便攜式骨傳導(dǎo)助聽器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋卓越 張燕燕 陳晶一

摘? 要：當(dāng)今社會(huì)已經(jīng)步入信息化時(shí)代，聽覺是人類接受信息的主要途徑之一。骨傳導(dǎo)是通過(guò)信號(hào)的震動(dòng)將聲音直接傳遞到內(nèi)耳，而無(wú)須經(jīng)由外耳和中耳的傳遞，可以有效防止外界噪聲的干擾。通過(guò)對(duì)骨傳導(dǎo)助聽器的原理、技術(shù)、缺點(diǎn)及發(fā)展方向的分析研究，總結(jié)出便攜性是聽障人士選用助聽器的首選條件。而便攜式骨傳導(dǎo)助聽器，聽障人士佩戴起來(lái)更為便捷，使用效果更佳。故設(shè)計(jì)了便攜式骨傳導(dǎo)手環(huán)，能夠?yàn)楦嗟穆犝先耸繋?lái)方便。

關(guān)鍵詞：骨傳導(dǎo);助聽器;手環(huán)

中圖分類號(hào)：TP212? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）01-0031-05

Design and Implementation of Portable Bone Conduction Hearing Aid

SONG Zhuoyue，ZHANG Yanyan，CHEN Jingyi

（Shandong Huayu University of Technology，Dezhou? 253034，China）

Abstract：Nowadays，the society has entered the information age，and hearing is one of the main ways for human to accept information. Bone conduction is the transmission of sound directly to the inner ear through the vibration of signal，without the transmission through the outer and middle ear，which can effectively prevent the interference of external noise. Through the analysis and research on the principle，technology，shortcomings and development direction of bone conduction hearing aids，it is concluded that portability is the first choice for hearing impaired people to choose hearing aids. The portable bone conduction hearing aid is more convenient and effective for hearing-impaired people. So the portable bone conduction bracelet is designed，which can bring convenience to more hearing impaired people.

Keywords：bone conduction;hearing aid;bracelet

0? 引? 言

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（簡(jiǎn)稱“國(guó)創(chuàng)計(jì)劃”），包括創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目、創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目和創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目三大類。教育部決定在“十二五”期間實(shí)施國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃，旨在加快高等學(xué)校轉(zhuǎn)變教育思想觀念，深化人才培養(yǎng)模式改革，強(qiáng)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓(xùn)練，提高高校學(xué)生的創(chuàng)新能力及其在創(chuàng)新基礎(chǔ)上的創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才[1]。筆者申報(bào)的“便攜式骨傳導(dǎo)設(shè)備”獲批省級(jí)2020年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的立項(xiàng)并獲得資助資金，因此基于此項(xiàng)目展開相關(guān)研究與設(shè)計(jì)。

在查閱資料后發(fā)現(xiàn)，便攜式骨傳導(dǎo)手環(huán)的可行性具體體現(xiàn)在大數(shù)據(jù)所反映的用戶痛點(diǎn)及用戶需求，并且從設(shè)計(jì)原理上看，便攜式骨傳導(dǎo)手環(huán)切實(shí)可行。大數(shù)據(jù)顯示，2012年“第二次全國(guó)殘疾人報(bào)告”中聽力殘疾人數(shù)為3 960萬(wàn)，其中有887萬(wàn)患者為7歲以下兒童[2]，并且每年因?yàn)楦鞣N因素而導(dǎo)致的聾兒數(shù)量達(dá)3萬(wàn)之多。骨傳導(dǎo)技術(shù)作為一種助聽技術(shù)，已廣泛地被醫(yī)生用于治療因外耳或中耳長(zhǎng)期發(fā)炎、骨病或者先天性外耳功能障礙而導(dǎo)致失去聽力的病人。錢宇虹等對(duì)空氣和骨傳導(dǎo)聽性腦干反應(yīng)（Auditory Brainstem Response，ABR）測(cè)試做了研究[3]，強(qiáng)調(diào)它在新生兒感音神經(jīng)性耳聾的檢出及小耳畸形患者聽力水平的識(shí)別中具有重要的臨床表現(xiàn)。該技術(shù)也可用于傳導(dǎo)性耳聾、混合性聽力損失以及后耳蝸疾病的診斷，為快速準(zhǔn)確的診斷奠定良好的基礎(chǔ)。骨傳導(dǎo)技術(shù)可用于聽力障礙的人群，目的是使他們的生活更加便利。未成年人在佩戴傳統(tǒng)助聽器時(shí)會(huì)產(chǎn)生不適感，曾有患者使用潤(rùn)膚霜來(lái)緩解佩戴助聽器帶來(lái)的不適感，這種方法只能起到緩解作用，并不能解決實(shí)質(zhì)問題，長(zhǎng)時(shí)間佩戴后往往會(huì)令患者對(duì)傳統(tǒng)助聽器產(chǎn)生抵觸心理，更會(huì)影響其生活。骨傳導(dǎo)助聽器的特點(diǎn)在于可直接將聲音傳至內(nèi)耳，但由于骨傳導(dǎo)助聽器不但不夠美觀而且佩戴起來(lái)極其不舒適，因此很難被患者接受。為了解決這些問題，提高聽障人士的生活質(zhì)量，采用骨傳導(dǎo)技術(shù)與配飾相結(jié)合的方式，將骨傳導(dǎo)耳機(jī)作為配飾穿戴在患者身上。提高患者的接受度，是骨傳導(dǎo)助聽器擁有更好應(yīng)用前景的基礎(chǔ)。

