基频可变式发声方法及自适应可变基频式电子人工喉

摘要

本发明公开了一种基频可变式发声方法及自适应可变基频式电子人工喉,包括以下步骤：先收集使用者的生理信号并进行分析，获得该生理信号中的语速信息；再根据语音的语速信息生成基础正弦信号和语速相关正弦信号；然后将基础正弦信号和语速相关正弦信号进行频率调制，得到驱动信号；最后将驱动信号经放大后驱动微型电‑力转换系统工作，生成基频变化的语音。本发明能够采集患者的生理信号并分析得到患者的发音语速，然后根据发音语速调节电子人工喉的发声基频，从而使语音的基频产生变化并形成具有声调信息的电子人工喉语音，有效降低对基频的调控难度和患者的学习难度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子人工喉，特别是基频可变式发声方法及自适应可变基频式电子人工喉。

背景技术

由于疾病、外伤等原因，许多人不得不接受喉头切除术，从而导致术后患者的喉部被移除，声带受损或缺失，失去了发声功能。目前对喉头切除术患者的言语康复手段分为食管语音、食管-气管语音及电子人工喉语音三种。其中食管语音学习困难，发音短暂不连续，响度较低；食管-气管语音则需要二次手术，价格昂贵，维护困难，两者均难以被患者接受。而电子人工喉语音相比前两者具有发音连贯，声音洪亮，学习简单等优点，是目前最流行的言语发声类康复辅具。

但目前的电子人工喉语音仍存在基频单一，语音机械，辐射噪声大等缺点，特别是对于以汉语作为母语的患者而言，由于电子人工喉无法发出具有汉语声调的语音，使患者通过电子人工喉语音正确表达思想受到了巨大的阻碍，限制了电子人工喉的应用。虽然随着对电子人工喉的研究，有大量研究提出使用手指压力、表面肌电、气流气压等生理信号调节电子人工喉的发声基频，使语音具有声调变化，该这种发声方法都存在基频调控复杂、学习困难等缺陷，限制了其实际应用。因此，现有的电子人工喉存在语音基频单一、基频调控复杂的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基频可变式发声方法及自适应可变基频式电子人工喉。它能够根据患者的发音语速调节电子人工喉的发声基频，从而使语音基频产生变化并降低对基频的调控难度。

