基于人耳听觉特性的助听器响度补偿策略

王 鹏，裴东兴，张 波，王亚军

(中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原030051)

随着社会的老龄化以及人们对耳聋问题的日益关注，助听器的发展逐渐受到人们的重视。随着数字技术的应用，助听器的补偿性能和可控性均有大幅提高，其中数字式助听器以其低噪声、低失真、节能、小型化、可调性强等特点成为听力损失患者的福音［1］。

依据患者的响度补偿曲线进行听力补偿，这是数字式助听器设计的首要目标。合理的听力响度补偿方法必须依照人耳的听觉特性，涉及到声学、语音学和听力学，并且与频率、声强等诸多因素相关。而通常这些要素之间的关系是非线性的［2］。听力补偿模型的复杂性决定了响度补偿方法的复杂性。另一方面，就像每个近视患者的视力下降不一样，每个耳聋患者的听力损失也各不相同。本文立足于针对不同患耳的听觉特性制定不同的补偿方案和补偿参数，提出基于人耳听觉特性的动态响度补偿策略，依托现代数字信号处理核心的快速实时仿真能力，进而实现对每个患者听力均可得到最优补偿。目前此个性化补偿策略在基于DSP的数字式助听器中得到较好的应用。

1 响度补偿曲线

人耳听觉是基于对声音频率的敏感。听力损伤患者在听力损失上表现为响度损失，并可转换为声强损失［3］，而声强补偿是一个非线性的补偿过程，而且与频率成非线性，所以动态的响度补偿策略必然是随着频率，根据输入语音声强，来调整助听器响度补偿增益。该补偿增益因决定于频率和声强的非线性关系，也称为响度补偿曲线。基于DSP的数字式助听器听力补偿的原理是依据患者听力的响度补偿曲线，进行声学上的科学补偿。

2 响度补偿策略

如何精确计算出患者听力的响度补偿曲线，是数字式助听器响度补偿模块面临的首要问题。响度补偿因为要依频率对声音进行压缩放大，将正常人能听到的声音压缩放大到患者的听力动态范围内，所以合理地响度补偿就是要制定一条科学的策略，即通过患者的听力动态范围来界定患者合适的声强大小，不但使患者能在自身的听力动态范围内听清语音，还保证了声音的清晰度和听觉的舒适度。该策略也可称之为动态压缩补偿法。

动态范围指的是患者的听力范围，即从纯音听阈到不舒适阈。动态范围因人而异，即使两个听力图相同的患者，其对响声的敏感程度不同，而相应的响度补偿函数也不相同［4］。对于重的患者，其动态范围比正常人要窄。动态压缩补偿策略能有效地解决此问题。

动态压缩补偿区别于线性放大补偿，线性放大输入输出关系呈线性，若响度本身较大，再经过线性放大，则患耳会因响度过大而出现轰鸣感［5］。动态压缩补偿为非线性放大，这便要求对小声给予足够的放大，对于大声放大量要减小，这才能使输入信号较宽的动态范围压缩到输出信号较窄的范围之中，使患者能对声音有舒适感，即为“动态压缩"真正内涵。

与正常的听力水平相比较，听障患者的听力损伤主要体现在对声音感受的范围大幅降低，图1所示为听力正常人和听障患者的听力指标比较图，THR为听阈，MCL表示最适级，UCL为不适域。听障患者感受声音动态范围缩小，最直接的体现是在频率范围内，正常人可以听到较高和较低的声音，而听障患者则无法听到。然而这部分在频率范围内的听力缺失对语音的语义理解产生明显的影响，因此，依频率对声音进行动态压缩放大是解决听力障碍的有效手段。

图1 临床检测的正常听力和听障患者的听力指标比较图

动态压缩输入输出曲线如图2所示，图中横轴以前缀n表示输入声压级(比对的是正常听力响度水平)，纵轴以前缀u表示输出声压级(比对的是患耳的响度水平)，THR表示听阈，MCL表示最适级，UCL表示不适阈，正常人耳的动态范围DRn完全被映射在患者的动态范围DRu，两者并不是满足线性对应的关系，为保证声强能够映射到患者的最适级，I/O曲线上就增加了一个拐点。拐点将I/O曲线分成两段，拐点下段的压缩增益比为CRa，拐点以上曲线b段的压缩增益比为CRb，可得下式

图2 动态压缩补偿策略的输入输出曲线

通过式(1)和式(2)对照图2所示，即可计算出助听器临床验配所须的特征频率点250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz、8 000 Hz上的增益，再以此特征频率点上的增益插值计算出整个频域内压缩增益序列，即响度补偿曲线。

实际应用中，视助听器输入语音的响度等级高低变化，压缩补偿算法所采用式(1)和式(2)求得的响度补偿曲线也程动态变化。实时采集的每一帧语音信号数字序列乘以该帧信号的动态响度补偿增益序列，即实现对语音的个性化响度补偿。

3 仿真计算

对动态压缩补偿算法的Matlab仿真流程如图3所示。

图3 动态压缩补偿算法的Matlab仿真流程图

如图4所示，原始仿真运算语音序列经Hamming窗截取之后的一帧信号，经过频率域内动态压缩响度补偿，最终还原成时域语音帧信号的完整过程。

仿真结果显示:对于“低频段”语音，增益序列显示动态补偿量远小于“高频段”语音，且即使对于“高频段”语音，经过动态压缩响度补偿后的语音信号仍未超过患耳听力的不舒适阈;“频域补偿后经IFFT反变换还原的演示帧帧信号语音”较之原始“演示帧加窗后的语音信号”在幅度上体现为响度补偿效果，“更多的毛刺”体现了对语音高频段补偿增益明显实现了应用动态压缩响度补偿策略对语音信号处理时“低频域中具有聆听舒适感、听力缺失严重的高频域下无不适感”的算法核心。

4 结束语

本文根据现代数字式助听器响度补偿技术的特殊要求，针对人耳的听觉特性中语音频率、声强级等诸多因素的相关规律，研究总结了基于频率、声强级的多种响度补偿实现方法，并重点提出了动态压缩响度补偿策略。通过Matlab仿真结果显示，该响度补偿策略可使听障患者取得最满意的验配效果。经过多次仿真验证，该算法具有较强的存活性和可靠性，能满足对不同患耳的个性化响度补偿效果，是新概念数字式助听器的关键技术，对于全数字式助听器响度补偿模组的研制具有指导意义。

［1］ 肖宪波.数字助听器中若干主要算法的发展和现状［J］.生物医学工程学杂志，2004，21(4):694－698.

［2］ 马晓红.基于DSP的助听器语音处理系统设计［J］.科技广场，2009(7):205－207.

［3］ 孟君.基于DSP的数字助听器多通道响度补偿方案［J］.南京信息工程大学学报，2010，2(5):420－425.

［4］ 崔海徽.全数字助听器的数字信号处理技术研究［D］.上海:上海交通大学，2007.

［5］Northern J.L.助听器听力学及高级助听器技术［J］.国外医学:眼耳鼻喉科学分册，1987(4):8－10.

［6］ 张华.数字式助听器的发展与展望［J］.国外医学:耳鼻喉科学分册，2001，25(6):343－346.