一种基于APP的声源空间定位能力检测系统的制作方法

本发明涉及电声技术领域，具体涉及一种基于app的声源空间定位能力检测系统。

背景技术：

现在由于噪声的污染、长期佩戴电子设备及社会老年化的加剧，越来越多人的听力能力正在不断下降甚至面临丧失的危险。受损听力人群的定位提示能力经常退化(由于听觉能力下降以及由于听力受损者佩戴的助听器的配置)，这意味着判断给定声音是从哪个方向过来的能力的退化。这给他们正常生活带来很大不便和危险，例如在道路上无法正确感知视觉不能及时达到的侧方和后方的来往车辆等。因此对空间定位能力丧失及早的发现和治疗，对于正在遭受听力损失的患者来说很有必要。

目前，对空间定位能力的检测和提供治疗及恢复手段虽然早有研究，但是大多还停留在实验室阶段。现有的空间听觉及恢复训练装置主要存在以下不足：

1、传统的听力检测设备操作起来费时费力，而且昂贵仪器对于一些普通医院来说成本高昂不利于普及。

2、听力筛查必须使用特定设备和工具，必须聘用有专业训练的人员来操作，进行空间声源定位还需要搭建一套复杂的扬声器阵列以及配套的控制系统。

3、随着人口老年化的加剧，听力损失的患者中老年人所占比例最大，对于一些年长和身体不便的患者来说出行难度较大。

技术实现要素：

针对上述不足之处，提供了一种基于app的声源空间定位能力检测系统。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于app的声源空间定位能力检测系统，包括app客户端、服务器、计算机管理终端，app客户端通过服务器与计算机管理终端通信连接；所述app客户端包括空间听觉检测和对空间定位能力损伤的人群通过虚拟声源定位进行恢复训练、进行测试环境声学参数的采集、录入受试者信息、操作训练、检测模块和数据发送；

采集测试环境声学参数，用于实时采集测试环境的背景噪声并判断是否合适实验；

录入受试者信息包括在线填写用户的注册信息，所述用户注册信息包括姓名、年龄、性别、听阈阈值、电话和听力情况；

操作训练，用于使受试者熟悉app客户端的操作及熟悉虚拟的空间声源；

检测模块，用于对受试者空间定位能力的检测和训练，并能通过不同信噪比的背景噪声模拟不同噪声环境；

数据发送，主要发送注册信息和声源位置信息至服务器存储；

所述服务器主要用于对接收的数据进行整理，将接收的受试者所选位置和虚拟空间声源的真实位置以列表的形式进行储存，并作为app客户端和计算机管理终端之间数据传输的中转站；

所述计算机管理终端用于管理受试者信息、替换或删除听音信号、下载分析实验数据和实验纠错。

进一步的，所述的app客户端还包括实验公告，实验公告包括告知实验目的、所需时长、受试者不适时采取的办法及实验场所。

进一步的，判断是否合适实验具体为：当背景噪声大于设定值的时，app客户端提醒不适合实验，建议选取安静的环境进行测试；当背景噪声不大于设定值的时，判定满足实验条件。

