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1、10申请公布号CN104053107A43申请公布日20140917CN104053107A21申请号201410249428X22申请日20140606H04R25/00200601H04R27/02200601G10L21/027220130171申请人重庆大学地址400044重庆市沙坪坝区沙正街174号重庆大学自动化学院72发明人柴毅屈剑锋王坤朋杨志敏董勇54发明名称用于噪声环境下声源分离和定位的助听装置及方法57摘要本发明涉及助听装置及方法，具体指一种用于噪声环境下声源分离和定位的助听装置及方法，包括麦克风阵列、声源位置显示器、声源分离与定位模块、信号采集器、模拟信号放大器和声源选择键。
2、盘，声源分离与定位模块采用互相关法对采集的麦克风信号进行处理，得到8个声源相对于麦克风阵列的初始方位，采用基于空间搜索的盲源分离方法对采集的麦克风信号进行处理，得到包含交谈对象和其他人说话声音的声源，用户通过声源选择键盘选择出属于交谈对象的声源，根据选择的声源计算出交谈对象相对于麦克风阵列的准确方位，并在声源位置显示器中显示该声源的方位；实现噪声环境下交谈双方语音信号自动分离，同时增加了语音信号源的定位功能，使用方便。51INTCL权利要求书3页说明书8页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书3页说明书8页附图1页10申请公布号CN104053107ACN10405。
3、3107A1/3页21一种用于噪声环境下声源分离和定位的助听装置，其特征在于包括麦克风阵列1006、声源位置显示器1001、声源分离与定位模块1002、信号采集器1003、模拟信号放大器1004和声源选择键盘1005；所述麦克风阵列1006、模拟信号放大器1004、信号采集器1003、声源分离与定位模块1002和声源位置显示器1001依次连接；所述声源选择键盘1005与声源分离与定位模块1002连接；所述声源分离与定位模块1002采用互相关法对采集的麦克风信号进行处理，得到8个声源相对于麦克风阵列的初始方位；采用基于空间搜索的盲源分离方法对采集的麦克风信号进行处理，得到包含交谈对象1009和其。
4、他人1010说话声音的声源，用户通过声源选择键盘1005选择出属于交谈对象1009的声源，根据选择的声源计算出交谈对象1009相对于麦克风阵列1006的准确方位，并在声源位置显示器1001中显示该声源的方位。2所述麦克风阵列1006由微型麦克风1007构成；所述麦克风阵列1006由8个独立的微型麦克风1007按照图中方式均匀排列在正方形的边上，正方形边长为10厘米，任意两个微型麦克风1007中心点之间的距离1008为5厘米；所述微型麦克风1007的指向性为全向型无指向，直径小于1厘米。3噪声环境下声源分离和定位方法，其特征在于包括如下步骤A采用权利要求1所述的助听装置对交谈过程中的语音信号进行。
5、采集；A1所述助听装置采用模拟信号放大器1004对麦克风阵列1006中8个微型麦克风1007的语音信号进行放大，放大后的信号传输至信号采集器1003；A2所述信号采集器1003对模拟信号放大器1004放大后的信号进行滤波、模/数转换和采集，采样频率为16KHZ，采样精度为16位，并对采集的信号进行储存；B所述声源分离与定位模块1002采用基于空间搜索的盲源分离方法对采集的麦克风信号进行处理，具体步骤如下B1信号采集器得到8路观测信号XTX1T,X2T,X8TT，T为采样时刻；B2观测信号XT可以被建模为8个声源STS1T,S2T,S8TT的线性混合式1中V为空气中声音传播的速度，约为340米/。
