自适应双MIC拾音智能助听器系统的制作方法

本发明涉及助听器，具体的说是自适应双mic拾音智能助听器系统，通过创新的声音采集算法、智能信号处理技术及多模态交互设计，为听力障碍患者提供高清晰度、个性化的听觉解决方案，适用于复杂多变的声学环境。

背景技术：

1、传统助听器在声音采集与处理方面存在显著局限性。单麦克风助听器受物理结构限制，难以区分目标声源与环境噪声，在嘈杂环境中（如商场、地铁站等，背景噪声超过65db），语音识别准确率通常低于45%，导致用户难以清晰捕捉对话内容。部分双麦克风助听器虽采用固定波束成形技术，但加权系数无法动态调整，当声源位置变化或噪声特性改变时，降噪效果大幅下降。例如，在声源移动速度超过0.5m/s的场景中，固定波束成形算法的拾音偏差可达±15°，严重影响声音采集效果。

2、此外，现有助听器的信号处理算法缺乏环境适应性。助听器系统虽具备场景识别功能，但采用简单的阈值判断方法，无法精准区分相似场景（如会议室与课堂），导致声音处理模式误判率高达20%。同时，传统设备的音频输出方式单一，无法满足用户在运动、社交等不同场景下的差异化需求；交互控制依赖物理按键，操作复杂且不支持语音指令；防水防尘性能普遍低于ip54，限制了户外使用场景。

3、随着用户对助听器智能化、便携化需求的提升，亟需一种能够实时适应环境变化、实现精准拾音与智能处理的新型系统。

技术实现思路

1、本发明旨在解决传统助听器在声音采集、处理及交互中的技术瓶颈，通过自适应双mic拾音、智能场景识别及多模交互技术，实现复杂环境下的高保真声音采集与个性化听觉体验。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：自适应双mic拾音智能助听器系统，包括：

3、自适应双mic拾音模块，包含两个高灵敏度mems麦克风，用于采集声音信号，并通过自适应波束成形算法调整两个麦克风信号的加权系数，增强目标声源信号，抑制环境噪声；

4、智能信号处理模块，对拾音模块采集的声音信号进行动态降噪、自适应均衡调节及场景识别处理；

5、音频输出模块，将处理后的声音信号转换为音频输出至用户；

6、交互控制模块，用于接收用户操作指令，调节系统参数；其中，所述自适应波束成形算法的加权系数通过公式计算，为第个麦克风与目标声源信号的相关系数，。

7、具体地，所述自适应双mic拾音模块中，两个麦克风采用线性阵列布局，间距为8-12mm，通过调整麦克风间距优化波束成形的主瓣宽度和旁瓣抑制比。具体而言，当麦克风间距为8mm时，在高频段（4000hz-8000hz）具有较好的波束聚焦特性，主瓣宽度可控制在±25°以内，适用于对高频声音定位要求较高的场景，如鸟鸣声捕捉；当间距为12mm时，在中低频段（200hz-2000hz）的旁瓣抑制能力更强，可将旁瓣电平抑制至-25db以下，更适合抑制交通噪声等中低频环境噪声。在实际制造过程中，采用精密注塑工艺确保两个麦克风的间距精度在±0.1mm以内，以保证波束成形算法的稳定性和可靠性。同时，麦克风的外壳采用声学透声材料，在200hz-8000hz频率范围内，声音衰减不超过3db，确保声音信号的高质量采集。

8、具体地，所述自适应波束成形算法采用最小方差无失真响应（mvdr）准则，在保证目标声源信号不失真的前提下，最小化输出信号的方差，以达到最优降噪效果。为实现该准则，系统通过实时估计目标声源的导向矢量，其中为目标声源的方位角。导向矢量根据麦克风阵列的几何结构和声波传播特性计算，公式为，对于双mic阵列,为第二个麦克风相对第一个麦克风的时延。在实际应用中，系统每10ms更新一次导向矢量，以适应目标声源位置的变化。通过迭代算法求解最小方差问题，得到最优加权系数，使得输出信号的方差最小，其中为麦克风阵列的输入信号向量，表示共轭转置。经实测，在60db背景噪声环境下，该算法可使目标声源信号的信噪比提升20db以上。

9、具体地，所述智能信号处理模块的动态降噪处理采用基于子带能量比的降噪算法，将声音信号划分为多个子带，根据各子带的能量比判断噪声成分并进行抑制，降噪算法公式为，其中为降噪后信号，为原始信号，为降噪系数。具体实施时，系统将声音信号划分为12个子带，每个子带带宽约为667hz。通过计算每个子带的能量，并与预设的噪声能量阈值进行比较来确定降噪系数。当/小于特定阈值（如0.5）时，判定该子带为噪声主导，取值较小（如0.2）以加强降噪；当/大于阈值（如1.5）时，判定为语音主导，取值接近1以保留语音信号。系统每50ms更新一次各子带的能量和阈值，以适应噪声环境的动态变化。在地铁噪声环境（平均噪声强度75db）测试中，该算法可将噪声水平降低25db，同时语音信号的平均失真度控制在3%以内。

10、具体地，所述智能信号处理模块内置基于深度学习的场景识别模型，通过对会议室、商场、街道等不同场景的声音特征进行训练，实时识别当前使用场景并自动切换声音处理模式。该场景识别模型采用二维卷积神经网络（2d-cnn）架构，输入为声音信号转换后的梅尔频谱图。模型包含5个卷积层、3个池化层和2个全连接层，通过反向传播算法和随机梯度下降优化器进行训练。在训练过程中，使用超过10万小时的多场景声音数据，涵盖不同地域、时间段和环境条件。为提高模型的泛化能力，采用数据增强技术，如时间拉伸、音高变换等对训练数据进行扩充。实际应用中，系统每200ms对采集的声音信号进行一次场景识别，识别准确率高达93%。当识别到会议室场景时，系统自动将混响时间参数从默认的0.5s调整为0.3s，同时增强500hz-4000hz频段的语音信号增益10db；识别到商场场景时，启动强降噪模式，重点抑制800hz-2000hz的嘈杂人声频段。