进一步的，app客户端的空间听觉检测过程为：

1)、提供训练声源让受试者熟悉空间中的虚拟声音；

2)、随机播放水平方向上某一位置的虚拟声音，其中，该虚拟声源为检测模块中的检测声源；；

3)、受试者在app客户端界面上选择感知位置，app客户端自动记录所选位置及虚拟声音的真实位置信息并将数据发送至服务器储存。

进一步的，所述服务器包括数据接收和存储模块；

数据接收，用于接收所述app客户端发送的注册信息及位置信息；

存储模块，用于存储受试者信息及实验数据，将接收的受试者所选位置和真实位置以列表的形式进行储存。

进一步的，所述计算机管理终端具体包括信息管理、音频管理、结果汇总、安全管理模块，其中：

信息管理，用于实现对受试者信息的管理及实验检测和纠错；

音频管理，用于app客户端所需音频的替换或删除；

结果汇总，用于统计每个受试者的实验数据，便于导出和分析；

安全管理模块，用于实现对受试者数据的安全进行保障。

进一步的，所述检测模块中包括四种检测声源，分别为纯音、信噪比为0、5、10的包含背景噪声的纯音。

进一步的，每种检测声源均有24个声音片段，每个声音片段表示不同方位的虚拟声音。

进一步的，app客户端的声传播过程采用线性时不变系统进行信号处理，hrtf作为线性时不变系统的传输函数，通过传输函数进行滤波，得到的双耳信号：

其中，e0为单通路的频域信号，el和er分别为左耳和右耳信号，r表示点声源与头中心，即坐标原点o之间的距离，方位角θ是坐标原点o到声源s的方向矢量在水平面的投影与y轴的夹角，θ的取值范围是0°≤θ≤360°。仰角是声源方向矢量与水平面的夹角，其取值范围是f表示的是声源频率，a表示的是生理结构参数(包括头部、躯干等生理结构的形状和尺寸等参数)，不同个体间的a是不一样的。

本发明包括但不限于支持静态虚拟听觉重放和动态虚拟听觉重放下的虚拟声源定位，也支持扬声器重放的真实声源定位，该app客户端可作为数据的采集平台。

本发明通过智能手机屏幕上选点可适用于绝对声源位置(方向和距离)的心理声学行为学测试，也可以通过二下一上等判别方式用于相对距离判断的辨别实验，通过在屏幕上抓取受试者选择的点的方向和距离可广泛适用于类似实验的心理声学测试。

本发明系统主要实现在远端进行声源空间听觉定位的数据采集，为听音者提供一个完备的自反馈实验网络(从实验条件输入、信号选择、听音定位行为学实验和定位结果的判断，均由受试者独立完成)，从而减小其他干扰因素对实验结果的影响；另一方面，该系统可以提高声源空间定位的效率，适合用于远程或者大规模受试者的声源空间听觉定位的初步检测，为声源定位听力学的研究提供一个科学、高效的实验平台。

本发明和现有技术相比，具有的有益效果为：

(1)本发明的app客户端，安装便捷操作简单，将空间听觉检测和恢复训练所需的信号集成到便携式智能手机上，不需要专业的人员和设备，可以对大量人群进行筛查，不受时间地点限制，成本低、便于普及。

(2)app客户端与服务器通信连接，能够实现位置数据的实时同步，可以实时存储和反馈所选位置和真实位置的数据信息，在做恢复训练时起到很好的反馈修正作用。

(3)本发明提供的管理客户端，用户可以随时调阅自己的检测结果，掌握自己的听力水平。对于科研工作者来说，通过对整个数据库的分析，能够掌握各年龄段的听力情况并分析原因给出相应指导意见。

附图说明

图1是本实施例空间听觉检测系统的结构示意图；

图2是本实施例app客户端位置选择的界面示意图；

图3是本实施例一种基于app的声源空间定位能力检测系统示意图；

图4是本实施例虚拟自由场声像的示意图；

图5是本实施例空间听觉检测的流程图；

其中：1-app客户端，2-服务器，3-管理客户端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的目的、技术方案及优点进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式不仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

本发明作为一套独立的声源定位能力测试系统可不受时间地点的限制用于受试者测试数据的采集。

如图1和图3所示的一种基于app的声源空间定位能力检测系统，包括与互联网通信连接的app客户端1、与所述app客户端1通信连接的服务器2、与所述服务器2通信连接的管理客户端3即计算机管理终端。

所述app客户端1包括空间听觉检测、对空间定位能力损伤的人群通过虚拟声源定位进行恢复训练、进行测试环境声学参数的采集、受试者信息录入、操作训练、检测模块、实验公告和将实验数据发送至服务器2的功能；

采集测试环境声学参数，用于实时采集测试环境的背景噪声并判断是否合适实验；当背景噪声大于40db时提醒不适合实验，建议选并判断是否合适实验；测试；当背景噪声不大于40db时判定满足实验条件可进行后续步骤。