6、秒；AMN,M,N1,2,8为第N个声源到达第M个微型麦克风的距离，声源信号的幅值衰减与距离AMN成反比关系，声源SN,N1,2,8到达各微型麦克风的时间延迟与距离AMN成正比关系；T1T,2T,8TT为微型麦克风的噪声；公式1可以简写为权利要求书CN104053107A2/3页3XTASTT2式2中A88为声源混合矩阵；B3采用互相关法对对采集的麦克风信号进行处理，计算得到声源相对于麦克风阵列的初始方位，具体如下B301为了降低声源定位和分离算法的复杂度，构建一个栅格化的正方体，并存储每个栅格顶点至微型麦克风2003的距离。参见图2，将麦克风阵列正前方的正方体区域进行栅格化处理，正方体的边长。
7、为10厘米，栅格的边长为1厘米，最小栅格的边长为1厘米，记栅格顶点2001为GIJK,I,J,K1,2,10；B302栅格顶点GIJK距离第M个微型麦克风2003的距离2002为DM，将GIJK至8个微型麦克风2003的距离写作列向量形式为D，将所有栅格顶点至微型麦克风的距离写作矩阵形式为D，矩阵的第L列表示第K1100J110I个栅格点；B303由公式1可知，任意两路观测信号XMT与XMT，M,M1,2,8进行延迟相关运算CXMTXMT,0414/V,0414/V，为延迟时间，必然存在8个极大值由于非采样时间间隔的整数倍，在计算时需要首先对观测信号XT进行自然三次样条插值，对于采样时刻T0,。
8、T1,TP，对应的采样点XMY0,Y1,YPT，P为采样点数目，插值计算后得到的观测信号为插值函数为HPTP1T，0PP系数B0,B1,BP可以通过求解式4所述方程得到。B304参见图3，分别计算微型麦克风3001与3002、3003、3004采集到观测信号之间的延迟相关系数C的极大值，并利用极大值处对应的延迟时间和可以计算出图3所示的声源相对于微型麦克风的方位；B305利用延迟时间与声速V相乘分别计算8个声源与4个微型麦克风3001、3002、3003、3004的距离D1,D3,D6,D8，并通过计算求取与声源距离最近的栅格点GIJK，进而得到8个声源距离8个微型麦克风的距离，即声源混合矩阵。
9、A；B4采用空间搜索的方法以最小化声源之间互信息I为目标函数，同时分离出混合在观测信号XT中的所有声源由于语音信号为短时平稳信号，通常认为在20毫秒的采样时长内可以等效为平稳信号，因此，以下过程需要在有限时间T内完成，T20MS，具体如下B401初始化空间搜索次数R0，声源混合矩阵A0A，互信息最小值I，时间TC0；权利要求书CN104053107A3/3页4B402对声源混合矩阵AR进行求逆运算得到矩阵WR，利用计算得到真实声源信号的估计信号并对其进行标准化处理，使得各声源估计信号均值为0方差为1；B403采用互信息度量声源信号之间的相互独立性，声源之间的互信息是一个非负指标，当且仅当各信号。
10、之间相互独立时互信息为零。分别记XMXM1,XMP为第M个观测信号，为真实声源信号的估计，P是采样点数目。由此，估计声源信号之间的互信息可以写为式中，为估计声源信号的边缘熵，表示估计声源信号的联合熵；由于边缘熵中含有概率分布项，无法直接计算实际计算中采用多项式密度展开来近似熵，这种近似方法具有较高的计算效率，其形式为其中，是斜度，为规范化的峭度；估计声源信号的联合熵为若IRI，则置IIR，否则，进入下一步；B404随机搜索8个声源附近的栅格点，得到一组新的栅格点及其对应的到达微型麦克风的距离，通过查询距离矩阵D，得到新的声源混合矩阵A；B405若计算时间TCT，置迭代次数RR1，置下一次迭代的。
11、混合矩阵为ARA，返回B402进行迭代计算，否则，结束迭代过程。权利要求书CN104053107A1/8页5用于噪声环境下声源分离和定位的助听装置及方法技术领域0001本发明涉及助听装置及方法，具体指一种用于噪声环境下声源分离和定位的助听装置及方法。背景技术0002在户外或工业现场等嘈杂环境的语音交流中，助听装置是增强语音品质提高沟通效果的重要设备。在嘈杂环境下用户所感兴趣的有用信号会受到环境噪音或其它语音干扰，有用信号的信噪比较低，进而严重影响用户之间的正常交流。现有的助听设备大多数仍采用简单的信号放大功能，少数具有语音清晰功能的设备也仅对环境背景噪声有效，对于交流现场中其它语音的干扰无能为。
