用于自管理声音增强的方法和系统的制作方法
【专利说明】用于自管理声音增强的方法和系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年1月9日提交的第61/750, 779号临时申请的优先权。
【背景技术】
[0003] 本发明大体涉及听力学和数字声音工程学领域，具体涉及用于基于个性化听力简 况（profile)增强用户体验的系统和方法。
[0004] 听力损失已经被评估为发达国家最为常见的残疾。事实上，全世界有数百万人患 有听力障碍，其中的许多人并未意识到他们的听力损失。下降的听力能力可能是由包括年 龄、健康、职业、伤害、和疾病的许多因素造成的。听力的损失可导致生活质量的显著下降、 人际关系受损、就业机会减少以及生产力减弱。不同类型的听力损失及相关情况可通过不 同的方式影响人们的日常活动，特别是进行电话交谈和听音乐。
[0005] 通常，对高音调声音的听力灵敏度倾向于首先下降。人们通常不会意识到其听力 灵敏度的下降，直到他们遭遇听力问题，例如，难以听清电话中的交谈或者在嘈杂的环境中 有听力问题。对于听力退化的人们来说，他们的听力能力通常在大部分情况下是足够的。由 于他们听力损失的影响是可以忍受的，因此他们往往忽略这一点或找到解决的方法。他们 会避免在嘈杂的环境中进行电话交谈，并且不太可能寻求听力保健专业人员的帮助。
[0006] 听力明显损失的个人可以咨询听力保健专业人员，从而开取处方并获得助听器。 尽管佩戴助听器被认为是对听力损失患者侵入性很小的辅助技术之一，但它也并非没有任 何问题。在通过耳机进行电话交谈或享受音乐的过程中，使用助听器笨拙且不方便。使用 助听器的人们经常遭受到反馈，该反馈是由助听器的麦克风采集到的助听器输出的声音生 成的啸叫。
[0007] 与听力损失相关联的常见问题是耳鸣。耳鸣是源自头部（即，不存在外部声音源） 的声音的意识体验，并且可以表现为在一个或多个频率周围干扰其它声音的明显可听的铃 声。耳鸣是通常与年龄相关的听力损失一起观察到的常见情况和症状。已知耳鸣在不同程 度上通过许多不同方式对人产生影响。患有慢性耳鸣的一些人能够忽视这种情况，而其他 人则觉得耳鸣令人讨厌、打扰人、使人分心、甚至使人残疾。耳鸣可能会干扰睡眠，从而导致 情感抑郁以及综合健康方面的其它不利影响。
[0008] 很多耳鸣患者注意到他们的耳鸣会在不同的声音环境中变化；通常，在寂静的环 境中耳鸣会变得更令人厌烦，而在声音丰富的环境中则不那么令人讨厌。这一现象导致了 用于耳鸣治疗的声音疗法的发展。最常见的建议是通过丰富背景声音来"避免寂静"。这可 通过简单地播放一些背景声音或音乐来实现。更复杂的声音疗法涉及测量耳鸣信号的音高 和响度，并且提供能够通过耳机设备和声音发生器播放的信号。
[0009] 本发明的各方面之一为听力剖析（hearingprofiling)，特别是通过自管理式测 试的进行听力剖析。在听力剖析过程中，测量一组听力测定频率的最低可听听力水平。已知 有各种方法用于获得最低可听听力水平。然而，在特定情况下将听力剖析应用到听力增强 设备（如助听器、声音放大器、或者诸如MP3播放器、智能电话等的个人聆听设备）的过程 中，用户有时可能坚持调大或调小设备音量，以便充分地听见和理解由听力测试确定的以 其他方式增强的音频以及作为听力增强过程的一部分的在耳朵处的听力简况的相应修改。 一个问题是，在增强的音频中无意诱发的响度可能导致听力不适和损伤。人可能对某个声 音频率具有较高的容忍水平，而对另一频率的容忍水平较低。人和人的声音响度容忍简况 彼此不同。该差别在具有正常听力的人之间可能并不明显。然而，对于有不同程度听力损 伤（诸如，听力损失、耳鸣或带耳鸣的听力损失伴）的人来说情况就不同了。由于人们的声 音响度容忍简况的差异，所以不应把具有正常听力的人的听力曲线作为标准。因而，在不考 虑人的声音响度容忍简况的情况下对人的听力曲线进行调整可能会导致听力不适或损伤。