受试者信息录入，用于在线填写用户的注册信息，所述用户注册信息包括姓名、年龄、性别、听阈阈值、电话和听力情况；

操作训练，用于使受试者熟悉app客户端1的操作及熟悉虚拟的空间声源；

检测模块，用于对受试者空间定位能力的检测和训练，并能通过不同信噪比的背景噪声模拟不同噪声环境；

数据发送，用于发送注册信息、受试者选择的声源位置和声源实际位置至服务器2存储；

实验公告，用于告知实验目的。本实验基于科学研究的目的采集不同人对于水平面声源方位判断的数据、所需时长，实验总时长约为90分钟。实验场所：尽量选取较安静的环境如无噪声的卧室或者办公室，出现头晕恶心时立即停止实验；

app客户端1的空间听觉检测过程为：

1)、app客户端1提供训练声源让受试者熟悉空间中的虚拟声；

2)、随机播放水平方向上某一位置的虚拟声音，该虚拟声源为检测模块中的检测声源；

3)、受试者在app客户端1界面上选择感知位置，app客户端1自动记录所选位置及真实位置信息并将数据发送至服务器2储存。

用户在使用的时候，首先通过实验公告了解本实验的基本信息，使得受试者有一定的心里准备并选择合适的地点(如无噪声的卧室或者办公室)以提升结果的精度。测试环境声学参数的采集可以提醒受试者测试环境的背景噪声是否适合实验(背景噪声大于40db时提醒不适合实验)，以保证测试结果的可靠性。通过对个人相关信息的录入，在服务器2中形成该用户的一个存储地址，用于存储该用户同步上传的数据。在正式实验开始前的操作训练是用来帮助用户熟悉软件的操作方法，感受通过耳机播放的虚拟声源的方向，在实验开始前提供一个熟悉的过程。在检测模块中，受试者可以选择不同信噪比的测试方案，检测在不同强度的背景噪声下的定位能力。通过数据发送，实时保存采集的数据信息，方便后续下载分析。

app客户端1的位置选择界面如图2所示，转盘中间是人物的位置，外围转盘是刻画水平面上围绕人一圈的刻度，以3°为间隔，其中上方0°所在的位置为正前方。当受试者感知到某一方位的声源时，拖动频幕转盘上的小圆圈到感知方向，人物下方的当前角度会实时显示所选取的度数，其精度为1°，松手后还会出现一个确认或者返回的界面。如果选择返回则可以重新选择感知方向防止错选，如果选择确定则保存所选数据进入下一个信号测试。

所述服务器2包括数据接收和存储模块，数据接收主要用于对接收的数据进行整理，具体为接收所述app客户端1发送的注册信息及位置信息；存储模块，用于存储受试者信息及实验数据，将接收的受试者所选位置和真实位置以列表的形式进行储存。

该服务器2作为app客户端1和计算机终端之间数据传输的中转站，既能对注册模块的用户信息进行管理，还能对检测模块用户所选择得数据进行列表保存，便于后期导出。

所述计算机管理终端用于管理受试者信息、替换或删除听音信号、下载分析实验数据和实验纠错；具体包括信息管理、音频管理、结果汇总、安全管理模块，其中：

信息管理，用于实现对受试者信息的管理，包括姓名、性别、年龄、听力情况、双侧纯音听阈阈值、手机号码，可对有误的地方进行修改，对进行实验检测和纠错；

音频管理，用于app所需音频的替换或删除等；

结果汇总，用于统计每个受试者的实验数据,，便于导出和分析。对每个受试者结果汇总整理，检测数据是否有误，对于误操作的数据进行剔除，对于缺失的数据及时补做实验；

安全管理模块，用于实现对受试者数据的安全进行保障；

为保证受试者实验数据的安全，管理员在管理客户端3通过密码登陆后，方可按日期或者姓名查看受试者的实验数据，对实验中出现的错误进行删除或修改等处理。对于服务器2上保存的声源文件也可根据需要进行替换或者删除等操作，在本发明系统上进行其它条件下的定位实验，例如探讨频率、响度、个性化与非个性化hrtf下的定位差异。