本发明的技术方案：基频可变式发声方法，包括以下步骤：

①收集使用者的生理信号并进行分析，获得该生理信号中的语速信息；

②根据语音的语速信息生成基础正弦信号和语速相关正弦信号；

③将基础正弦信号和语速相关正弦信号进行频率调制，得到驱动信号；

④将驱动信号经放大后驱动微型电-力转换系统工作，生成基频变化的语音。

前述的基频可变式发声方法中，所述步骤①中的生理信号包括使用者的语音信号，通过语音分割算法计算语音信号中前后两个音的间隔形成语速信息。

前述的基频可变式发声方法中，所述步骤①中的生理信号包括使用者两颊肌肉的表面肌电信号，通过提取表面肌电信号的平均峰值间隔形成语速信息。

前述的基频可变式发声方法中，所述步骤②中语速相关正弦信号的频率为语速的0.5倍，所述基础正弦信号的频率为60～80Hz。

前述的基频可变式发声方法中，所述步骤③中频率调制方法具体是将基础正弦信号的频率和语速相关正弦信号相乘，生成驱动信号。

实现前述的基频可变式发声方法所用的自适应可变基频式电子人工喉，

包括语音分析系统，用于采集使用者的生理信号，并提取生理信号中的语速信息；

驱动系统，用于分析语速信息中的语速变化，生成驱动信号，并将驱动信号放大后驱动微型电-力转换系统；

微型电-力转换系统，用于将驱动信号转化为机械振动，发出电子人工喉语音。

前述的自适应可变基频式电子人工喉中，还包括电源模块和控制开关。

前述的自适应可变基频式电子人工喉中，所述语音分析系统包括：

生理信号采集模块，用于采集使用者的生理信号，并将采集到的模拟信号转换为数字信号并提供至信号处理模块；

信号处理模块，用于提取生理信号中的语速信息。

前述的自适应可变基频式电子人工喉中，所述生理信号采集模块包括麦克风和/或肌电采集电极。

前述的自适应可变基频式电子人工喉中，所述驱动系统包括：

单片机，用于根据提取得到的语速信息生成变化的语速相关正弦信号和基础正弦信号；

基频生成模块，将语速相关正弦信号和基础正弦信号进行频率调制，合成驱动信号；

信号放大电路，将驱动信号的功率放大后驱动微型电-力转换系统正常工作。

与现有技术相比，本发明通过对使用者的生理信号进行分析得到语速信息，并根据语速信息对微型电-力转换系统发出的语音基频进行调制，从而使微型电-力转换系统能够发出基频变化的语音，而利用基频特征与普通话的声调间接对应的特性，则使语音的基频在变化后形成具有声调信息的电子人工喉语音，有效提高电子人工喉语音的发声质量和可懂度；且利用生理信号进行基频调制的方式，相比现有的基频调节方法能够有效降低对基频的调控难度和使用者的学习难度；在此基础上，本发明进一步优化了对生理信号的提取和语速信息获取方法，以及对语速信息的转换和基频调制方法，从而使各控制模块均能够集成在电子人工喉内，提高了本发明的便捷性和使用效果。所以，本发明能够根据患者的发音语速调节电子人工喉的发声基频，从而使语音基频产生变化并降低对基频的调控难度。

附图说明

图1是自适应可变基频式电子人工喉的结构示意图；

图2是语音分析系统的结构示意图；

图3是驱动系统的结构示意图；

图4是实施例1的外形图；

图5是本发明的工作流程图；

图6是实施例2的外形图。

附图中的标记为：1-语音分析系统，2-驱动系统，3-微型电-力转换系统，4-电源模块，5-控制开关，6-生理信号采集模块，7-信号处理模块，8-单片机，9-基频生成模块，10-信号放大电路，11-电子人工喉语音，12-基础正弦信号，13-语速相关正弦信号，14-驱动信号，15-发声基频。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。基频可变式发声方法，包括以下步骤：

①收集使用者的生理信号并进行分析，获得该生理信号中的语速信息(即使用者每秒钟发音个数)；

②根据语音的语速信息生成基础正弦信号和语速相关正弦信号；

③将基础正弦信号和语速相关正弦信号进行频率调制，得到驱动信号；

④将驱动信号经放大后驱动微型电-力转换系统工作，生成基频变化的语音。

所述步骤①中的生理信号包括使用者的语音信号，通过语音分割算法计算语音信号中前后两个音的间隔形成语速信息。

所述步骤②中语速相关正弦信号的频率为语速的0.5倍，所述基础正弦信号的频率为60～80Hz。

所述步骤③中频率调制方法具体是将基础正弦信号的频率和语速相关正弦信号相乘(振幅调制)，生成用于驱动的基频信号(即驱动信号)。

实现所述的基频可变式发声方法所用的自适应可变基频式电子人工喉，构成如图1所示，包括

语音分析系统1，用于采集使用者的生理信号，并提取生理信号中的语速信息；

驱动系统2，用于分析语速信息中的语速变化，生成变化的驱动信号，并将驱动信号放大后驱动微型电-力转换系统；

微型电-力转换系统3，用于将驱动信号转化为机械振动，发出电子人工喉语音；该微型电-力转换系统可选用专利200910090549.3中所用的可调控的微型电－力转换部分。

