的小型擴(kuò)音裝置，在解決聽力損失人群的耳聽力補(bǔ)償方面發(fā)揮著不可替代的優(yōu)勢(shì)作用。在我國(guó)，聽力損失與常見性耳病已經(jīng)成為大多老年人安度晚年生活的障礙，而這些聽力障礙的人群里只有很少一部分人佩戴了助聽器。

半導(dǎo)體等微電子技術(shù)不斷發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)字助聽器相比模擬助聽器有著明顯的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、小型化。在去噪和回聲消除等方面，隨著相關(guān)算法的不斷改進(jìn)，在可調(diào)性方面也有很大的進(jìn)步。數(shù)字助聽器通過對(duì)信號(hào)的數(shù)字化處理，逐漸智能化，和模擬助聽器單純進(jìn)行聲音信號(hào)放大有很大區(qū)別。數(shù)字助聽器可以通過頻率的改變處理過濾噪聲，再通過相關(guān)算法處理，智能化選擇需要的語(yǔ)音信號(hào)，并加強(qiáng)和辨別減少其他噪聲的污染，達(dá)到滿足低度或中度聽力損失人群的需要。為此，佩戴合適的助聽器是解決聽力障礙的重要途徑，相關(guān)的助聽器工作也需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，以更好地滿足社會(huì)需要。

2 數(shù)字助聽器的主要工作原理

傳統(tǒng)的模擬助聽器中，聲頻信號(hào)被麥克風(fēng)收集并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。麥克風(fēng)輸出的振幅和頻響，通過一系列的模擬濾波器后，信號(hào)被送至接收器。模擬助聽器的信號(hào)持續(xù)不斷通過信號(hào)處理的路徑，加大了噪聲的污染。在數(shù)字可編程助聽器中，麥克風(fēng)的輸出經(jīng)過采樣和量化，通過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為離散信號(hào)。所有的信號(hào)處理過程都通過數(shù)字濾波器和相應(yīng)的算法處理。完成數(shù)字信號(hào)處理后，數(shù)字信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換器或者解調(diào)器轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)。

數(shù)字助聽器最核心的部分由一塊集成的 DSP 處理芯片組成，具有功能強(qiáng)、運(yùn)算快、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。DSP芯片利用數(shù)字信號(hào)處理算法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行變換、增強(qiáng)、壓縮、濾波等處理，得到需要的信號(hào)。數(shù)字助聽器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，可以進(jìn)行復(fù)雜的非線性信號(hào)處理，并且可以存儲(chǔ)多個(gè)算法程序，當(dāng)用戶需要響度補(bǔ)償時(shí)，根據(jù)其環(huán)境特征設(shè)計(jì)不同響度補(bǔ)償方案。當(dāng)助聽器使用者在一個(gè)安靜的環(huán)境中，去噪算法就可以關(guān)閉，這樣既能夠降低能耗，又可以避免去噪算法給語(yǔ)音信號(hào)帶來的失真。一般來說，數(shù)字助聽器數(shù)字信號(hào)處理模塊主要包括有響度補(bǔ)償、降噪技術(shù)、回聲消除和聲源定位等，下文將根據(jù)這些內(nèi)容逐步介紹算法研究現(xiàn)狀。

圖1 數(shù)字助聽器主要工作原理

3 數(shù)字助聽器的主要算法

為了提高語(yǔ)音理解度和聆聽舒適度，目前數(shù)字助聽器使用最多且比較核心的技術(shù)分別為響度補(bǔ)償技術(shù)、語(yǔ)音降噪技術(shù)、回聲反饋消除技術(shù)和聲源定位算法[1]。

3.1 響度補(bǔ)償算法

在助聽器的算法中，響度補(bǔ)償是一種主要的算法，其作用是補(bǔ)償聽力損失患者的語(yǔ)音信息，提高聽力損失人群對(duì)語(yǔ)音的識(shí)別率。響度補(bǔ)償算法需要根據(jù)患者不同的聽閾、痛閾情況，調(diào)整它的動(dòng)態(tài)范圍，使之匹配。另外，有些算法會(huì)針對(duì)不同患者的頻率缺失情況，對(duì)不同頻率信號(hào)進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)償。