1? 骨傳導(dǎo)助聽器的原理

助聽器的研究和發(fā)展，尤其是便攜式骨傳導(dǎo)助聽器的發(fā)展，給聽障人士帶來(lái)了很多便利，提高了他們的溝通質(zhì)量和水平。

當(dāng)今常見的助聽設(shè)備是采用空氣傳導(dǎo)的方式，聲音通過(guò)外耳、中耳傳入內(nèi)耳。骨傳導(dǎo)技術(shù)主要是利用振動(dòng)進(jìn)行傳導(dǎo)，直接在顱骨周圍產(chǎn)生振動(dòng)，相較于氣導(dǎo)助聽器，不需要經(jīng)由外耳、中耳這一個(gè)過(guò)程，即可將聲音直接傳到內(nèi)耳，就像人可以聽到自己咀嚼的聲音，這就是骨傳導(dǎo)的原理。

骨傳導(dǎo)路徑是顱骨、骨迷路、內(nèi)耳淋巴液、螺旋器、聽神經(jīng)、大腦皮層中樞神經(jīng)[4]。通常，正常人是不需要骨傳導(dǎo)的路徑獲取聲音的，但是當(dāng)空氣傳導(dǎo)的途徑發(fā)生問題，比如外耳或者中耳發(fā)生病變，就會(huì)降低空氣傳導(dǎo)的效果，產(chǎn)生聽力障礙，這時(shí)候就需要一種能夠避開外耳、中耳的傳導(dǎo)途徑，催生了骨傳導(dǎo)這一技術(shù)的誕生。

如圖1所示，骨傳導(dǎo)助聽器主要由五部分構(gòu)成。其中降噪芯片是評(píng)價(jià)助聽器性能的主要指標(biāo)。降噪芯片的功能主要是降低背景噪聲，控制聲音的動(dòng)態(tài)范圍，多頻段均衡以及自動(dòng)增益。

2? 骨傳導(dǎo)助聽器的技術(shù)分析

傳統(tǒng)骨傳導(dǎo)助聽器主要是將接收到的語(yǔ)言信號(hào)轉(zhuǎn)化為振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)通過(guò)經(jīng)皮裝置或穿皮裝置傳遞到顱骨，進(jìn)而進(jìn)入聽覺系統(tǒng)，最后使大腦得到聲音的信號(hào)。這也是骨傳導(dǎo)助聽器的基本原理，本設(shè)計(jì)也將依照于此，聲音轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖2所示。

當(dāng)前骨傳導(dǎo)助聽器的性能指標(biāo)一般為：當(dāng)聲壓為90 db時(shí)，輸出聲壓大于120 db，助聽器的內(nèi)部噪聲小于5 db，總諧波失真度≤0.03%，靈敏度為49 db。骨傳導(dǎo)助聽器的輸出聽力水平也與聽力障礙者的聽力損失程度有關(guān)。表1顯示了骨傳導(dǎo)助聽器的頻率與等效回路閥作用力水平之間的相關(guān)性。需要分析比較具體的參數(shù)來(lái)為聽障人士選擇合適的助聽器。

