摘要：針對目前煤礦應(yīng)急救援過程中語音傳輸易受現(xiàn)場噪聲環(huán)境干擾，語音質(zhì)量差，救援隊員佩戴氧氣全面罩后，不便佩戴普通耳機(jī)和麥克風(fēng)的情況，著重研究借助骨骼、神經(jīng)、肌肉傳播聲波產(chǎn)生聽覺的骨傳導(dǎo)聽說技術(shù)在煤礦應(yīng)急救援語音采集傳輸?shù)膽?yīng)用，并首次利用該技術(shù)研制出煤礦應(yīng)急救援音頻采集傳輸?shù)墓莻鲗?dǎo)語音聽說器，解決災(zāi)變現(xiàn)場語音信號的高質(zhì)量采集與傳輸?shù)膯栴}，從已裝備此骨傳導(dǎo)語音聽說器的煤礦應(yīng)急救援隊?wèi)?yīng)用實踐表明，該設(shè)備在危險環(huán)境下，能實現(xiàn)救援隊員佩戴全面罩后骨傳導(dǎo)語音聽說器通話清晰、抗噪聲能力強(qiáng)的功能，地面指揮中心能實時掌握災(zāi)變后井下被困人員及救援隊員的生命狀況和事故現(xiàn)場狀態(tài)，提高指揮救援的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急救援；骨傳導(dǎo)聽說技術(shù)；語音聽說器；音頻采集；濾除噪聲；實時回傳

0.引言

應(yīng)急救援是煤礦安全管理的重要內(nèi)容，在煤礦重大事故發(fā)生后，迅速控制事故的發(fā)展并盡可能了解井下事故現(xiàn)場情況，保護(hù)現(xiàn)場人員的安全，將事故對人員、財產(chǎn)、環(huán)境造成的損失降至最低，是應(yīng)急救援的重中之重。煤礦井下搜救隊員清晰實時的音頻信息采集傳輸，不僅可以了解到事故井下人員的生命狀況和事故現(xiàn)場狀態(tài)，還可以通過語音下達(dá)應(yīng)急指揮指令，對進(jìn)一步部署營救工作，做出具體全面的營救方案起到關(guān)鍵作用^[1]。目前煤礦應(yīng)急救援裝備的音頻采集采用最常見的氣傳導(dǎo)音頻采集傳輸技術(shù)，氣傳導(dǎo)音頻技術(shù)是通過空氣振動，將聲音傳播到人的耳朵產(chǎn)生聽覺，常用的普通耳機(jī)及麥克就是采用氣傳導(dǎo)音頻技術(shù)設(shè)計的；但是氣傳導(dǎo)音頻采集傳輸通過空氣傳播的聲音易受環(huán)境影響，尤其是在噪聲較大的災(zāi)變后煤礦巷道中，音頻采集傳輸過程中信號變形、失真嚴(yán)重，導(dǎo)致音色發(fā)生很大變化，救援隊員帶上救護(hù)氧氣全面罩后發(fā)聲氣流不暢，聲波響度、音色降低，導(dǎo)致救援隊員與指揮中心的語音溝通不暢；同時救護(hù)隊員佩戴和固定普通耳機(jī)和麥克風(fēng)后，救援隊員頭部活動受到限制，舒適性很差，給救援工作帶來諸多不利影響。筆者基于骨骼、神經(jīng)、肌肉傳播聲波產(chǎn)生聽覺的骨傳導(dǎo)聽說技術(shù)，研制出煤礦應(yīng)急救援的音頻采集裝備（骨傳導(dǎo)語音聽說器）。骨傳導(dǎo)是指將聲波通過顱骨、骨迷路、內(nèi)耳淋巴液、螺旋器、聽神經(jīng)、大腦皮層聽覺中樞的途徑，骨傳導(dǎo)有移動式和擠壓式，二者協(xié)同可刺激螺旋器引起聽覺。通過顱骨傳播的聲音經(jīng)過喉管與耳朵之間的骨頭直接到達(dá)內(nèi)耳，聲音能量和音色衰減、變化以及受外界影響的程度相對較小。通過骨傳導(dǎo)通話時，基本過濾掉了背景噪聲，因而人們聽到的聲音會更加清楚，這一優(yōu)勢在煤礦井下災(zāi)變后環(huán)境惡劣的情況下使用，優(yōu)勢尤為突出。筆者研制的骨傳導(dǎo)語音聽說器與防護(hù)頭盔、氧氣面罩、攝像機(jī)等有機(jī)結(jié)合在一起^[2]，緊貼救護(hù)隊員的頭骨。該設(shè)備采集的不是救護(hù)隊員的聲波信號，而是發(fā)聲帶動的頭骨振動信號，所以全面罩內(nèi)氣流不暢，音色失真等弊端都不會影響正常采集聲波信號；同時聲波信號采集、傳輸與煤礦救援現(xiàn)場的噪聲環(huán)境無關(guān)，保證回傳地面的聲音信號不受災(zāi)變現(xiàn)場環(huán)境的噪聲干擾，滿足災(zāi)變現(xiàn)場語音信號的高質(zhì)量采集與傳輸，增強(qiáng)救護(hù)隊員的舒適性、安全性，實現(xiàn)救援隊員佩戴全面罩骨傳導(dǎo)語音聽說器后語音通話清晰、抗噪聲能力強(qiáng)的功能。