在現(xiàn)代數(shù)字助聽器中，大多數(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多通道的響度補(bǔ)償?shù)墓δ躘2]，這些響度補(bǔ)償方案很多集中在等寬頻率間隔濾波器組。由于人耳對(duì)語(yǔ)音信號(hào)頻率的高低感覺與實(shí)際聽到的語(yǔ)音信號(hào)頻率的高低可以近似為對(duì)數(shù)關(guān)系，所以在進(jìn)行響度補(bǔ)償方案時(shí)，利用等寬頻率間隔濾波器組的設(shè)計(jì)要求并不能滿足聽力損失人群對(duì)聽力的補(bǔ)償要求。因此文獻(xiàn)[3]提出了一種非等寬多通道響度補(bǔ)償方法，該算法在對(duì)語(yǔ)音信號(hào)分析時(shí)，采用了一種過采樣完美重構(gòu)濾波器組，并使語(yǔ)音信號(hào)達(dá)到了響度補(bǔ)償和重建的效果，彌補(bǔ)了相關(guān)算法對(duì)人耳特性的考慮不周。也有學(xué)者提出一種基于共振峰提取的多通道響度補(bǔ)償算法[4]，他們通過對(duì)濾波器組重新設(shè)計(jì)，并加入一個(gè)共振峰模塊，對(duì)共振峰起到保護(hù)作用，使響度補(bǔ)償取得更佳的效果。

為了減輕響度補(bǔ)償時(shí)產(chǎn)生的負(fù)面影響，提高高頻嚴(yán)重?fù)p失的聽損患者的聽辨率，文獻(xiàn)[5]將壓縮移頻技術(shù)用于多通道響度補(bǔ)償，有效提高了聽損患者的聽力水平，同時(shí)有效提高了患者的話語(yǔ)辨識(shí)率。針對(duì)傳統(tǒng)多通道補(bǔ)償算法忽略保護(hù)語(yǔ)音特征，容易造成語(yǔ)音結(jié)構(gòu)變形和識(shí)別率低等問題，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于多分辨率小波的單通道語(yǔ)音增強(qiáng)算法。該算法利用多分辨率小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解和重構(gòu)，然后在語(yǔ)音信號(hào)中提取出頻譜結(jié)構(gòu)，通過提取出的特征點(diǎn)初期信息計(jì)算補(bǔ)償增益，此時(shí)的響度補(bǔ)償是利用插值算法計(jì)算整個(gè)頻譜的增益，與多通道響度補(bǔ)償技術(shù)相比，可以有效保證語(yǔ)音特征，并提高語(yǔ)音辨別率。

3.2 數(shù)字助聽器語(yǔ)音降噪技術(shù)

在噪聲環(huán)境下，聽力損失的人的語(yǔ)音理解度非常有限，如何提高語(yǔ)音理解度并提高語(yǔ)音的純凈性，需要相關(guān)的降噪技術(shù)。現(xiàn)代數(shù)字助聽器產(chǎn)品都帶有相對(duì)獨(dú)立的去噪功能，提高了聆聽的舒適度和語(yǔ)音的可理解度。傳統(tǒng)上，為了提高助聽器抗噪聲的性能，大多利用單通道的降噪處理技術(shù)，近年來，基于多通道的維納濾波降噪技術(shù)逐漸被提出，并能更好地提高語(yǔ)音可理解度。

為了滿足高阻帶衰減和高頻分辨率的限制，文獻(xiàn)[7]提出了一個(gè)級(jí)聯(lián)雙級(jí)濾波器組的寬帶系統(tǒng)，以提高頻率分辨率和降噪性能。Schasse 等人[8]提出一種改進(jìn)的單通道助聽器雙級(jí)濾波器組噪聲抑制技術(shù)，解決了助聽器中低延遲和高阻帶衰減，以及因低頻率分辨率問題導(dǎo)致殘留的噪聲等問題，并分析了一個(gè)兩個(gè)階段的降噪系統(tǒng)，減少了計(jì)算復(fù)雜度，進(jìn)一步提高助聽器的降噪性能。為了提高單通道語(yǔ)音增強(qiáng)降噪算法的整體質(zhì)量，有學(xué)者[9]提出了基于參數(shù)估計(jì)和感知提升的語(yǔ)音增強(qiáng)降噪算法，相比傳統(tǒng)算法，該算法通過引入?yún)?shù)估計(jì)改進(jìn)模塊和感知質(zhì)量提升模塊，在消噪效果和語(yǔ)音質(zhì)量?jī)煞矫婢玫搅溯^大的提高，適用于多類噪聲環(huán)境和信噪比條件。