11、具体地，所述音频输出模块为骨传导与气导双模输出结构，用户可通过交互控制模块手动切换输出模式，或由系统根据场景自动选择输出模式。骨传导输出部分采用高性能钕铁硼振动单元，其振动频率响应范围为50hz-8000hz，在200hz-4000hz频段内，声压级变化小于8db，确保声音还原的准确性。气导输出部分采用定制化动铁扬声器，配备三向分频器，在高频段（4000hz-8000hz）的频率响应平坦度达到±2db。在自动切换模式下，系统通过场景识别结果和用户运动状态传感器数据进行综合判断。当检测到用户处于运动状态（如通过内置加速度计检测到连续的振动信号）且场景识别为户外时，自动切换至骨传导模式；当场景识别为安静室内时，优先选择气导模式。手动切换时，交互控制模块提供明确的反馈提示，如切换成功时发出特定频率的提示音，同时在移动终端app上实时显示当前输出模式。

12、具体地，所述交互控制模块包括实体按键、触控面板及语音控制单元，支持音量调节、模式切换、降噪等级调整等操作，语音控制单元采用基于隐马尔可夫模型（hmm）的语音识别算法。实体按键采用硅胶材质，表面设计有防滑纹理和凸起标识，便于用户盲操作。每个按键的按压寿命经过10万次循环测试，确保长期使用的可靠性。触控面板采用电容式感应技术，支持滑动、双击、长按等多种手势操作。在滑动调节音量操作中，触控面板的灵敏度设置为每滑动1cm对应音量变化2db。语音控制单元内置200个常用指令关键词库，通过对语音信号进行分帧、特征提取（采用梅尔频率倒谱系数mfcc）后，输入到hmm模型进行识别。为提高在噪声环境下的识别率，系统采用双重麦克风阵列进行语音信号采集，结合波束成形技术增强语音信号，抑制环境噪声。在60db背景噪声环境下，语音指令的识别准确率可达95%，对于口音较重的用户，系统支持自定义语音指令学习功能。

13、具体地，还包括充电管理模块，采用无线充电技术为系统供电，充电管理模块具备过压、过流、过温保护功能。充电管理模块基于qi无线充电标准设计，采用电磁感应原理进行能量传输。初级线圈和次级线圈均采用漆包线绕制，匝数比经过优化设计，以提高充电效率。在充电过程中，实时监测输入电压和电流，当电压超过5.5v时，触发过压保护电路，切断充电输入；当电流超过500ma时，启动过流保护，降低充电功率。温度传感器采用高精度热敏电阻，实时监测充电模块的温度，当温度超过50℃时，暂停充电并启动散热机制，通过内置的微型风扇进行强制散热。在使用10w无线充电器时，系统电池从0%充至80%仅需2小时，充满电耗时3小时。同时，充电管理模块具备涓流充电功能，当电池电量达到95%后，自动切换至涓流充电模式，延长电池使用寿命。

14、具体地，所述系统支持与移动终端通过蓝牙连接，通过移动终端app实现远程参数调节、听力数据记录及场景使用统计分析。蓝牙连接采用蓝牙5.0协议，支持低功耗模式，在连接状态下，系统的平均功耗增加不超过10%。移动终端app界面采用简洁直观的设计，用户可在主界面实时查看助听器的电量、连接状态和当前工作模式。在远程参数调节方面，用户可通过app调整自适应均衡的各个频段增益、降噪等级、场景切换灵敏度等参数，调节范围为±15db。听力数据记录功能可保存用户每次使用助听器的时间、音量设置、场景分布等信息，形成每日、每周、每月的使用报告。场景使用统计分析模块对记录的场景数据进行分析，生成场景使用频率统计图，帮助用户和听力专家了解用户在不同场景下的听力需求，为进一步优化听力解决方案提供依据。

15、具体地，所述自适应双mic拾音模块和音频输出模块均采用防水防尘设计，防护等级不低于ip65。自适应双mic拾音模块的外壳采用高强度聚碳酸酯材料，结合精密的密封工艺，在麦克风开口处采用防水透气膜覆盖，该膜在保证声音正常传入的同时，能有效阻止水和灰尘进入。防水透气膜的透气量为500ml/(m²·day)，在1米水深压力下，能承受30分钟不渗水。音频输出模块的骨传导振动单元和动铁扬声器均采用防水封装结构，连接处使用硅橡胶密封圈进行密封。在防水测试中，将助听器置于1米深的水中浸泡30分钟后，内部电路的绝缘电阻仍保持在100mω以上，各项功能正常；在防尘测试中，将其放入沙尘浓度为1000mg/m³的环境中运行8小时，内部无沙尘进入，麦克风和扬声器的性能指标变化小于5%。

16、本发明的有益效果：

17、精准动态拾音：相比传统双麦克风设计，本系统在声源移动场景中拾音偏差减少60%，复杂环境下语音识别准确率提升至82%。

18、智能环境适配：93%场景识别准确率结合动态降噪与均衡调节，实现8类场景的自动优化，减少用户手动调节频率90%以上。

19、多模交互体验：实体按键、触控、语音及app四维交互，覆盖全用户群体；无线充电与ip65防护支持全天候使用。

20、数据化健康管理：app记录使用数据生成可视化报告，辅助听力干预方案优化，推动助听器从“设备”向“健康助手”升级。