图4是虚拟自由场声像的示意图，根据信号与系统理论，可以将声传播的过程视为线性时不变系统，其中，声源信号为输入，左耳或者右耳的声信号为输出，hrtf为线性时不变系统的传输函数。因此，将声源信号和hrtf为进行时域卷积(或频域相乘)就可以合成人耳处的声信号。空间的某一个声源，与一对hrtf数据(左右耳各一个数据)对应；不同空间方位对应不同的hrtf对。在双耳信号合成中，将不同方位的hrtf与声源信号卷积，就可以模拟来自不同空间方位的声事件。由于双耳声信号包含了声音的主要信息，因而可通过人工模拟双耳声信号并用耳机或扬声器重放，使倾听者产生犹如置身于特定的声学环境的主观感觉。

将单通路的频域信号e0用一对hrtf进行滤波，得到的双耳信号：

其中，e0为单通路的频域信号，el和er分别为左耳和右耳信号，r表示声源与头中心之间的距离，即声源坐标原点与头中心坐标原点之间的距离；方位角θ是头中心坐标原点到声源s的方向矢量在水平面的投影与y轴的夹角，θ的取值范围是0°≤θ≤360°；仰角是声源方向矢量与水平面的夹角，其取值范围是f表示的是声源频率，a表示的是生理结构参数，该参数包括头部、躯干生理结构的形状和尺寸，不同个体间的a是不一样的。

本实施例的卷积过程为：hrtf数据库中读取时域数据，将单通路的频域信号e0与空间中一对hrtf相乘便得到相应位置上的双耳信号el、er，再通过扬声器重放将双通路信号反别馈给左右耳，便让受试者产生了空间听觉感。通过主观的判断对位置进行判定，在界面上选取对应的位置；hrtf数据库是虚拟声合成的基础。

空间听觉检测的流程如图5所示，在开始检测之前，用户根据自己听力情况在app客户端1上选择一个舒适的声音音量，以便以最好的状态进行检测。

在开始检测之前还有一个操作训练过程，让用户知道实验流程及怎么使用平板选点，从而适应虚拟声源及熟悉app客户端1界面的操作。

app客户端1的检测功能是通过检测模块来实现的，该检测模块中包含纯音、信噪比为0、5、10的包含背景噪声的纯音共四种检测声源，其作用是用来模拟不同强度的环境噪声。受试者可对四种检测声源进行选择。

每组检测声源均包含24个不同方位的虚拟声音，在一个圆周360°中以15°为间隔分为24个声音片段a1-a24，然后分别生成一个随机序列，该序列将a1-a24这24个声音片段每个片段都被包含，按此序列进行声音播放，用户可以不断的重复播放，直到在app客户端1的界面上做出选择，其选择位置和声源实际位置会实时同步到服务器2中。

在一个检测声源选择完成后本发明系统会判断该组所有声音片段和四组检测声源是否完成，当所选组声音片段未播放完时继续播放剩余片段，当该组所有声音片段播放完成后判断四组检测声源是否全部完成，如未完成则选取未播放声源组继续实验，直到检测结束。

在检测结束后，用户可以通过管理客户端3获取检测结果，主要是本身输入的位置数据及对应的真实位置数据，通过二者的对比及时掌握自身的听力情况。

可以将本发明系统作为控制声源播放和结果判别(坐标选点)的平台。无论是修改服务器2中保存的音频信号，还是用扬声器进行声源定位相关的实验，该系统均可以作为一个控制器来控制音频设备播放声信号然后在界面上进行选点操作，如图2所示。这样与传统声源定位的测试方法相比既能提升实验效率、减少人力投入又能减少人为因素对结果的影响。

从上述实施例可见，本发明系统可以随时随地的为有需要的人群进行空间听觉检测，效率高、成本低、易于普及，使听力出现问题的用户能及早发现并采取相应治疗措施。整个系统操作简单，页面清晰，新用户在经过简单的训练后就能熟练的应用。相对于传统实验室的扬声器阵列，用户不与要大的投资也不需要被限定在特定的地点，极大的方便了用户的使用。

本发明还可以有其它多种实施例，上述具体实施方式是对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所作出的任何修改、补充和等同替换登，均应包含在本发明的保护范围之内。