12、力。发明内容0003针对现有技术存在的上述问题，本发明解决的技术问题是实现噪声环境下交谈双方语音信号自动分离，同时增加了语音信号源的定位功能，操作方便。0004解决该技术问题，本发明是这样实现的一种用于噪声环境下声源分离和定位的助听装置，其特征在于包括麦克风阵列1006、声源位置显示器1001、声源分离与定位模块1002、信号采集器1003、模拟信号放大器1004和声源选择键盘1005；0005所述麦克风阵列1006、模拟信号放大器1004、信号采集器1003、声源分离与定位模块1002和声源位置显示器1001依次连接；0006所述声源选择键盘1005与声源分离与定位模块1002连接；0007。
13、所述声源分离与定位模块1002采用互相关法对采集的麦克风信号进行处理，得到8个声源相对于麦克风阵列的初始方位；采用基于空间搜索的盲源分离方法对采集的麦克风信号进行处理，得到包含交谈对象1009和其他人1010说话声音的声源，用户通过声源选择键盘1005选择出属于交谈对象1009的声源，根据选择的声源计算出交谈对象1009相对于麦克风阵列1006的准确方位，并在声源位置显示器1001中显示该声源的方位。0008进一步，所述麦克风阵列1006由微型麦克风1007构成；0009所述麦克风阵列1006由8个独立的微型麦克风1007按照图中方式均匀排列在正方形的边上，正方形边长为10厘米，任意两个微型麦。
14、克风1007中心点之间的距离1008为5厘米；0010所述微型麦克风1007的指向性为全向型无指向，直径小于1厘米。0011本发明噪声环境下声源分离和定位方法，其特征在于包括如下步骤0012A采用权利要求1所述的助听装置对交谈过程中的语音信号进行采集；0013A1所述助听装置采用模拟信号放大器1004对麦克风阵列1006中8个微型麦克风1007的语音信号进行放大，放大后的信号传输至信号采集器1003；0014A2所述信号采集器1003对模拟信号放大器1004放大后的信号进行滤波、模说明书CN104053107A2/8页6/数转换和采集，采样频率为16KHZ，采样精度为16位，并对采集的信号进行。
15、储存；0015B所述声源分离与定位模块1002采用基于空间搜索的盲源分离方法对采集的麦克风信号进行处理，具体步骤如下0016B1信号采集器得到8路观测信号XTX1T,X2T,X8TT，T为采样时刻；0017B2观测信号XT可以被建模为8个声源STS1T,S2T,S8TT的线性混合00180019式1中V为空气中声音传播的速度，约为340米/秒；AMN,M,N1,2,8为第N个声源到达第M个微型麦克风的距离，声源信号的幅值衰减与距离AMN成反比关系，声源SN,N1,2,8到达各微型麦克风的时间延迟与距离AMN成正比关系；T1T,2T,8TT为微型麦克风的噪声；公式1可以简写为0020XTASTT。
16、2式2中A88为声源混合矩阵；0021B3采用互相关法对对采集的麦克风信号进行处理，计算得到声源相对于麦克风阵列的初始方位，具体如下0022B301为了降低声源定位和分离算法的复杂度，构建一个栅格化的正方体，并存储每个栅格顶点至微型麦克风2003的距离。参见图2，将麦克风阵列正前方的正方体区域进行栅格化处理，正方体的边长为10厘米，栅格的边长为1厘米，最小栅格的边长为1厘米，记栅格顶点2001为GIJK,I,J,K1,2,10；0023B302栅格顶点GIJK距离第M个微型麦克风2003的距离2002为DM，将GIJK至8个微型麦克风2003的距离写作列向量形式为D，将所有栅格顶点至微型麦克风。
17、的距离写作矩阵形式为D，矩阵的第L列表示第K1100J110I个栅格点；0024B303由公式1可知，任意两路观测信号XMT与XMT，M,M1,2,8进行延迟相关运算CXMTXMT,0414V,0414V，为延迟时间，必然存在8个极大值由于非采样时间间隔的整数倍，在计算时需要首先对观测信号XT进行自然三次样条插值，对于采样时刻T0,T1,TP，对应的采样点XMY0,Y1,YPT，P为采样点数目，插值计算后得到的观测信号为插值函数为00250026HPTP1T，0PP0027系数B0,B1,BP可以通过求解式4所述方程得到。说明书CN104053107A3/8页700280029B304参见图3。