3? 便攜式骨傳導(dǎo)助聽器的缺點(diǎn)及發(fā)展方向

相較于傳統(tǒng)的助聽器，骨傳導(dǎo)助聽器有了跨越式的進(jìn)步，但我們也必須直面其不足之處，不斷地對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，這也是骨傳導(dǎo)助聽器未來(lái)的發(fā)展方向。

3.1? 關(guān)于助聽器佩戴時(shí)的舒適度問題

傳統(tǒng)骨傳導(dǎo)助聽器掛在耳朵上使用時(shí)會(huì)導(dǎo)致耳朵疲勞，耳背疼痛，會(huì)對(duì)耳朵造成不同程度的損傷和影響。一般的骨傳導(dǎo)助聽器都會(huì)有佩戴不方便，佩戴時(shí)間久了造成耳朵疲勞以及聲音傳達(dá)效率低的明顯缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)會(huì)對(duì)人的耳朵造成不同程度的損害，為了保護(hù)聽障人士的耳朵，他們更需要一種佩戴舒適、便于攜帶和聲音傳達(dá)效率高的骨傳導(dǎo)助聽器。

3.2? 關(guān)于骨傳導(dǎo)助聽器的便攜性

現(xiàn)在很多人出門都會(huì)佩戴智能手表，可將助聽器作為手環(huán)的表鏈穿戴，手環(huán)由于結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，可以限制手環(huán)的穿戴位置，使設(shè)備不容易滑落。

3.3? 關(guān)于骨傳導(dǎo)助聽器的安全性

放置在頭部的助聽器均帶有電池和線纜，電池在接觸不良受熱后容易發(fā)生爆炸，對(duì)人體造成致命的威脅。使用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，是未來(lái)耳機(jī)發(fā)展的方向。加入無(wú)線充電后可進(jìn)行無(wú)開孔設(shè)計(jì)，可以減少線材暴露，提高助聽器密封性，做到防塵防水。

3.4? 關(guān)于骨傳導(dǎo)助聽器的隔音性

現(xiàn)在的智能手表大多采用機(jī)身外部的聽筒接聽，這種方式很容易受到環(huán)境干擾，不能給用戶之間的溝通提供一個(gè)相對(duì)私密的環(huán)境。以骨傳導(dǎo)助聽器作為智能手表?yè)P(yáng)聲器，其獨(dú)特的傳聲結(jié)構(gòu)可以有效解決這一問題。

4? 便攜式骨傳導(dǎo)設(shè)備的設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有骨傳導(dǎo)設(shè)備技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)改良，通過(guò)對(duì)外形的改造使其成為更加舒適的可穿戴設(shè)備。

4.1? 外觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)傳統(tǒng)手環(huán)進(jìn)行改良，外觀使用3ds Max建模軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示。采用ABS外殼，手環(huán)部分采用TPU材質(zhì)，材質(zhì)比較柔軟而且抗油、耐磨、彈性好，能延長(zhǎng)手環(huán)的使用壽命。在手環(huán)的外殼部分設(shè)有多媒體按鍵，可對(duì)藍(lán)牙接收的音頻音量進(jìn)行放大或減小，也可以通過(guò)暫停按鍵接聽電話，不需要再拿出手機(jī)。在表帶上還有限制手環(huán)寬度的孔位，可以根據(jù)手腕的粗細(xì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于主體部分使用了較硬的材質(zhì)，在發(fā)聲部分采用了弧形的設(shè)計(jì)，使手環(huán)更加貼合手腕。如今，有許多人佩戴手表或智能手表，智能手表可以提醒人們工作相關(guān)的事情以及接收信息。但是一個(gè)智能手表造價(jià)較高，針對(duì)這些問題，我們?cè)谑汁h(huán)末端部分增加了表軸的設(shè)計(jì)，并且還在表帶上設(shè)計(jì)了表軸孔，可以將手環(huán)接在普通手表上。骨傳導(dǎo)手環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，實(shí)物圖如圖5所示。

4.2? 揚(yáng)聲器部分設(shè)計(jì)

骨傳導(dǎo)手環(huán)的揚(yáng)聲器與氣導(dǎo)揚(yáng)聲器的不同之處在于氣導(dǎo)揚(yáng)聲器通過(guò)磁性線圈帶動(dòng)振膜震動(dòng)產(chǎn)生聲音，通過(guò)空氣傳入內(nèi)耳。骨傳導(dǎo)振子沒有振膜，骨傳導(dǎo)振子由振子和殼體構(gòu)成，振子安裝在殼體內(nèi)部，振子和殼體之間有一定間隙空腔，振子中的磁性線圈帶動(dòng)振子的高頻率震動(dòng)。殼體需要和人體接觸，在殼體與人體接觸的部分采用硅膠材質(zhì)可大大減少殼體在振動(dòng)時(shí)對(duì)人體產(chǎn)生的不適感。

