信号听觉模型听觉障碍噪声特性噪声种类噪声场本章小结第三章数字助听器中的关键技术常见单麦克风语音增强方法几种单麦克风语音增强方法单麦克风语音增强方法的性能声源定位声源定位方法分类基于时延估计的声源定位移频与响度补偿听觉动态范围与听阈曲线压缩移频响度补偿回声反馈消除本章小结第四章麦克风阵列语音增强算法麦克风阵列信号模型阵列拓扑结构声场模型房间混响模型固定波束形成算法波束形成基本理论延迟求和波束形成算法自适应波束形成算法广义旁瓣抵消器结构的自适应波束形成算法提出的结构的波束形成算法带后置滤波器的波束形成算法带后置滤波器的波束形成算法原理万方数据对三种算法的仿真与比较基于传统延迟求和波束形成方法的改进改进方法原理广义互相关时延估计实验仿真本章小结第五章对结构语音泄漏的分析和补偿对结构语音泄漏的仿真分析语音泄漏补偿具体算法补偿算法原理语音调整补偿仿真实验与测试实验仿真实验测试本章小结第六章总结与展望参考文献附录攻读硕士学位期间撰写的论文致谢万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第章绪论第章绪论研究背景及意义如今，由于生活的快节奏和高要求，听力损伤患者的数目在逐渐增加，无论是先天性的还是后天因素引起的，并且普遍存在于老年患者当中，新生儿患者的数目也在增加。在我国就大约有万听力患者存在，占世界的十分之，其中以上是因年龄造成的功能型衰退的老年患者岁以上，但每年新生儿患病者也在三万人左右。这些数据表明听力疾病应该成为我们关注并重视的问题之。听力障碍必然会给听患者的生活带来不便甚至困扰，需要社会医学者和研究者给予定的关注。虽然医学上已经存在相应的药物治疗些听力疾病，但病因有很多种，有的还没有针对性的药物或是手术可以治疗，因此佩戴合适的助听器成为听力患者改善生活的首选。每个患者的听力损失情况是不同的，有轻度中度重度和极度之分，佩戴之前需要进行听力检测来判断其听力的损失情况，然后佩戴合适的助听器才能达到患者的要求。因此对数字助听器的实时性和灵敏性要求很高。随着对助听器的需求和要求，其由传统的模拟助听器发展到现今的数字助听器，助听，如下经仪器测量声门脉冲信号类似于斜三角形的脉冲，可以写成三角波的形式其他式中为斜三角波的上升时间，为下降时间。其波形和频谱图如下图图三角波及其频谱图由图可以看出，斜三角波的频谱呈现的是低通滤波器的特性，写成全极点模式的变换为式中是常数。很明显可以看出上式是个二极点模型。由以上分析，得出浊音的激励模型可表示为冲激串发生器声门脉冲模型基音周期幅度控制万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章语音信号基本理论由清音特性可以得出，发清音时，声带并没有振动，只是空气流经声道被阻碍形成湍流，类似随机噪声，根据仿真图看出其时域波形和频谱波形都类似于随机白噪声，因此清音激励相对浊音激励较简单，可以用随机噪声发生器来模拟清音的产生，并用个幅度增益来控制清音激励的大小。声道模型这里的声道数学模型主要介绍共振峰模型。声波在声道中传播时，其频率与声腔振动频率相近时，会形成谐振，频谱图上此谐振频率处的频谱包络达到峰值。上节中已经介绍了共振峰频率的计算公式，从浊音频谱图上也可以看到有明显的波峰，即为共振峰，般元音可以用个共振峰表示，较复杂的辅音用到个以上的共振峰表示才可以。通过对共振峰理论的分析，可以建立三种实用的声道数学模型为级联型认为声道是组串联的二阶谐振器，当个数为时，其模型图为图级联型共振峰模型图中的每个谐振器传递函数都可写成全极点形式则个级联后的传递函数为式中为极点个数，为谐振器级联个数，，是增益参数，为常系数，为采样周期，。并联型传输函数为各个谐振器传输函数求和的形式，有其结构框图为万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章语音信号基本理论图并联型共振峰模型混合型顾名思义，混合型就是级联型和并联型合成起来的模型，如下图所示。图混合模型辐射模型辐射模型较简单，其频响曲线表现为阶高通滤波器的特性，其传输函数可表示为综上所述，三个部分的模型组合起来可以构成语音信号产生的数学模型，如图所示。图语音信号产生的二元激励模型冲激串发生器声门脉冲模型随机噪声发生器声道模型辐射模型基音周期清浊音判断声道参数级联型声道并联型声道万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章语音信号基本理论语音听觉机理语音信号听觉模型听觉是接收声音，通过耳器官作用，转换成神经脉冲的过程。人的听觉器官分为个部分外耳中耳和内耳，如图所示。图人耳的结构示意图外耳外耳位于头颅两侧，结构简单，作为听觉的第层器官，在听觉系统中扮演重要的角色。它是由耳廓耳壳和外耳道构成，其功能主要是收集声音辨别声源，并对感兴趣的声音有扩大作用。声音沿外耳道传至鼓膜，外耳道有许多共振频率，恰好在语音频率范围内。中耳中耳主要由鼓膜和听骨链构成。由锤骨砧骨和镫骨，这三块听小骨构成了听骨链。声音在传播过程中会有能量的消耗，但经过鼓膜至内耳时由于听骨链等器官的作用，能量又会被放大多倍，由外耳道被高效地传入耳蜗。