1.骨傳導(dǎo)聽說技術(shù)

骨傳導(dǎo)聽說技術(shù)廣泛運(yùn)用于醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域，醫(yī)療方面主要是應(yīng)用于助聽器的設(shè)計，幫助聲帶受損不能正常發(fā)音，但是有發(fā)音意識帶動頭骨振動的聾啞輔助治療；軍事領(lǐng)域主要是部分戰(zhàn)斗機(jī)飛行員飛行時語音采集傳輸；但是醫(yī)療和軍事應(yīng)用場景與煤礦井下災(zāi)變后應(yīng)急救援場景有非常大的區(qū)別。運(yùn)用骨傳導(dǎo)聽說技術(shù)研制煤礦應(yīng)急救援用的語音聽說器，主要是將骨傳導(dǎo)基本技術(shù)原理針對煤礦應(yīng)急救援特點(diǎn)，通過時域有限差分法提高聲波信號有效采樣、濾除干擾噪聲，并設(shè)計出救護(hù)隊員方便佩戴，符合應(yīng)急救援通信信號傳輸模式的更加方便、有效、可靠產(chǎn)品。

在煤礦井下發(fā)生災(zāi)變，巷道環(huán)境未知的情況下，對骨傳導(dǎo)音頻信號有效采樣帶來諸多不定因素，采用時域有限差分迭代法計算聲波骨傳導(dǎo)在頭顱內(nèi)的傳輸特性，研究災(zāi)變后救援現(xiàn)場骨傳導(dǎo)聲波頻率采樣間隔，并采用采集迭代算法，為煤礦災(zāi)變后應(yīng)急救援系統(tǒng)中骨傳導(dǎo)語音聽說器的研制提供理論指導(dǎo)和仿真模型^[3-4]。 采用FDTD算法可將波動方程在時間和空間上離散化，從而得到時域差分迭代方程，在時間和空間上逐步推進(jìn)求解，即可求出整個聲場的分布。

時域差分算法是將有限差分方程代替聲波波動方程，當(dāng)離散后差分方程組的解是收斂和穩(wěn)定的，聲波散射特性才能有效。要使計算結(jié)果不發(fā)散，應(yīng)當(dāng)滿足聲波傳輸?shù)姆€(wěn)定條件。采用時域有限差分迭代法能保證采集的頭骨振動信號是有效采樣，如果采樣信號不能滿足有效音頻信號的響度和音色門限，繼續(xù)迭代采樣，這種算法模型提高了骨傳導(dǎo)語音聽說器的音頻信號質(zhì)量，滿足正常分辨的音調(diào)信號響度和音色指標(biāo)。

2.煤礦井下骨傳導(dǎo)語音聽說器設(shè)計及測試

2.1骨傳導(dǎo)語音聽說器的設(shè)計

煤礦災(zāi)變后應(yīng)急救援骨傳導(dǎo)語音聽說器設(shè)計采用PTT控制方式以及只識別人聲帶發(fā)聲的DSP模塊運(yùn)算，使得外界噪聲和沖擊不被聽說器拾音，噪聲在傳輸之前就通過特殊設(shè)計的DSP模塊處理和監(jiān)測，該設(shè)計的聽說器音質(zhì)清晰，可以達(dá)到在120dB噪聲環(huán)境下正常通話，保證救援指揮的實時性^[5]。

為了符合煤礦救護(hù)隊員的佩戴方便及煤礦災(zāi)變現(xiàn)場的特殊環(huán)境，煤礦應(yīng)急救援用的骨傳導(dǎo)語音聽說器是把聽說器戴在救援隊員頭盔全面罩內(nèi)，當(dāng)救護(hù)隊員說話時，聲帶震動產(chǎn)生強(qiáng)弱疏密的震波傳到救援隊員的骨頭，置于救護(hù)隊員頭盔的頭頂部位的高靈敏度震動感應(yīng)麥克^[6]，收集經(jīng)由骨骼傳導(dǎo)的聲音震動音波，傳送到頭盔內(nèi)集成數(shù)字微電腦處理器（CPU），CPU將收集的音頻震動信號（類比信號）轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的音頻信號，經(jīng)由中央微處理器內(nèi)的頻率篩檢視窗^[7-8]，將救援隊員聲帶所能發(fā)出的頻率以外的噪聲自動消除，有效的音頻信號輸入經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀以無線傳輸?shù)姆绞絺鞯組ESH基站，通過MESH多跳技術(shù)將音頻信號傳導(dǎo)調(diào)度指揮計算機(jī)，通過計算機(jī)上的耳機(jī)可以聽到音質(zhì)清晰無失真的話音^[9]。骨傳導(dǎo)語音聽說器設(shè)計原理如圖1所示。