常規(guī)骨傳導(dǎo)助聽器的頻率響應(yīng)范圍一般在250～4 500 Hz范圍之間，考慮到平臺(tái)的覆蓋性，發(fā)聲單元頻率范圍設(shè)計(jì)為100～8 000 Hz[5];并且為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及測(cè)試重復(fù)性，恒定聲壓偏差控制在1 dB以內(nèi)。本設(shè)計(jì)中提到的骨傳導(dǎo)設(shè)備采用的骨傳導(dǎo)振子最低共振為250 Hz±20%，頻響范圍為250 Hz～20 kHz，靈敏度為87 db。選擇的骨傳導(dǎo)振子參數(shù)均高于骨傳導(dǎo)助聽器選擇標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)，選擇這種骨傳導(dǎo)振子能夠更好地還原手機(jī)或手表傳出的聲音。

4.3? 主板部分的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸部分作為藍(lán)牙設(shè)備的核心部位，需要做到低功耗，占用更小的面積，所以采用低功耗藍(lán)牙芯片BC6130 QFN，當(dāng)手機(jī)APP檢測(cè)到藍(lán)牙模塊后會(huì)與藍(lán)牙模塊配對(duì)連接。這一顆藍(lán)牙芯片最低支持藍(lán)牙2.1的版本，可以在版本比較落后的手機(jī)中使用。此芯片集成了藍(lán)牙的射頻和基帶協(xié)議外接存儲(chǔ)器，使用提供的固件可以完全實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音的通信。BC6130 QFN這一款芯片是一種超低功耗、價(jià)格低廉，適用于入門級(jí)的單聲道藍(lán)牙設(shè)備無(wú)線傳輸?shù)慕鉀Q方案，與BlueVox2引腳兼容，并且支持兩個(gè)設(shè)備同時(shí)連接一個(gè)藍(lán)牙耳機(jī)[6]。具體引腳連接位置如圖6所示。

4.4? PIFA天線設(shè)計(jì)

無(wú)線天線的名稱以其側(cè)面結(jié)構(gòu)類似于反向的英文字母來(lái)命名。用金屬輻射范圍替換了倒F型無(wú)線天線的輻射器后，它演變成了PIFA（平面倒F型天線）無(wú)線天線。

PIFA無(wú)線天線的實(shí)際工作長(zhǎng)度僅為實(shí)際工作光波長(zhǎng)的四分之一，其結(jié)構(gòu)包括了接地設(shè)備的金屬表面，這可以降低控制中對(duì)接地設(shè)備金屬表面的敏感性，因此特別適用于無(wú)線模塊設(shè)備。另一方面，由于PIFA無(wú)線天線僅需使用金屬材料和電導(dǎo)體以適當(dāng)?shù)酿侂姺绞奖舜似ヅ?，并且無(wú)線天線會(huì)短路至路面，因此制造成本低，可以立即焊接到電路板。

PIFA無(wú)線天線的金屬導(dǎo)體可以帶狀或塊狀使用。如果它是由金屬材料制成的，則可以設(shè)計(jì)為將SMD零件焊接在電路板上以隱藏?zé)o線天線。此時(shí)，為了更好地支撐銅片并且不會(huì)引起與接地裝置的金屬材料表面的短路故障，通常在銅片和路面之間添加絕緣層。如果采用材料參數(shù)較高的絕緣層材料，則可以將其設(shè)計(jì)得更加小巧。手環(huán)藍(lán)牙無(wú)線天線采用F型天線的設(shè)計(jì)，如圖7所示。

4.5? 電源設(shè)計(jì)

藍(lán)牙手環(huán)作為便攜設(shè)備，最重要的原則就是輕便，易攜帶，此外還要考慮設(shè)備的使用成本，此款藍(lán)牙手環(huán)通常要佩戴在手腕上。在確保機(jī)器和設(shè)備可滿足長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航的條件下，還需要考慮佩戴后智能手環(huán)的磨損情況以及智能手環(huán)本身的變形，可充電鋰聚合物電池符合上述規(guī)定。因此便攜式骨傳導(dǎo)智能手環(huán)的設(shè)計(jì)必須選擇可充電的鋰聚合物鋰電池。表2為此款骨傳導(dǎo)手環(huán)選用電池的規(guī)格。