因此通过改变增益来放大声音达到高效地传音是中耳的主要功能。内耳内耳由前庭窗圆窗和耳蜗构成，是颅骨腔内个小而复杂的结构，其主要器官是耳蜗。耳蜗形似个蜗牛壳，是听觉的受纳器。图为常用的听觉模型结构图。万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章语音信号基本理论图常用听觉模型结构图由于人耳的特殊生理功能，可以感受到不同的语音，反映出语音的基本特性，称为语音的四要素，分别是音强音高音色和音长。如不同强度不同长度的语音都会代表着不同的含义和不同的情感。音强，即声音的强弱。当发声体振动的幅度大时，表明声音强度高，振幅小时强度低，其强弱与振幅成正比。可以用声压级来表示语音的强弱，声压级的单位是分贝。音高，即声音的高低。当发声体振动较快时，产生的频率高，因此音高较高。反之振动较慢时，音高就低。声带的些特征，例如大小薄厚都会影响声音的高低。音色，也叫音质，是声音的个性特征。当发声体振动的形式不同，产生的音波也不同，因此声音的音色也不同，它是区别各个音的最根本特征。不同的发声体和发声方式及声腔共振时的形状大小都影响振动形式，近而产生不同音色。音长，即声音的长短。当发声体持续振动的时间越长，声音就越长，反之音长就越短。在汉语中，音长并不是作为区别其含义的主要手段。听觉障碍听觉障碍又俗称耳聋。在人类的听觉系统中，若器官因些原因受到损伤，或功能发生障碍，导致对声音的听取或辨别感到困难，临床医学上就定位为听觉障碍。不同因素先天或后天的给听力造成的损伤程度也是不同的，般分为轻度中度重度极度和全聋几个等级。临床上，判断患者听力障碍的等级，必须通过严格而具体的听力测试，分为主客观两方面。般主观听力测试可以测出较准确的数据，需要患者的认真配合。而客观的听力测试方便，不需患者的行为配合。如今，听觉障碍已成为常见疾病的种。日常中，其最直观的表现为听力水平的下降，等级低的为失聪，等级高的就判为耳聋。常见的耳聋疾病有药物中毒性耳聋突发性耳聋噪声性耳聋老年性耳聋先天性耳聋。根据发病机理分为感音性耳聋传导性耳聋和混合性耳聋三类。感音神经性耳聋是由于感知器官如耳蜗病变或损伤而引起的听力下降。常有三个表现高频听力损失理解言语能力低重振小声音听不到，大声音震耳及伴有耳鸣。传导性耳聋，顾名思义是传导过程出现障碍，声波无法正常传递而导致的听力问题。外耳中耳带通滤波器半波整流低通滤波器听神经发放听觉语谱图输入语音万方数据南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章语音信号基本理论多为外耳或中耳出现病变的原因，此种耳聋可以通过药物和手术来治疗，但感音性神经耳聋通过药物几乎是无法治愈的，可以通过佩戴数字助听器来辅助获取外界声音并感知和分辨。混合性耳聋是以上两种共同出现问题时导致的。还有种特殊的耳聋称为噪声性耳聋，因长期持续地受到强噪声干扰和刺激而引发的慢性声损伤。因此噪声对人们的生活是致命的，听力患者通过助听器更需要获取纯净而清晰的声音，防止造成二次损伤。研制性能高而合适患者的数字助听器，前提是清楚地了解听力障碍者感知语音的缺陷。概括为以下几方面言语理解能力低。神经性耳聋患者常表现为严重的高频听觉损失，而语音中的清辅音，尤其在汉语中，主要由高频部分信息组成，影响着言语的可懂度，因此高频听觉损伤，会严重影响患者对言语的辨识和理解。频率分辨能力低。因为耳聋患者多表现为耳蜗敏感度降低，这就使听力障碍者对相近频率的声音的分辨能力降低。听觉动态范围变窄。由于听力患者的听觉系统病变，导致对语音的敏感度变低，其听阈值增高，明显高于正常人，但痛阈反而降低，低于正常人。因此相对于正常人的听觉范围，他们的听觉范围会变窄，通常小声听不到，大声震耳。高频耳鸣。当声音的频率较高时，声音强度达到定程度，会使患者不适，伴有耳鸣和头痛。全面了解听力患者对语音感知发生的变化，可以针对性地研究助听器相关算法，或改进算法，达到理想的语音处理结果，弥补患者在这些方面的缺陷。例如在进行去噪处理时，尽可能地还原纯净语音，降低损伤进行语音放大或压缩时，尽可能变换到听阈范围内，且不丢失高频信息。数字助听器最主要的目的就是辅助恢复患者的听辨能力。噪声特性噪声主要来源于千变万化的实际生活环境中，具有很强的随机性，因而噪声的特性可谓是变化无穷，它普遍存在于各种通信系统中，对原来的有用信号造成干扰，甚至造成重大的破坏，破坏原有信号所承载的信息，模糊人们的判断力。而且实际环境中往往不只含有种噪声，理解各种噪声之间是什么关系对消除噪声方法的研究十分重要。语音增强技术即消除带噪信号中的噪声信号并使原有信号增强成为人们研究语音信号的重要方面之。万方数据单位代码密级硕士学位论文论文题目数字助听器中基于麦克风阵列语音增强技术的研究高婉贞张玲华教授信号与信息处理现代语音处理与通信技术工学硕士二零四年四月学号姓名导师学科专业研究方向申请学位类别论文提交日期万方数据万方数据南京邮电大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文