純音聽損測試系統(tǒng)的Android實(shí)現(xiàn)

陳雙燕，湯巧治

(閩南理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，福建石獅362700)

1 項(xiàng)目背景介紹

根據(jù)2017年世界衛(wèi)生組織(WHO)關(guān)于聽力損失的報(bào)告[1]，全球有5%的人口患有殘疾型聽力損失，其中3200萬是兒童，約3.28億的成年人聽力損失超過40 分貝[2]。據(jù)2016年北京聽力大會的報(bào)告[3]，我國有15.84%的人存在聽力障礙。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，耳病患者中接受過耳科檢查的比例只有27.56%。

除了先天性的基因缺陷、人體隨著年齡自身衰退等原因，生活噪音也是造成聽力損失的一大威脅。另外，常年戴著耳機(jī)，也容易傷害耳朵[4]。聽力損傷是一個(gè)長期積累的過程。越早發(fā)現(xiàn)聽力損傷，越有利于聽力障礙的及時(shí)治療。自助的聽力評價(jià)系統(tǒng)可以方便我們?nèi)粘z測聽力，及早發(fā)現(xiàn)聽力的問題。

由于Android 手機(jī)的普及率很高，手機(jī)便于攜帶，方便隨時(shí)檢測聽力，因此采用Android手機(jī)平臺來進(jìn)行聽力損傷測試系統(tǒng)的開發(fā)。

2 系統(tǒng)功能需求

綜合考慮助聽器驗(yàn)配的相關(guān)需求、補(bǔ)償算法所需數(shù)據(jù)以及移動平臺本身的特點(diǎn)，聽力測試系統(tǒng)的功能需求主要有以下方面：

1)系統(tǒng)具有純音信號產(chǎn)生功能，可以根據(jù)頻率信息產(chǎn)生對應(yīng)的純音信號；

2)具有純音聽閾測試功能，可以給出受試者的聽力圖；

3)具有良好的人機(jī)交互界面。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)所參照的技術(shù)指標(biāo)約定如下：

1)頻率范圍：250～6 kHz中的6個(gè)頻點(diǎn)(250 Hz、500 Hz、1000 Hz、2000 Hz、4000 Hz、6000 Hz)；

2)最大聲壓級100 dB HL；聲壓級誤差在±3 dB內(nèi)；

3)頻率誤差小于1%；

4)環(huán)境噪聲小于40 dB。

3 純音測聽法

針對成年人，目前主流的聽力檢測方式是純音測聽、音叉檢查、聲導(dǎo)抗測試等方法。較之于音叉檢查和聲導(dǎo)抗測試等方法，純音測聽對于儀器的要求不高，只需要能產(chǎn)生固定頻率的單頻聲音信號發(fā)生器，而由于Android平臺中含有MediaRecord類能播放固定頻率的聲音，因此采用純音測聽法進(jìn)行。

純音測聽法就是通過播放固定頻率點(diǎn)的聲音，將受試者在這些頻率點(diǎn)上能聽到的最小的聲音強(qiáng)度記錄下來。

國際上通用的幾個(gè)專門用于聽力測試的頻率點(diǎn)是：500 Hz、1000 Hz、2000 Hz 和4000 Hz，本次設(shè)計(jì)增加了250 Hz和6000 Hz。

固定頻率的聲音可以用正弦波來描述，如公式(1)所示：

由于人的耳朵對相位的敏感度較低，因此，取φ=0。

聲音的采樣頻率用fs來表示。采樣頻率是指在一秒時(shí)間內(nèi)采集聲音樣本的次數(shù)，采樣頻率越高，聲音的效果越好。目前常見的聲音采樣頻率為：11 kHz，22 kHz和44.1 kHz。

本次設(shè)計(jì)采用44.1 kHz 的采樣頻率，因此，接下來以在44 100 Hz 的采樣率生成1000 Hz 測試音源為例。由于采樣頻率是44 100 Hz，因此需要通過44 100個(gè)點(diǎn)來完成這些弧度的采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)的弧度間隔為：

因此每個(gè)周期需要45個(gè)采樣點(diǎn)，可表示為：

n為整數(shù)，根據(jù)以上公式來采集正弦波形的數(shù)據(jù)，其中A為信號的幅度。

聲音強(qiáng)度用聲壓級來表示，其單位是dB SPL，用AdB來表示。由于要產(chǎn)生不同強(qiáng)度的聲音，因此要讓信號幅度以5 dB 的間隔增加。聲音強(qiáng)度AdB和信號幅度A的關(guān)系如公式(2)所示。本次設(shè)計(jì)，由于Android 手機(jī)能夠輸出的聲音強(qiáng)度有限，因此將聲強(qiáng)范圍設(shè)置為0～99 dB。在設(shè)計(jì)中，Android 的采樣位數(shù)定為16 bit，數(shù)據(jù)是有符號數(shù)，因此取值范圍是-32 768～32 767。以正信號為例，有32 767個(gè)等級，根據(jù)公式(2)，可知對應(yīng)的聲強(qiáng)范圍為0～90.3 dB。