4.6? 音頻電路設(shè)計(jì)

單音頻編解碼器在模擬信號(hào)路徑中采用完全差分結(jié)構(gòu)，在有效地使信號(hào)幅度加倍的同時(shí)，導(dǎo)致低噪聲靈敏度和良好的電源抑制。它依靠一個(gè)1.5 V的單一電源運(yùn)行，并使用最少的外部組件。圖8為Mono編解碼器音頻輸入和輸出階段。

4.7? 便攜式骨傳導(dǎo)手環(huán)功能的部分設(shè)計(jì)

人們時(shí)常使用手機(jī)耳機(jī)接聽電話。聲音通過(guò)空氣傳導(dǎo)的方式由揚(yáng)聲器從外耳道和耳朵傳遞到鼓膜。新的骨傳導(dǎo)技術(shù)利用振動(dòng)傳遞，并在振動(dòng)下觸及耳朵的內(nèi)部。通過(guò)骨骼的震動(dòng)傳到聽覺神經(jīng)，此款骨傳導(dǎo)藍(lán)牙手環(huán)戴在手腕上時(shí)，將聲音通過(guò)震動(dòng)傳到手指，再將手指貼于耳朵周圍完成傳遞。聲音不需要以空氣作為介質(zhì)來(lái)傳遞，因此，無(wú)論使用哪一種耳機(jī)接聽電話或者聽手機(jī)中的聲音媒體信息時(shí)都可同時(shí)聽到手機(jī)傳至藍(lán)牙手環(huán)的聲音，也能大幅降低周圍環(huán)境雜音的影響。相對(duì)于一般的基于振膜引起的聲波頻率的傳聲方法，骨傳導(dǎo)便攜式手環(huán)節(jié)省了大量的傳聲過(guò)程，可以在嘈雜的自然環(huán)境中完成清晰的聲音信息傳遞，也不會(huì)影響到其他人。

骨傳導(dǎo)藍(lán)牙手環(huán)可以通過(guò)手機(jī)的無(wú)線傳聲功能實(shí)現(xiàn)助聽器的效果，手機(jī)接收周圍環(huán)境的聲音或者人們說(shuō)話的聲音，鼓膜缺失或者受損的人就可以通過(guò)骨傳導(dǎo)手環(huán)連接手機(jī)，將周圍的音頻通過(guò)骨傳導(dǎo)手環(huán)設(shè)備傳到人耳，華為手機(jī)的無(wú)線傳聲（僅支持EMUI10.1以上版本）以及蘋果手機(jī)的實(shí)時(shí)收聽功能（僅支持iOS12以上版本）均可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

5? 結(jié)? 論

助聽器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于患者的實(shí)際體驗(yàn)，包括舒適度、便攜性、安全性等重要因素。骨傳導(dǎo)助聽器主要采用了骨傳導(dǎo)技術(shù)，在原有骨傳導(dǎo)助聽器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用了骨傳導(dǎo)振子與手環(huán)的結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將助聽器作為一種配飾來(lái)穿戴。主板使用BCO5芯片，采用藍(lán)牙無(wú)線連接，在助聽器中引入無(wú)線傳輸與無(wú)線充電技術(shù)后，相較于氣導(dǎo)助聽器具有更加優(yōu)秀的密封性。但是，骨傳導(dǎo)助聽器由于震動(dòng)的位置密閉性稍差，可能會(huì)造成漏音，同時(shí)功能上的缺失以及相關(guān)的配套軟件還有待進(jìn)一步完善，可以利用軟件和硬件上的調(diào)整和升級(jí)來(lái)解決骨傳導(dǎo)助聽器的漏音弊端。

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作者簡(jiǎn)介：宋卓越（2000—），男，漢族，山東濟(jì)寧人，本科在讀，研究方向：環(huán)境設(shè)計(jì);張燕燕（1982—），女，漢族，山東煙臺(tái)人，副教授，碩士，研究方向：傳統(tǒng)文化與視覺傳達(dá)設(shè)計(jì);陳晶一（1992—），女，漢族，山東萊州人，助教，碩士，研究方向：油畫創(chuàng)作與教學(xué)。