18、，分别计算微型麦克风3001与3002、3003、3004采集到观测信号之间的延迟相关系数C的极大值，并利用极大值处对应的延迟时间和可以计算出图3所示的声源相对于微型麦克风的方位；0030B305利用延迟时间与声速V相乘分别计算8个声源与4个微型麦克风3001、3002、3003、3004的距离D1,D3,D6,D8，并通过计算求取与声源距离最近的栅格点GIJK，进而得到8个声源距离8个微型麦克风的距离，即声源混合矩阵A；0031B4采用空间搜索的方法以最小化声源之间互信息I为目标函数，同时分离出混合在观测信号XT中的所有声源由于语音信号为短时平稳信号，通常认为在20毫秒的采样时长内可以等效为。
19、平稳信号，因此，以下过程需要在有限时间T内完成，T20MS，具体如下0032B401初始化空间搜索次数R0，声源混合矩阵A0A，互信息最小值I，时间TC0；0033B402对声源混合矩阵AR进行求逆运算得到矩阵WR，利用计算得到真实声源信号的估计信号并对其进行标准化处理，使得各声源估计信号均值为0方差为1；0034B403采用互信息度量声源信号之间的相互独立性，声源之间的互信息是一个非负指标，当且仅当各信号之间相互独立时互信息为零。分别记XMXM1,XMP为第M个观测信号，为真实声源信号的估计，P是采样点数目。由此，估计声源信号之间的互信息可以写为00350036式中，为估计声源信号的边缘熵，。
20、表示估计声源信号的联合熵；0037由于边缘熵中含有概率分布项，无法直接计算实际计算中采用多项式密度展开来近似熵，这种近似方法具有较高的计算效率，其形式为说明书CN104053107A4/8页800380039其中，是斜度，为规范化的峭度；估计声源信号的联合熵为00400041若IRI，则置IIR，否则，进入下一步；0042B404随机搜索8个声源附近的栅格点，得到一组新的栅格点及其对应的到达微型麦克风的距离，通过查询距离矩阵D，得到新的声源混合矩阵A；0043B405若计算时间TCT，置迭代次数RR1，置下一次迭代的混合矩阵为ARA，返回B402进行迭代计算，否则，结束迭代过程。0044相对于。
21、现有技术，本发明具有如下优点00451、本发明中构成助听装置的麦克风阵列、模拟信号放大器、信号采集器、声源分离与定位模块和声源位置显示器依次连接，声源选择键盘与声源分离与定位模块连接，声源分离与定位模块采用互相关法和基于空间搜索的盲源分离方法对采集到的微型麦克风信号进行处理，可以得到8个声源的估计信号及其相对于阵列麦克风的方位。00462、由于本发明采用栅格化声源信号空间的方法，建立声源到达各微型麦克风的距离矩阵，利用随机搜索声源附近栅格点的方式，降低了声源信号分离算法的计算复杂度，提高了声源混合矩阵的估计效率，进而保证了声源信号分离的实时性。00473、由于本发明配置了声源选择键盘，用户可以。
22、通过键盘交互选择出交谈对象的声源，通过声源分离与定位模块实时计算交谈对象的准确方位，并在声源位置显示器中显示该声源的方位,提高了助听器的可配置性和可视化效果。附图说明0048图1本发明的功能框图。0049图2本发明的栅格化正方体示意图。0050图3本发明的声源定位示意图。0051图4实施例的功能框图。0052图中，1001声源位置显示器、1002声源分离与定位模块、1003信号采集器、1004模拟信号放大器、1005声源选择键盘、1006阵列麦克风、1007微型麦克风、1008微型麦克风中心距离、1009交谈对象、1010其他声源、2001栅格顶点、2002栅格顶点至微型麦克风的距离、2003。