近年來，學(xué)者們提出多種基于多通道維納濾波（Multi- channel Wiener Filtering,MWF)的降噪技術(shù)，這些降噪技術(shù)均適用于雙耳助聽器設(shè)備，其中MWF有很好的噪聲抑制性能，對(duì)于語(yǔ)音特征的保留也有很好的效果。文獻(xiàn)[10]指出，SDW-MWF在單一噪聲源時(shí)有少量語(yǔ)音失真，但在多個(gè)噪聲源的情況下有較好的性能，文獻(xiàn)[11]、[12]針對(duì)真實(shí)的噪聲環(huán)境，分別提出了MWF-COR和MWF-IC，比以前的降噪技術(shù)都有良好的效果，提高了語(yǔ)音可懂性。

文獻(xiàn)[13]結(jié)合人耳聽覺特性和助聽器響度補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，提出一種改進(jìn)的多通道維納濾波算法的助聽器語(yǔ)音降噪算法，該方法能更有效地抑制殘留噪聲，提高語(yǔ)音可懂度，具有較高的實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)[14]針對(duì)助聽器降噪算法的特殊性，提出了一種實(shí)時(shí)多通道數(shù)字助聽器降噪算法。考慮到算法實(shí)時(shí)性和降噪性能的特點(diǎn)，該算法以子帶聲壓級(jí)計(jì)算代替?zhèn)鹘y(tǒng)的信號(hào)功率譜估計(jì)算法，有效降低了算法復(fù)雜度，也有效降低了噪聲。

3.3 數(shù)字助聽器回聲消除算法

在使用現(xiàn)代數(shù)字助聽器時(shí)，聲學(xué)回聲是使用者抱怨頻率最高的問題，這里的回聲即接收器的輸出通過耳道、氣孔以及助聽器耳模與耳道的間隙泄露出的聲音被麥克風(fēng)捕獲放大產(chǎn)生的聲音。助聽器中常見的回聲消除系統(tǒng)如圖2所示，圖2中，H*(Z)表示真實(shí)的回聲信道，這往往由助聽器和用戶的特性決定。H(Z)是自適應(yīng)估計(jì)的回聲信道，由助聽器采用的回聲估計(jì)算法確定。e(n)為麥克風(fēng)輸入信號(hào)d(n)減去后的殘差信號(hào)，并用e(n)來調(diào)整H(z)的參數(shù)。

圖2 助聽器回聲消除系統(tǒng)

回聲消除最常用的是LMS類算法，包括LMS、NLMS[15、16]，其中LMS的更新方程為：

（2）

文獻(xiàn)[20]改進(jìn)了一種仿射投影算法，該算法通過能量誤差和步長(zhǎng)因子之間存在的非線性函數(shù)關(guān)系使步長(zhǎng)因子可以根據(jù)能量誤差的變化自動(dòng)調(diào)整，也可以達(dá)到加快濾波器收斂速度、降低穩(wěn)態(tài)失調(diào)的目的。而文獻(xiàn)[21]則采用一種仿射組合的方案通過兩個(gè)帶有不同步長(zhǎng)的濾波器操作，比單個(gè)濾波器和固定步長(zhǎng)的仿射方案，在助聽器回聲消除方面獲得穩(wěn)定的性能。

在數(shù)字助聽器回聲抵消算法中，當(dāng)助聽器的增益與相位達(dá)到一定的條件時(shí)便會(huì)引發(fā)高強(qiáng)度的振蕩，即嘯叫，這會(huì)給助聽器佩戴者帶來明顯的不舒適感。文獻(xiàn)[22]針對(duì)當(dāng)自適應(yīng)濾波器算法中回聲路徑發(fā)生快速變化時(shí)，收斂速度仍然難以實(shí)現(xiàn)快速嘯叫抑制，提出一種變步長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)最小均方差-陷波器（Variable Step Normalized Least Mean Square- Notch Filter,VSN-NF)算法，既改善了回聲抵消性能，又有效減少嘯叫的產(chǎn)生。

