基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统

摘要

本发明公开了一种基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统,包括：电源模块(1)，用于为整个系统提供电源；声门波存储单元(2)，用于以数字形式存储患者原始发音的声门波信号(13)；驱动系统(3)，用于调节声门波信号(13)的频率以及声门波信号(13)和载波正弦信号(12)的幅度，以驱动声学参量阵(5)发声；载波发生器(4)，用于产生与声学参量阵(5)使用的超声换能器中心频率一致的载波正弦信号(12)；声学参量阵(5)，用于发射调幅后的超声波；控制开关(6)，用于控制整个系统。本发明不会产生辐射噪声，具有个性化特征，且语音清晰易懂。

说明书

技术领域

本发明涉及一种语音缺失患者的语音助讲系统，特别是一种基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统。

背景技术

喉头切除术是喉癌终末期患者的唯一治疗选择，手术切除了患者的喉部和声带，使患者成为“无喉者”。声带振动发声形成声源(声门波)，在语音产生系统中起着举足轻重的作用，声源的缺失，使无喉者丧失了语音功能，无法正常交流，生活质量严重降低，承受着巨大的身心痛苦。

现有技术中，电子人工喉是目前常用的语音助讲系统之一，电子人工喉利用音圈带动电枢撞击膜片振动产生声源，声音通过颈部组织传入声道再被调制为语音。这一设计不仅带来了严重的辐射噪声问题，重建的声源也与原始声门波差距极大，既存在语音机械，缺乏正常人声特征的问题，又存在语音可懂度低、发声效果不理想、可靠性较低的问题。

因此，现有的用于帮助语音患者的语音助讲系统，不仅存在辐射噪声问题，还存在缺乏正常人声特征、语音可懂度低的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统。本发明不会产生辐射噪声，具有个性化特征，且语音清晰易懂。

本发明的技术方案：基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统，包括：

电源模块，用于为整个系统提供电源；

声门波存储单元，用于以数字形式存储患者原始发音的声门波信号；

驱动系统，用于调节声门波信号的频率以及声门波信号和载波正弦信号的幅度，以驱动声学参量阵发声；

载波发生器，用于产生与声学参量阵使用的超声换能器中心频率一致的载波正弦信号；

声学参量阵，用于发射调幅后的超声波；

控制开关，用于控制整个系统。

前述的基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统中，所述载波正弦信号的频率范围为22kHz～100kHz。

前述的基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统中，所述的驱动系统包括：

频率调节模块，用于调节声门波信号的频率；

幅度调制模块，用于将声门波信号和载波正弦信号进行幅度调制，生成调制信号；

功率放大器，用于将调制信号功率放大，以驱动声学参量阵工作，发出超声波。

前述的基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统中，所述的频率调节模块调节声门波信号的频率变化范围为60Hz～180Hz。

前述的基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统中，所述的声学参量阵包括：

基板，用于为超声换能器阵列提供载体；

超声换能器阵列，由多个中心频率一致的超声换能器组成。

前述的基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统中，所述的超声换能器的中心频率为22kHz～100kHz。

前述的基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统中，所述的超声换能器阵列的排布为圆形阵或者矩形阵。

前述的基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统中，还包括外壳，外壳内设有控制电路板，声学参量阵通过驱动线束与控制电路板连接，声门波存储单元，驱动系统，载波发生器均集成在控制电路板上，控制电路板通过电源线与电源模块相连。

上述的基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统的使用方法，包括利用事先存储在声门波存储单元中的正常语音声门波信号，通过驱动系统与载波正弦信号幅度调制后驱动声学参量阵发出超声波，声学参量阵发出的超声波在患者体内自解调为声门波信号，使患者发出正常语音。

与现有技术相比，本发明利用声学参量阵在人体头颈部组织中产生具有尖锐指向性的低频声波可听声波，将适合无喉者发音特征的声门波信号加载在超声载波当中，利用声学参量阵技术在人体气管粘膜处解调，重建具有个人声门波特征的声源，在声道内重建具有发声者声门波特征的声源，由于声学参量阵声场的高度指向性，使该助讲系统不会产生辐射噪声，还原的声门波信息接近患者正常语音声门波，可大大提升无喉者语音的发音质量，发出的语音清晰，发音辨识度高、可懂度高，并增加个性化特征，发声效果理想、可靠度高、患者的接受度高。