23、微型麦克风、3001微型麦克风1、3002微型麦克风3、3003微型麦克风6、3004微型麦克风8、4001麦克风阵列、4002模拟放大器、4003带通滤波器、4004模拟开关、4005模/数转换器、4006微型处理器、4007液晶显示器、4008键盘。说明书CN104053107A5/8页9具体实施方式0053下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。0054参见图1，一种用于噪声环境下声源分离和定位的助听装置，包括麦克风阵列1006、声源位置显示器1001、声源分离与定位模块1002、信号采集器1003、模拟信号放大器1004和声源选择键盘1005；0055所述麦克风阵列1006、模拟信。
24、号放大器1004、信号采集器1003、声源分离与定位模块1002和声源位置显示器1001依次连接；0056所述声源选择键盘1005与声源分离与定位模块1002连接；0057所述麦克风阵列1006由微型麦克风1007构成；0058所述麦克风阵列1006由8个独立的微型麦克风1007按照图中方式均匀排列在正方形的边上，正方形边长为10厘米，任意两个微型麦克风1007中心点之间的距离1008为5厘米；0059所述微型麦克风1007的指向性为全向型无指向，直径小于1厘米。0060声源分离与定位模块1002具有两个主要功能，一个功能是采用互相关法对采集的麦克风信号进行处理，得到8个声源相对于麦克风阵列的。
25、初始方位；另一个功能是采用基于空间搜索的盲源分离方法对采集的麦克风信号进行处理，得到包含交谈对象1009和其他人1010说话声音的声源，用户可以通过声源选择键盘1005选择出属于交谈对象1009的声源，根据选择的声源计算出交谈对象1009相对于麦克风阵列1006的准确方位，并在声源位置显示器1001中显示该声源的方位。0061噪声环境下声源分离和定位方法通过如下步骤实现0062A语音信号进行采集，具体步骤如下0063A1所述助听装置采用模拟信号放大器1004对麦克风阵列1006中8个微型麦克风1007的语音信号进行放大，放大后的信号传输至信号采集器1003；0064A2所述信号采集器1003对。
26、模拟信号放大器1004放大后的信号进行滤波、模/数转换和采集，采样频率为16KHZ，采样精度为16位，并对采集的信号进行储存；0065B所述声源分离与定位模块1002采用基于空间搜索的盲源分离方法对采集的麦克风信号进行处理，具体步骤如下0066B1信号采集器得到8路观测信号XTX1T,X2T,X8TT，T为采样时刻；0067B2观测信号XT可以被建模为8个声源STS1T,S2T,S8TT的线性混合00680069式1中V为空气中声音传播的速度，约为340米/秒；AMN,M,N1,2,8为说明书CN104053107A6/8页10第N个声源到达第M个微型麦克风的距离，声源信号的幅值衰减与距离AM。
27、N成反比关系，声源SN,N1,2,8到达各微型麦克风的时间延迟与距离AMN成正比关系；T1T,2T,8TT为微型麦克风的噪声；公式8可以简写为0070XTASTT9式9中A88为声源混合矩阵；0071B3采用互相关法对对采集的麦克风信号进行处理，计算得到声源相对于麦克风阵列的初始方位，具体如下0072B301为了降低声源定位和分离算法的复杂度，构建一个栅格化的正方体，并存储每个栅格顶点至微型麦克风2003的距离。参见图2，将麦克风阵列正前方的正方体区域进行栅格化处理，正方体的边长为10厘米，栅格的边长为1厘米，最小栅格的边长为1厘米，记栅格顶点2001为GIJK,I,J,K1,2,10；007。
28、3B302栅格顶点GIJK距离第M个微型麦克风2003的距离2002为DM，将GIJK至8个微型麦克风2003的距离写作列向量形式为D，将所有栅格顶点至微型麦克风的距离写作矩阵形式为D，矩阵的第L列表示第K1100J110I个栅格点；0074B303由公式8可知，任意两路观测信号XMT与XMT，M,M1,2,8进行延迟相关运算CXMTXMT,0414V,0414V，为延迟时间，必然存在8个极大值由于非采样时间间隔的整数倍，在计算时需要首先对观测信号XT进行自然三次样条插值，对于采样时刻T0,T1,TP，对应的采样点XMY0,Y1,YPT，P为采样点数目，插值计算后得到的观测信号为插值函数为00。