[0010] 为了充分地听见和理解如由音频增强过程控制的增强后的声音而简单地调高设 备音量可能是危险的。调高或调低设备的音量意味着以相同的因数放大或减小所有听力测 定频率的音频。人通常需要放大或减小有限范围的听力测定频率。调高或调低全部听力测 定频率的音频的响度可导致一系列听力问题。需要能对具有不同程度的听力损伤的各种声 音响度容忍简况进行处理的系统。更具体地说，需要对于本文提出的问题（诸如在电话交 谈或听音乐过程中的听力困难，以及由助听器的使用产生的反馈）的解决方案。
[0011] 传统"听力测试"需要校准设备来测量处于安静环境中的个人的听力阈值水平。因 而，从这种听力测试中获取的数据集代表了个人的听力阈值。
[0012] 为了使设备产生作为测试音的具体声音波幅，需要校准该设备与其换能器的组 合。这是因为，每个设备的电路和换能器或耳机具有影响声波的输出幅度的不同的频率响 应。这意味着，对于不同模式的设备和耳机，相同的电音频信号会产生不同幅度的声波。因 此，能够通过校准设备和耳机的组合来生成用于听力测试的、作为测试音的特定声波幅度。
[0013] 通过使用校准后的设备可产生一致的声波幅度，然后，可通过在隔音或安静 环境中找到一定频率范围上的阈值来获得听力水平的精准值，并且生成将表示对象的 听力阈值或听力图的"听力简况"。本发明人在该方面的工作已经在《国际听力学杂志 (InternationalJournalofAudiology)》第 5 卷第8 篇，第606-610 页（2012 年8 月）中 出版。由此，在设备中获取的数据然后可被用作参数，信号处理引擎可基于该参数来调整或 增强音频信号。
[0014]在开发过程中进行了实验，并且来自具有"正常"听力的人的实验结果以及来自 在一定频率范围上有听力损失的人士的结果表明，确实存在着十分重要的、在增强音频信 号时应被考虑的因素。这些因素包括耳机中的换能器和环境噪声。采用与校正过的（标 准）耳机不同的一系列不同耳机进行的进一步调查研宄确认了"换能器效应"的重要性。实 际上，任何电子元件，无论是替代另一元件还是添加到校正过的信号路径中或从校正过的 信号路径中移除，都会引起换能器效应。例如，发明人已发现，即使是于相同三星盖世平板 (SamsungGalaxyTab?)型号的两个单元，但是生产年份不同并且承载不同的声卡，也可 具有略微不同的音频特性。
[0015] 已发现的是，在使用不同耳机的情况下，所获得的相同用户的简况在不同的耳机 型号之间略有差异。与系统校正的耳机的换能器相比，该差异是由该耳机的换能器的不同 的频率响应造成的。
[0016] 在开发过程中进行的实验表明，背景环境噪声也会影响个人感知和理解声音信号 的能力。这是由背景噪声的"掩蔽效应"造成的。如果分析环境噪声，然后在音频信号增强 的过程中考虑环境噪声，那么环境噪声可被配置成向用户提供益处。
[0017] 通过考虑换能器效应和环境二者，除了所获得的阈值之外，还可收集和存储额外 的信息/数据。这些数据在数据采集时对所使用的换能器以及环境噪声成分是特定的。换 能器特性甚至可由用户来确定，从而在经历测试协议之前向该系统指示耳机的品牌/型 号。环境噪声可在测试期间单独进行采样和分析。
[0018] 鉴于以上内容，应理解的是，隔离特定用户的音频感知的特征需要考虑音频设备 的若干特性，以及控制或考虑环境噪声。这些要求增加了剖析系统中所需的数据采集和/ 或处理组件的复杂性。因此，需要一种为具体用户提供定制的增强声音的更实用和有效的 系统和方法。另外，不同的用户会有通过除频率特有的音频感知、舒适水平、或耳鸣之外的 其他考虑因素（包括例如个人的审美情趣）来确定的声音增强偏好。因而，还需要一种允 许用户从自动生成的默认增强信号开始手动调整设备的音频输出的声音增强系统。
【发明内容】