3.4 數(shù)字助聽器聲源定位算法

在一個(gè)復(fù)雜的噪聲環(huán)境下，若存在多個(gè)噪聲源聲音信號(hào)交疊的情況，將導(dǎo)致助聽器語(yǔ)音信號(hào)信噪比下降，大大降低了佩戴助聽器的語(yǔ)音理解效果。目前，研究者們基于復(fù)雜的噪聲場(chǎng)景提出了多種聲源定位算法[23-25]，并將其運(yùn)用到助聽器定位系統(tǒng)中，可以有效定位聲源的3D位置。文獻(xiàn)[26]研究了一種基于壓縮感知的麥克風(fēng)陣列聲源定位算法，將聲源定位問題變?yōu)橄∈栊盘?hào)的重構(gòu)問題，將不同位置的房間沖激響應(yīng)作為特征以構(gòu)建字典，提高了麥克風(fēng)陣列在高混響、低信噪比環(huán)境中的定位性能，但存在字典模型誤差，有待進(jìn)一步研究。為了改善混響和多干擾聲場(chǎng)景下的聲源定位能力，文獻(xiàn)[27]介紹了一種多通道聯(lián)合策略，改善了傳統(tǒng)算法魯棒性差的缺點(diǎn)，并結(jié)合人耳的哈斯效應(yīng)，提出一種雙耳時(shí)間差提取策略以提高定位精度，該策略能根據(jù)環(huán)境信噪比自適應(yīng)調(diào)整。

4 數(shù)字助聽器技術(shù)發(fā)展展望

小型化發(fā)展一直是數(shù)字助聽器的趨勢(shì)[28-30]，而未來讓數(shù)字助聽器越來越小，甚至微型化，讓別人看不見是大多數(shù)聽力損失者的要求，隱形助聽器將是未來研究的方向。這就需要算法復(fù)雜度更低以獲得低功耗，由于是在體積更小的空間，對(duì)于算法的要求也要更高，研究者們希望得到?jīng)]有噪聲、回聲消除更明顯的算法，這樣可以大大提高助聽器的聆聽度和舒適度。

數(shù)字助聽器的防水技術(shù)也一直獲得人們的關(guān)注，讓聽力損失患者在一些特殊場(chǎng)景（如游泳），防止設(shè)備因進(jìn)水而停止工作，現(xiàn)在也已經(jīng)有多家公司在考慮防水技術(shù)。另外，以前助聽器只是單純地將信號(hào)放大，達(dá)到語(yǔ)音增強(qiáng)的效果，最后完成去噪和回聲消除。隨著聲源定位技術(shù)的發(fā)展，讓兩側(cè)耳的數(shù)據(jù)共享，達(dá)到同步效果，獲得聲源定位將是一個(gè)研究和發(fā)展的方向。

目前，大多數(shù)研究集中在一些算法的改進(jìn)方面，對(duì)于實(shí)際的應(yīng)用效果還需要根據(jù)不同場(chǎng)合進(jìn)行環(huán)境測(cè)試，發(fā)展智能化的助聽器將會(huì)大大提高數(shù)字助聽器設(shè)備的語(yǔ)音處理能力。智能化的助聽器將可以根據(jù)聽力損失患者在不同環(huán)境（餐廳、會(huì)議室、街道等）下自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)。算法為不同環(huán)境參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)外部不同場(chǎng)合的環(huán)境噪聲，聽力損失患者可以自動(dòng)調(diào)整，隨時(shí)改變聆聽效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

近幾年，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字助聽器的發(fā)展也得到了明顯的提升和改善。現(xiàn)在評(píng)價(jià)一個(gè)數(shù)字助聽器的好壞，主要取決于其核心算法技術(shù)的改進(jìn)，所以研究數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)于數(shù)字助聽器具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本文從響度補(bǔ)償技術(shù)、降噪技術(shù)、聲學(xué)回聲消除技術(shù)和聲源定位技術(shù)等方面介紹了目前比較流行的一些技術(shù)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于語(yǔ)音的識(shí)別和去噪等要求，需要從患者的聽力損失情況和現(xiàn)實(shí)一些復(fù)雜的噪聲環(huán)境考慮，相信在技術(shù)的不斷發(fā)展下，數(shù)字助聽器在未來的應(yīng)用一定會(huì)更加廣泛，也能達(dá)到幫助更多聽力障礙患者改善聽力的目的。

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