29、750076HPTP1T，0PP0077系数B0,B1,BP可以通过求解式11所述方程得到。00780079B304参见图3，分别计算微型麦克风3001与3002、3003、3004采集到观测信号之间的延迟相关系数C的极大值，并利用极大值处对应的延迟时间和可以计算出图3所示的声源相对于微型麦克风的方位；0080B305利用延迟时间与声速V相乘分别计算8个声源与4个微型麦克风3001、3002、3003、3004的距离D1,D3,D6,D8，并通过计算求取与声源距离最近的栅格点GIJK，进而得到8个声源距离8个微型麦克风的距离，即声源混合矩阵A；说明书CN104053107A107/8页1100。
30、81B4采用空间搜索的方法以最小化声源之间互信息I为目标函数，同时分离出混合在观测信号XT中的所有声源由于语音信号为短时平稳信号，通常认为在20毫秒的采样时长内可以等效为平稳信号，因此，以下过程需要在有限时间T内完成，T20MS，具体如下0082B401初始化空间搜索次数R0，声源混合矩阵A0A，互信息最小值I，时间TC0；0083B402对声源混合矩阵AR进行求逆运算得到矩阵WR，利用计算得到真实声源信号的估计信号并对其进行标准化处理，使得各声源估计信号均值为0方差为1；0084B403采用互信息度量声源信号之间的相互独立性，声源之间的互信息是一个非负指标，当且仅当各信号之间相互独立时互信息。
31、为零。分别记XMXM1,XMP为第M个观测信号，为真实声源信号的估计，P是采样点数目。由此，估计声源信号之间的互信息可以写为00850086式中，为估计声源信号的边缘熵，表示估计声源信号的联合熵；0087由于边缘熵中含有概率分布项，无法直接计算实际计算中采用多项式密度展开来近似熵，这种近似方法具有较高的计算效率，其形式为00880089其中，是斜度，为规范化的峭度；估计声源信号的联合熵为00900091若IRI，则置IIR，否则，进入下一步；0092B404随机搜索8个声源附近的栅格点，得到一组新的栅格点及其对应的到达微型麦克风的距离，通过查询距离矩阵D，得到新的声源混合矩阵A；0093B40。
32、5若计算时间TCT，置迭代次数RR1，置下一次迭代的混合矩阵为ARA，返回B402进行迭代计算，否则，结束迭代过程。0094实施例如图4所示，麦克风阵列4001选用8个微型麦克风CMA4544PFW构成，微型麦克风的直径为97毫米，模拟放大器4002采用由运算放大器OP07构成的100倍固定级增益实现，带通滤波器4003由OP07构成的四阶高通滤波器和四阶低通滤波器组成，高通滤波器截止频率为20HZ，低通滤波器截止频率为20KHZ，模拟开关4004和模/数转换器由LTC1867实现，LTC1867内部包含一个8通道模拟输入开关和一个16位的模/数转换器，说明书CN104053107A118/8。
33、页12通过串行接口与微型处理器4006进行通信，实现通道选择和数据采集，微型处理器4006采用16位25MHZ的超低功耗微处理器MSP430F5529，键盘采用3个独立按键实现声源选择和音量增加和减小控制功能，液晶显示器选用240320分辨率的低功耗黑白液晶显示屏。在MSP430F5529上实现声源分离与定位模块的功能，采用互相关法对采集的麦克风信号进行处理，得到8个声源相对于麦克风阵列的初始方位；采用基于空间搜索的盲源分离方法对采集的麦克风信号进行处理，得到包含交谈对象1009和其他人1010说话声音的声源，用户可以通过声源选择键盘4008选择出属于交谈对象1009的声源，根据选择的声源计算出交谈对象1009相对于麦克风阵列1006的准确方位，并在声源位置显示器4007中显示该声源的方位。0095最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。说明书CN104053107A121/1页13图1图2图3图4说明书附图CN104053107A13。