因此，本发明不会产生辐射噪声，具有个性化特征，且语音清晰易懂。

附图说明

图1为根据本发明的结构框图；

图2为驱动系统的结构框图；

图3为声学参量阵的结构框图；

图4为声门波信号与载波正弦信号的一种幅度调制方法示意图；

图5为声学参量阵的一种结构示意图；

图6为本发明的结构示意图。

附图中的标记为：1、电源模块；2、声门波存储单元；3、驱动系统；4、载波发生器；5、声学参量阵；6、控制开关；7、频率调节模块；8、幅度调制模块；9、功率放大器；10、基板；11、超声换能器阵列；12、载波正弦信号；13、声门波信号；14、调制信号；15、超声换能器；16、驱动线束；17、控制电路板；18、电源线；19、外壳。

具体实施方式

下面结合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。

如图1所示，基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统，包括：电源模块1、声门波存储单元2、驱动系统3、载波发生器4、声学参量阵5和控制开关6。

其中，电源模块1，用于为整个系统提供电源；

声门波存储单元2，用于以数字形式存储患者原始发音的声门波信号；该信号可来自患者患病前正常语音，也可以来自其他与患者发音接近的正常人语音。

驱动系统3，用于调节声门波信号的频率，并调制声门波信号和载波正弦信号的幅度，再功率放大，以驱动声学参量阵5发出超声波；如图2所示，所述的驱动系统3包括：频率调节模块7、幅度调制模块8和功率放大器9。

其中，频率调节模块7，用于调节声门波信号的频率高低，该频率即为语音的发声基频；根据说话人发音基频高低，频率调节模块可设置声门波频率变化范围为60Hz～180Hz。幅度调制模块8，用于将声门波信号和载波正弦信号进行幅度调制，可以利用调幅算法将声门波信号调制在载波正弦信号上，生成调制信号；功率放大器9，用于将调制信号功率放大，以驱动声学参量阵工作，发出超声波。

载波发生器4，用于产生与声学参量阵5使用的超声换能器中心频率一致的载波正弦信号；所述载波正弦信号的频率范围为22kHz～100kHz。

声学参量阵5，用于发射调幅后的超声波；

如图3所示，所述的声学参量阵5包括：基板10和超声换能器阵列11，其中基板10，用于为超声换能器阵列11提供载体；超声换能器阵列11，由多个中心频率一致的超声换能器组成，所述的超声换能器的中心频率为22kHz～100kHz。所述的超声换能器阵列11的排布为圆形阵或者矩形阵。

控制开关6，用于控制整个系统的开、关。

上述的基于声学参量阵技术的病理语音助讲系统的使用方法，包括利用事先存储在声门波存储单元2中的正常语音声门波信号，通过驱动系统3与载波正弦信号幅度调制后驱动声学参量阵5发出超声波，幅度调制的超声波在介质中传播因为非线性效应会自解调，载波衰减，调制在上面的声门波留下，到达颈部位置，使患者发出正常语音。

本发明的工作原理：

图4为本发明中的声门波信号与载波正弦信号的一种幅度调制方法示意图。其中包括载波正弦信号12，声门波信号13，幅度调制模块8和调制信号14。载波正弦信号12为频率为40kHz的正弦信号，声门波信号13提取自患者语音信号，频率为75Hz。幅度调制模块8利用双边带幅度调制算法将载波正弦信号12和声门波信号13进行幅度调制，调制系数为0.6。生成的调制信号14为频率40kHz，上下边带加载75Hz声门波包络。

图5为本发明中声学参量阵的一种圆形阵的结构示意图，包括基板10和超声换能器阵列11。超声换能器阵列11由7枚中心频率为40kHz的超声换能器15组成，排列方式为圆形阵列(中心一枚，四周六枚)。基板10为电木材料带孔板，可安装超声换能器阵列11并允许导线通过。

图6为本发明的结构示意图，为手持式设备，包括外壳19，外壳19内设有控制电路板17，声学参量阵5通过驱动线束16与控制电路板17连接，声门波存储单元2、驱动系统3和载波发生器4均集成在控制电路板17上，控制电路板17通过电源线18与电源模块1相连。本实施例中电源模块1为2节3.7V的锂电池组成。上述部分均封装在外壳19内，控制开关6位于外壳19外侧，声学参量阵5顶在使用者的下颚皮肤处，使用者按下控制开关6，声学参量阵5即发出超声波，超声波在人体内自解调为低频的声门波，经口腔调制发出正常语音。