按照5 dB 的聲強(qiáng)間距，可以分為19 個(gè)聲強(qiáng)等級。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)是在Android Studio平臺下，采用Java語言進(jìn)行的，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。該聽力損傷測試系統(tǒng)主要包括以下界面：

1)歡迎界面：歡迎界面中包含logo，以及系統(tǒng)功能說明。

2)功能選擇界面：用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行環(huán)境噪音測量或者純音聽力測試。

3)環(huán)境噪聲檢測界面：進(jìn)行環(huán)境噪聲的實(shí)時(shí)監(jiān)測，顯示信息包括最高分貝、平均分貝、最低分貝，環(huán)境噪聲實(shí)時(shí)曲線以及噪聲分貝說明。當(dāng)環(huán)境噪聲小于40 dB 時(shí)，適合進(jìn)行聽力檢測，否則建議用戶到安靜的環(huán)境下進(jìn)行測試。

4)測試耳機(jī)設(shè)備界面：系統(tǒng)提示“戴上耳機(jī)”，分別測試設(shè)備的左聲道和右聲道是否正常工作，并建議選擇聽力較好的耳朵先進(jìn)行測試。

5)純音聽力檢測界面：顯示當(dāng)前測試的耳朵，當(dāng)前純音頻率，當(dāng)前純音的分貝，以及“聽不到”、“播放”、“聽得到”三個(gè)按鈕。

6)測試結(jié)果界面：包括左耳和右耳的檢查結(jié)果曲線圖。

7)聽力損失情況分析界面：包括左耳以及右耳的聽力損失情況，并且根據(jù)用戶的情況給出分析與建議。

圖1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)主要包括環(huán)境噪音檢測模塊和純音聽力檢測模塊。

4.2 環(huán)境噪音檢測模塊

MainActivity 是系統(tǒng)的主活動，用戶可以選擇環(huán)境噪聲測量或者檢查耳朵。一般建議用戶先進(jìn)行環(huán)境噪聲檢查，對當(dāng)前的環(huán)境噪聲進(jìn)行測評，判斷是否適合進(jìn)行聽力檢測。

環(huán)境噪聲測量模塊由NoiceCheckActivity 實(shí)現(xiàn)。采用MediaRecorder 類進(jìn)行測量，檢測時(shí)間為15 s，取樣時(shí)間為0.1 s。環(huán)境噪音測量給出當(dāng)前噪音值，最大噪音值，最小噪音值，平均噪音值以及實(shí)時(shí)顯示分貝值的折線圖，并有對應(yīng)的分貝說明。

當(dāng)15 s的檢測時(shí)間到，如果當(dāng)前的環(huán)境噪音大于40 dB，則彈出對話框，不建議進(jìn)行聽力測試，建議到較安靜的環(huán)境測試；當(dāng)環(huán)境噪音小于40 dB，則進(jìn)入測試。

實(shí)時(shí)分貝值的折線圖，縱坐標(biāo)是0～90 dB，橫坐標(biāo)是時(shí)間，可以實(shí)時(shí)描繪出環(huán)境的噪音值。

4.3 純音聽力檢測模塊

進(jìn)入聽力檢查后，首先進(jìn)行設(shè)備檢測，采用AudioManager分別檢測左耳和右耳的耳機(jī)是否正常工作。系統(tǒng)依次播放0.6 s、0.8 s 和1 s 的1000 Hz、50 dB的純音來檢測設(shè)備。

聽力檢查模塊是TestActivity。若左耳、右耳都能聽到聲音，建議用戶選擇聽力較好的耳朵先進(jìn)行測試，以isLeft 參數(shù)來判斷當(dāng)前測試的耳朵是左耳還是右耳。

左耳和右耳的測試流程是一樣的。純音測聽流程如圖2所示：初始頻率為1000 Hz，聲音強(qiáng)度為40 dB，若受試者可以聽到聲音，則每次下降10 dB，若受試者聽不到聲音，則每次增加5 dB，直到受試者可以聽到聲音，系統(tǒng)記錄該頻率下受試者能聽到的最小聲音強(qiáng)度。接著測試2000 Hz、4000 Hz、6000 Hz、250 Hz、500 Hz這些頻點(diǎn)的聲音。一只耳朵測試完，測試另一只耳朵。

圖2 聽力測試流程

5 系統(tǒng)測試結(jié)果

環(huán)境噪聲實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果如圖3(a)所示，當(dāng)環(huán)境噪聲大于40 dB 時(shí)，建議用戶選擇安靜的環(huán)境進(jìn)行聽力測試。用戶在聽力測試界面進(jìn)行左右耳的測試后，則給出聽力測試曲線圖，如圖3(b)所示。最后，根據(jù)表1 的聽損程度分級[5]給出聽力測試結(jié)果以及分析與建議。

圖3 系統(tǒng)測試結(jié)果

表1 WHO聽損程度分級

經(jīng)測試，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境噪聲監(jiān)測和聽力檢測。用戶界面友好，具有一定的實(shí)用價(jià)值。