骨傳導(dǎo)語音聽說器的設(shè)計主要由骨傳導(dǎo)拾音器、骨傳導(dǎo)放音器、數(shù)據(jù)通信模塊、相關(guān)電路和一次成型外殼組成。煤礦應(yīng)急救援用骨傳導(dǎo)語音聽說器產(chǎn)品如圖2所示，人體模型佩戴全面罩頭盔及骨傳導(dǎo)語音聽說器后的效果如圖3所示。

圖1骨傳導(dǎo)語音聽說器設(shè)計原理示意

圖2骨傳導(dǎo)語音聽說器產(chǎn)品

圖3骨傳導(dǎo)語音聽說器佩戴示意

2.2骨傳導(dǎo)語音聽說器主要指標(biāo)測試

骨傳導(dǎo)語音聽說器與同功能等級的氣傳導(dǎo)聽說器（即常用耳機(jī)及麥克風(fēng)）在特定信號輸入輸出條件下，采用相同的專業(yè)測試設(shè)備，對可能影響應(yīng)急救援音頻采集傳輸?shù)闹笜?biāo)進(jìn)行測試，測試儀器采用TH1312－60音頻掃頻信號發(fā)生器/音響專用測試儀，是由32位的MCU的定時中斷采集音頻信號，采樣率為40.96kHz，采集2048個點(diǎn)，根據(jù)采樣點(diǎn)分析頻譜特性及各個頻率點(diǎn)的功率值。骨傳導(dǎo)語音聽說器測試原理如圖4所示。

圖4骨傳導(dǎo)語音聽說器測試原理

骨傳導(dǎo)語音聽說器與氣傳導(dǎo)聽說器的數(shù)據(jù)對比見表1，是在輸入頻率為1kHz的正弦波標(biāo)準(zhǔn)音頻測試信號，同組不同功率的白噪聲干擾輸入，幅度量程控制在0.02～5.00Vpp時取得的。測試參數(shù)表明，在同等條件下，骨傳導(dǎo)語音聽說器測試參數(shù)基本都優(yōu)于氣傳導(dǎo)聽說器。

3.煤礦井下骨傳導(dǎo)語音聽說器的實踐應(yīng)用

筆者設(shè)計完成的KJ30礦用救災(zāi)無線通信系統(tǒng)中的骨傳導(dǎo)語音聽說器采用骨傳導(dǎo)聽說技術(shù)設(shè)計完成，已經(jīng)取得安標(biāo)認(rèn)證（安標(biāo)證號：MHA110127），并取得2項發(fā)明專利，目前已經(jīng)在國家應(yīng)急救護(hù)中心的內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)、兗州煤業(yè)、江西煤炭集團(tuán)、山西汾西礦業(yè)、神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)等16個救護(hù)大隊裝備使用。全面罩骨傳導(dǎo)語音聽說器在應(yīng)急救援指揮系統(tǒng)的煤礦應(yīng)用布置如圖5所示。

圖5骨傳導(dǎo)語音聽說器在應(yīng)急救援系統(tǒng)應(yīng)用布置

實踐使用達(dá)到的主要技術(shù)參數(shù)如下：①麥克風(fēng)響應(yīng)頻率300～3000Hz，骨傳導(dǎo)揚(yáng)聲器響應(yīng)頻率300～3500Hz；②失真度不大于10%；③麥克風(fēng)靈敏度－25～－35dB，骨傳導(dǎo)揚(yáng)聲器聲級強(qiáng)度不小于85dB；④在嘈雜環(huán)境下能聽清講話，能將采集到的實時話音轉(zhuǎn)換為音頻信號輸出；⑤待機(jī)時間不小于24h，通話時間不小于12h。救護(hù)隊員在井下救援現(xiàn)場的語音采集與傳輸受地面指揮中心調(diào)度，根據(jù)救援需求指揮中心通過軟件界面設(shè)定可以和任何一個救護(hù)隊員通話并實時錄音，地面指揮中心也可以查看同步視頻圖像并與隊員語音通話。骨傳導(dǎo)語音聽說器軟件界面如圖6所示。

圖6骨傳導(dǎo)語音聽說器軟件界面

4.結(jié)語

筆者研制的基于骨傳導(dǎo)聽說技術(shù)的骨傳導(dǎo)語音聽說器，首次將在醫(yī)療、軍事應(yīng)用的成熟技術(shù)理論延伸應(yīng)用到煤礦應(yīng)急救援中，解決單兵救援裝備語音采集傳輸?shù)漠a(chǎn)品弊端，提升煤礦井下救援技術(shù)及裝備的實用性及舒適性，為煤礦應(yīng)急救援裝備設(shè)計研制提供新的思路和設(shè)計理念，在通用技術(shù)理論背景下，研究不同場景的技術(shù)應(yīng)用，研制符合煤礦特殊環(huán)境的產(chǎn)品，為煤礦安全生產(chǎn)及應(yīng)急救援提供保障，是煤礦救援裝備升級換代的技術(shù)手段之一。