一種基于深度學(xué)習(xí)的可降噪助聽器硬件設(shè)計

李貴容 張鳳 周建梅

摘 要：傳統(tǒng)電子助聽器只單純的從外界采集聲音并放大，這會造成外界的噪音與人說話的語音同時被放大，可能會對聽損者聽力造成二次傷害。基于此，本文設(shè)計了一種基于深度學(xué)習(xí)的可降噪助聽器，主要通過可深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本設(shè)計基于樹莓派單片機(jī)平臺，通過陣列麥克風(fēng)接收并判斷外界的聲音，采用寬帶MVDR后置維納濾波算法進(jìn)行初步的降噪，之后利用深度學(xué)習(xí)的對抗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入的聲信號分離出語音信號和噪音信號，并對其進(jìn)行有效的降噪處理，實現(xiàn)了在復(fù)雜噪音環(huán)境下的降噪處理功能，在此性能上可達(dá)到人與人之間正常交流的聲音分貝要求，最終實現(xiàn)在不影響正常助聽功能的同時保護(hù)佩戴者的聽力。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);樹莓派單片機(jī);數(shù)字助聽器;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);麥克風(fēng)陣列;寬帶MVDR后置維納濾波算法

1 作品介紹

1.1 設(shè)計背景

自二十世紀(jì)初，電子助聽器被啟用以來，電子助聽器一直幫助著聽障者恢復(fù)聽力。作為一種小型的擴(kuò)音器，簡單的把原本聲音擴(kuò)大，再利用聽障者殘余的聽力，使聲音能傳送大腦中樞而感覺到聲音。但這無疑會導(dǎo)致噪聲與語音同時被放大，并不能很好的幫助聽障者交流。非平穩(wěn)或多噪聲情形下的語音增強(qiáng)是助聽器等設(shè)備的研究重點，雙耳助聽是近年來復(fù)雜環(huán)境下研究的重要方向之一，其可有效減緩正常耳朵聽力受損，為患者在復(fù)雜環(huán)境下提供更好的助聽體驗。

1.2 創(chuàng)作目的

利用噪聲信號包絡(luò)的噪聲抑制技術(shù)能明顯的抑制噪聲，然而該算法仍有一些不足：（1）預(yù)處理算法經(jīng)常將一些不可預(yù)見的聲學(xué)失真引入信號中;

（2）一些算法（例如，子空間算法）在計算量上需求較大并且難以跟現(xiàn)有的助聽器降噪策略進(jìn)行融合;（3）不能針對所有的用戶使用情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，在某些噪聲環(huán)境中可能無法滿足助聽器使用者的降噪需要。

針對這樣的現(xiàn)狀，提出使用深度學(xué)習(xí)的方法，改善助聽器在噪聲環(huán)境下的助聽效果。通過深度學(xué)習(xí)算法不僅能夠有效的降低環(huán)境中噪音，使在多數(shù)場景下能夠改善使用效率和舒適度，通過算法技術(shù)也能夠降低硬件的成本。

2 總體設(shè)計

可降噪助聽器主要由三個模塊構(gòu)成：基于麥克風(fēng)矩陣的聲音接收模塊、基于深度學(xué)習(xí)的信號處理算法模塊、授話器（揚聲器）模塊。通過麥克風(fēng)陣列得到聲音信號并轉(zhuǎn)化為電信號，首先通過麥克風(fēng)陣列算法增強(qiáng)語音，然后通過深度學(xué)習(xí)模塊分離出其中的語音與噪聲信號。對噪聲信號做降噪處理，最后將處理后的信號放大輸出。通過授話器傳給聽損者。軟件部分的設(shè)計主要包括麥克風(fēng)陣列部分的算法，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分的算法。深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法主要包括兩個部分，對語音與噪音進(jìn)行分別。以及將分別出的降噪進(jìn)行降噪處理。麥克風(fēng)陣列也通過算法對語音與噪音分離起到了增強(qiáng)的作用。

3 硬件設(shè)計

參考典型的數(shù)字助聽器結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計了以單片機(jī)為核心的麥克風(fēng)陣列數(shù)字助聽器，軟件部分結(jié)合了深度學(xué)習(xí)。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1 麥克風(fēng)陣列設(shè)計

麥克風(fēng)陣列結(jié)構(gòu)拾取實際環(huán)境下聲音的復(fù)雜度如圖2所示，基本上由三種語音源發(fā)出的聲波在空氣中傳播，傳播過程中沒有遇到障礙直接傳達(dá)到拾音器，語音源發(fā)出的聲波在傳播過程中通過反射面的反射再傳達(dá)到拾音器及其他無用生源的環(huán)境背景雜聲。

麥克風(fēng)陣列的排列結(jié)構(gòu)可以分為三種。一維線性陣列，二維平面陣列，三維立體結(jié)構(gòu)陣列。考慮到設(shè)計難度與實際需求采用一維陣列排列。

3.2 基于深度學(xué)習(xí)處理的算法模塊

算法模塊主要通過集成的樹莓派單片機(jī)實現(xiàn)，通過對單片機(jī)的編程，實現(xiàn)軟件所需的各種算法。樹莓派單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 授話器（揚聲器）模塊

授話器模塊主要采用了普通常見的授話器模塊，并沒有做過多的改變。

4 結(jié)論

基于深度學(xué)習(xí)的可降噪助聽器在解決聽損者交流與使用問題上有著重要的意義。通過對噪音的去除提高了聽損者的使用感受。本文針對助聽器硬件部分給出設(shè)計。估計了麥克風(fēng)陣列的算法有效性。同樣對于設(shè)備的實用性還需要在多場景下進(jìn)行不斷測試，目前在國內(nèi)市場有很大的擴(kuò)展空間。

參考文獻(xiàn)

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