声带振动发声效率测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属生物医学仪器领域，具体涉及一种基于空气动力学原理的多功能的声带振动发声效率测量系统。
【背景技术】
[0002]在语音产生过程中，声带是最重要的发音器官，但同时也是最易产生损伤和病变的部位。发声时，声带振动将空气动力学能量转化为语音声学能量，这种能量的转化效率被定义为发声效率。发声效率与声带的生理结构、发声方式等因素有关，实时准确测量发声效率对于发声生理研宄和嗓音病理分析都具有重要意义。
[0003]目前国内外主要采用两类方法对发声效率进行测量。一类是侵入式的直接测量方法，主要采用跨声门压导管和食管气球的侵入性方法直接测量声门下压，进而计算发声效率。另一类是非直接式的估算方法，主要包括声门下压测量法、声门气流AC/DC比方法和波流指数法。前一类方法具有侵入性，其应用范围受到了一定的局限。后一类方法是估计值，其单一的计算方式导致测量精确性受到一定的影响。现阶段国内的发明专利主要包括声带三维重建的发声效率估算方法(CN200610042807)和对数比声门发声效率的测量方法(CN90216122)。前者需要对声带表面情况进行三维重建，其测量的实时性受到了一定的限制。后者主要是对声门发声效率进行测量，其估算方式比较单一，有效性受到一定限制。
[0004]目前对发声效率的研宄和探索还处于初步阶段。首先，这些研宄主要集中于具体方法的提出和论证，而缺乏专有测量系统的研发和应用。其次，对声门气流、声门下压和声级等重要参数的计算也往往集中于后期数据的处理，而缺乏实时准确的测量和显示。因此，本发明提出一种基于单片机的便携式发声效率测量系统，能够对空气动力学相关参数及发声效率进行实时测量和动态显示，并且采取双维度联合估计的形式，提高了发声效率测量和评价的准确性。目前并无相关专利。
【发明内容】
[0005]针对上述缺陷或不足，本发明提供了一种声带振动发声效率测量系统，能够准确测量人体发声效率及其相关空气动力学参数，并能够对肺活量和周围环境噪声进行测量。
[0006]为达到以上目的，本发明的技术方案为:
[0007]一种声带振动发声效率测量系统，包括:传感器模块、信号预处理模块、中央控制模块、单片机与pc机交互模块和处理模块；
[0008]传感器模块，用于按照预设频率采集发声者的特征信号，所述特征信号包括声门下压、声门气流和声级；
[0009]信号预处理模块，用于对采集到的特征信号进行预处理；
[0010]中央控制模块，用于设置特征信号的采集频率、功能选择以及显示特征信号的参数值；
[0011]单片机与PC机交互模块，用于将特征信号的参数值传输到处理模块；
[0012]处理模块，用于接收特征信号，通过声门下压法和波流指数法分别对特征信号进行计算，获得两种算法下的发声效率，并以声门下压法测量结果为横坐标，以波流指数法测量结果为纵坐标建立声带振动发声效率坐标图。
[0013]还包括AD转换模块和键盘输入模块，键盘输入模块与AD转换模块的输出端与中央控制模块相连，键盘输入模块通过中央控制模块进行AD转化模块通道选择和采样率的控制具体包括:
[0014]当选择功能为肺活量测量时，AD转换模块完成对口腔气流信号的采样并利用液晶显不屏完成结果的显不;
[0015]当选择功能为环境噪声检测时，AD转换模块完成对声级信号的采样并利用液晶显不屏完成结果的显不;
[0016]当选择功能为发声效率测量时，AD转换模块依次完成对口腔气流、口腔气压和声级的顺序采样并通过单片机PC机交互模块将数据上传到PC机上。
[0017]所述传感器模块包括:口腔气压传感器、口腔气流传感器和麦克风。
[0018]所述信号预处理模块包括前置放大电路，低通滤波电路和工频滤波电路；传感器模块的输出端与前置放大电路的输入端相连，前置放大电路的输出端与低通滤波电路的输入端相连，低通滤波电路的输出端与工频滤波电路的输入端相连，工频滤波电路的输出端与中央控制模块的输入端相连。
[0019]所述中央控制模块为单片机。
[0020]所述处理模块具体用于:
[0021]利用公式pi =p*v求取空气动力学能量，其中P为声门下压，V为声门气流；利用公式p2 = Α*10^1(ι*10_12求取语音发声能量，其中SPL为发声时测量到的声级，A为声能传播的面积；声门下压法的发声效率为Pl与Ρ2的比值；
[0022]波流指数法的计算发声效率为ε = g-ky，其中g为声级，表征的是声强，μ =201og(u/u0),表征声门气流强度，其中，u0为气流基准强度(10cm3/S)，u为测量到的平均声门气流，k为常量，取值为I。
[0023]以声门下压法测量结果为横坐标，以波流指数法测量结果为纵坐标建立声带振动发声效率坐标图。
[0024]一种声带振动发声效率测量方法，包括以下步骤:
[0025]I)、按照预设频率采集发声者的特征信号，所述特征信号包括声门下压、声门气流和声级；
[0026]2)、对采集到的特征信号进行预处理；
[0027]3)、将经过预处理后的特征信号传输到处理模块；
[0028]4)、处理模块接收特征信号，通过声门下压法和波流指数法分别对特征信号进行计算，获得两种算法下的发声效率，并以声门下压法测量结果为横坐标，以波流指数法测量结果为纵坐标建立声带振动发声效率坐标图。
[0029]所述步骤I)中利用气压传感器、气流传感器以及麦克分别采集声门下压、声门气流以及声级。
[0030]发声采用交替发清辅音与元音的方式进行特征信号参数采集。
[0031]所述步骤4)包括以下步骤:
[0032]4.1)利用公式pi = p*v求取空气动力学能量，其中P为声门下压，V为声门气流；利用公式p2 = A*10SIV1°*10_12求取语音发声能量，其中SPL为发声时测量到的声级，A为声能传播的面积；声门下压法的发声效率为Pl与P2的比值；
[0033]4.2)波流指数法的计算发声效率为ε = g-k μ，其中g为声级，表征的是声强，μ=201og(u/u0),表征声门气流强度，其中，u0为气流基准强度(10cm3/s), u为测量到的平均声门气流，k为常量，取值为I。
[0034]4.3)以声门下压法测量结果为横坐标，以波流指数法测量结果为纵坐标建立声带振动发声效率坐标图。
[0035]与现有技术比较比较，本发明的有益效果为:
[0036]本发明提供了一种声带振动发声效率测量系统，通过设置中央控制模块将采集到的特征信号输到处理模块通过声门下压法和波流指数法分别对特征信号进行计算，获得两种算法下的发声效率，并以声门下压法测量结果为横坐标，以波流指数法测量结果为纵坐标建立声带振动发声效率坐标图，本装置硬件系统基于单片机实现控制和测量，不仅操作简单，而且能够对测量结果进行实