[0019] 根据本发明的一方面，提供了用于为听力受损个体生成通常正常的听力体验的系 统和方法。具体地，本发明包括获取人的音频听力特性，以生成个性化的听力学简况；分析 个性化的听力学简况；生成处理结果；以及然后自动增强来自音频再生装置的输出信号， 从而为该个体提供作为令人满意的音频体验的处理结果。
[0020] 在优选实施方式中，用于生成处理结果的听力学简况采用部分或全部圭经校准的 设备来获得。通过使用任何换能器在任何环境下找到一定范围的频率上的阈值来获取表示 为具体通路测量的、对象的"听力简况"的数据集。因而，所获取的数据会生成成形的"听觉 简况"，该"听觉简况"仅适用于在测量信号通路的环境中所测量的信号通路。然后，将该数 据集用做模板，信号处理引擎可根据该模板增强音频信号。该方法会有效地建立设备的电 子信号与在获取该成形简况的环境中从该设备生成的声音的用户听觉感知之间的关系。
[0021] 处理结果包括基于频率的响度增强和其他听力相关的特征的个体听力参数以解 决和补充个人的听力需求。该活动被实现为为尽可能靠近正常听力标准，同时保持安全裕 度，以防止可能引起不适或进一步听力损害的过度响度。个体用户可使用诸如MP3播放器 或智能电话的个人设备自行管理听力测试。个性化听力学简况通常包括以下内容：（1)每 个听力测定频率处的三个典型响度水平（即最舒适水平、不舒适水平以及最小可听水平） 的测量值；（2)来自具有耳鸣响度和音高的耳鸣测试的测量值；以及（3)用户的定制设置。 定制设置可包括适合于用户或由用户选择的、将在噪声学环境中实施的设置。本发明的这 方面对于寻求增强听力体验的任何个体都有用，无论是否具有在正常范围内的听力还是具 有受损的听力。因而，该系统作为助听器是很有用的。
[0022] 在【具体实施方式】中，可将本发明的单独功能并入单个多功能设备或多个设备中。 基于软件的系统可根据本发明在任何计算机化设备上实施，诸如，个人计算机、智能电话、 个人放大器或其与个性化的听力学简况的本地的、可去除的存储或远程存储的组合。基于 软件的系统执行多种功能。该系统获取频率特定的个人音频听力特性，并且分析这些特性 以生成个性化的听力学简况。该简况进行本地存储或远程存储，并随后被用作控制输入，以 增强来自适当的可编程声音再生装置的音频，诸如个人计算机、智能电话、个人放大器或其 组合，音频程序或类似源材料（例如，预先录制的音乐或电话通话）通过该可编程声音再生 装置再现。
[0023] 在音频再现设备中，信号处理包括：接收时域音频信号形式的音频程序材料；捕 获和分析声学环境的当前频率成分，从而由此生成反映随着该声学环境的变化而更新的周 围声音环境的当前环境简况；通过一组滤波器（诸如有限脉冲响应数字滤波器）将所存储 的个性化的听力学简况以及当前环境简况应用于音频程序材料，从而计算在预先选择的频 率处的一组期望的增益；修改音频程序材料；将修改的音频程序材料从时域转换到频域； 通过在每个听力学频率处对比修改的音频程序材料的响度容忍水平与个人的声音响度容 忍水平（在下文中还称为不舒适响度水平-UCL)来分析用于修改后的音频程序材料的响度 容忍水平；调整超出个体的UCL的选定频率处的响度以生成频域音频信号；将该频域音频 信号转换成其等效的时域音频输出信号；以及将时域音频输出信号传送至个体。音频听力 特性可进行本地存储或远程存储，并且听力特性的分析和处理以生成个性化的听力学简况 可在本地个人设备上执行和存储，或个性化的听力学简况可远程存储在通过诸如因特网连 接的中央听力处理中心处，并且在需要根据本发明的原理再现声音时重新取回。
[0024] 在本发明的各种实施方式中，本发明的原理可在存在诸如白色或有色噪声的环境 源、存在耳鸣条件或两者都存在的情况下应用于音频程序。
[0025] 根据本发明，耳鸣可以被缓和。耳鸣响度是指如通过从个体的耳鸣的强度减去耳 鸣的音高的最低可听水平计算的、个体耳鸣的感觉水平（