所述的自适应可变基频式电子人工喉还包括电源模块4和控制开关5，电源模块4为整个系统提供电源，控制开关5控制整个系统的开关。

所述语音分析系统1，构成如图2所示，包括：

生理信号采集模块6，用于采集使用者的生理信号，并将采集到的模拟信号转换为数字信号并提供至信号处理模块；

信号处理模块7，用于提取生理信号中的语速信息。

所述生理信号采集模块6，构成如图4所示，包括麦克风，所述驱动系统2、微型电-力转换系统3和信号处理模块7均集成在电子人工喉内，麦克风经连接导线连接电子人工喉。

所述驱动系统2，构成如图3所示，包括：

单片机8，用于根据提取得到的语速信息生成变化的语速相关正弦信号和基础正弦信号；

基频生成模块9，将语速相关正弦信号和基础正弦信号(即基频控制频率)进行频率调制，合成驱动信号；

信号放大电路10，将驱动信号的功率放大后驱动微型电-力转换系统正常工作。

所述的自适应可变基频式电子人工喉的工作流程图如图5所示，本实施例在工作时，使用者按下控制开关5，微型电-力转换系统3振动，使用者控制口型发出电子人工喉语音11。然后由麦克风接收到使用者发出的电子人工喉语音11，再由语音分析系统1对该语音信号进行分析，获得语音的语速信息。再由单片机8根据语速信息生成基础正弦信号12及语速相关正弦信号13。然后由基频生成模块9将基础正弦信号12和语速相关正弦信号13相乘，生成驱动信号14。再将驱动信号14经信号放大电路10放大后驱动微型电-力转换系统工作，令使用者发出基频变化的语音，从而形成闭环的自适应基频改变。语音的基频变化规律如发声基频15所示，当语速相关正弦信号为语速的0.5倍时，使用者发出的每个音的时长约对应0.5个正弦信号，其基频特征与汉语普通话四声调可间接对应，从而使发出的电子人工喉语音具有声调信息。

实施例2。基频可变式发声方法，包括以下步骤：

①收集使用者的生理信号并进行分析，获得该生理信号中的语速信息；

②根据语音的语速信息生成基础正弦信号和语速相关正弦信号；

③将基础正弦信号和语速相关正弦信号进行频率调制，得到驱动信号；

④将驱动信号经放大后驱动微型电-力转换系统工作，生成基频变化的语音。

所述步骤①中的生理信号包括使用者两颊肌肉(一般为舌骨上肌群)的表面肌电信号，通过提取表面肌电信号的平均峰值间隔形成语速信息。

所述步骤②中语速相关正弦信号的频率为语速的0.5倍，所述基础正弦信号的频率为60～80Hz。

所述步骤③中频率调制方法具体是将基础正弦信号的频率和语速相关正弦信号相乘，生成用于驱动的基频信号(即驱动信号)。

实现所述的基频可变式发声方法所用的自适应可变基频式电子人工喉，构成如图1所示，包括

语音分析系统1，用于采集使用者的生理信号，并提取生理信号中的语速信息；

驱动系统2，用于分析语速信息中的语速变化，生成变化的驱动信号，并将驱动信号放大后驱动微型电-力转换系统；

微型电-力转换系统3，用于将驱动信号转化为机械振动，发出电子人工喉语音；该微型电-力转换系统可选用专利200910090549.3中所用的可调控的微型电－力转换部分。

所述的自适应可变基频式电子人工喉还包括电源模块4和控制开关5，电源模块4为整个系统提供电源，控制开关5控制整个系统的开关。

所述语音分析系统1，构成如图2所示，包括：

生理信号采集模块6，用于采集使用者的生理信号，并将采集到的模拟信号转换为数字信号并提供至信号处理模块；

信号处理模块7，用于提取生理信号中的语速信息。

所述生理信号采集模块6，构成如图6所示，包括肌电采集电极，所述驱动系统2、微型电-力转换系统3和信号处理模块7均集成在电子人工喉内，肌电采集电极经连接导线连接电子人工喉。

所述驱动系统2，构成如图3所示，包括：

单片机8，用于根据提取得到的语速信息生成变化的语速相关正弦信号和基础正弦信号；

基频生成模块9，将语速相关正弦信号和基础正弦信号进行频率调制，合成驱动信号；

信号放大电路10，将驱动信号的功率放大后驱动微型电-力转换系统正常工作。

与实施例1的不同之处在于，本实施例利用肌电采集电极获取使用者的表面肌电信号并分析得到语速信息，使本发明能够形成两种不同结构的自适应可变基频式电子人工喉，并实现相同功能的基频可变式发声方法。