摘要：針對(duì)目前煤礦應(yīng)急救援過(guò)程中語(yǔ)音傳輸易受現(xiàn)場(chǎng)噪聲環(huán)境干擾,，語(yǔ)音質(zhì)量差，救援隊(duì)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(tīng)覺(jué)的骨傳導(dǎo)聽(tīng)說(shuō)技術(shù)在煤礦應(yīng)急救援語(yǔ)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(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器，解決災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音信號(hào)的高質(zhì)量采集與傳輸?shù)膯?wèn)題,，從已裝備此骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器的煤礦應(yīng)急救援隊(duì)?wèi)?yīng)用實(shí)踐表明,，該設(shè)備在危險(xiǎn)環(huán)境下，能實(shí)現(xiàn)救援隊(duì)員佩戴全面罩后骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器通話清晰,、抗噪聲能力強(qiáng)的功能,，地面指揮中心能實(shí)時(shí)掌握災(zāi)變后井下被困人員及救援隊(duì)員的生命狀況和事故現(xiàn)場(chǎng)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(tīng)說(shuō)技術(shù)；語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器,；音頻采集,；濾除噪聲；實(shí)時(shí)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(chǎng)情況,，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)人員的安全,，將事故對(duì)人員、財(cái)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(duì)員清晰實(shí)時(shí)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(chǎng)狀態(tài),，還可以通過(guò)語(yǔ)音下達(dá)應(yīng)急指揮指令，對(duì)進(jìn)一步部署營(yíng)救工作,，做出具體全面的營(yíng)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(jiàn)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(guò)空氣振動(dòng),，將聲音傳播到人的耳朵產(chǎn)生聽(tīng)覺(jué),，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(jì)的,；但是氣傳導(dǎo)音頻采集傳輸通過(guò)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(guò)程中信號(hào)變形,、失真嚴(yán)重，導(dǎo)致音色發(fā)生很大變化,，救援隊(duì)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(duì)員與指揮中心的語(yǔ)音溝通不暢,；同時(shí)救護(hù)隊(duì)員佩戴和固定普通耳機(jī)和麥克風(fēng)后，救援隊(duì)員頭部活動(dòng)受到限制,，舒適性很差,，給救援工作帶來(lái)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(tīng)覺(jué)的骨傳導(dǎo)聽(tīng)說(shuō)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(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器）,。骨傳導(dǎo)是指將聲波通過(guò)顱骨,、骨迷路、內(nèi)耳淋巴液,、螺旋器,、聽(tīng)神經(jīng)、大腦皮層聽(tīng)覺(jué)中樞的途徑,，骨傳導(dǎo)有移動(dòng)式和擠壓式,，二者協(xié)同可刺激螺旋器引起聽(tīng)覺(jué)。通過(guò)顱骨傳播的聲音經(jīng)過(guò)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(duì)較小。通過(guò)骨傳導(dǎo)通話時(shí),，基本過(guò)濾掉了背景噪聲,，因而人們聽(tīng)到的聲音會(huì)更加清楚，這一優(yōu)勢(shì)在煤礦井下災(zāi)變后環(huán)境惡劣的情況下使用,，優(yōu)勢(shì)尤為突出,。筆者研制的骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)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(duì)員的頭骨。該設(shè)備采集的不是救護(hù)隊(duì)員的聲波信號(hào),，而是發(fā)聲帶動(dòng)的頭骨振動(dòng)信號(hào),，所以全面罩內(nèi)氣流不暢,，音色失真等弊端都不會(huì)影響正常采集聲波信號(hào)；同時(shí)聲波信號(hào)采集,、傳輸與煤礦救援現(xiàn)場(chǎng)的噪聲環(huán)境無(wú)關(guān),，保證回傳地面的聲音信號(hào)不受災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的噪聲干擾，滿足災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音信號(hào)的高質(zhì)量采集與傳輸,，增強(qiáng)救護(hù)隊(duì)員的舒適性,、安全性，實(shí)現(xiàn)救援隊(duì)員佩戴全面罩骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器后語(yǔ)音通話清晰,、抗噪聲能力強(qiáng)的功能,。

1.骨傳導(dǎo)聽(tīng)說(shuō)技術(shù)

骨傳導(dǎo)聽(tīng)說(shuō)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(tīng)器的設(shè)計(jì),，幫助聲帶受損不能正常發(fā)音，但是有發(fā)音意識(shí)帶動(dòng)頭骨振動(dòng)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(shí)語(yǔ)音采集傳輸,；但是醫(yī)療和軍事應(yīng)用場(chǎng)景與煤礦井下災(zāi)變后應(yīng)急救援場(chǎng)景有非常大的區(qū)別。運(yùn)用骨傳導(dǎo)聽(tīng)說(shuō)技術(shù)研制煤礦應(yīng)急救援用的語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器,，主要是將骨傳導(dǎo)基本技術(shù)原理針對(duì)煤礦應(yīng)急救援特點(diǎn),，通過(guò)時(shí)域有限差分法提高聲波信號(hào)有效采樣、濾除干擾噪聲,，并設(shè)計(jì)出救護(hù)隊(duì)員方便佩戴,，符合應(yīng)急救援通信信號(hào)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(duì)骨傳導(dǎo)音頻信號(hào)有效采樣帶來(lái)諸多不定因素,，采用時(shí)域有限差分迭代法計(jì)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(chǎng)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(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)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(dòng)方程在時(shí)間和空間上離散化,，從而得到時(shí)域差分迭代方程，在時(shí)間和空間上逐步推進(jìn)求解,，即可求出整個(gè)聲場(chǎng)的分布,。

時(shí)域差分算法是將有限差分方程代替聲波波動(dòng)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(jì)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(shí)域有限差分迭代法能保證采集的頭骨振動(dòng)信號(hào)是有效采樣,，如果采樣信號(hào)不能滿足有效音頻信號(hào)的響度和音色門(mén)限,，繼續(xù)迭代采樣，這種算法模型提高了骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器的音頻信號(hào)質(zhì)量,，滿足正常分辨的音調(diào)信號(hào)響度和音色指標(biāo),。

2.煤礦井下骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器設(shè)計(jì)及測(cè)試

2.1骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器的設(shè)計(jì)

煤礦災(zāi)變后應(yīng)急救援骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器設(shè)計(jì)采用PTT控制方式以及只識(shí)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(tīng)說(shuō)器拾音,，噪聲在傳輸之前就通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的DSP模塊處理和監(jiān)測(cè),，該設(shè)計(jì)的聽(tīng)說(shuō)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(shí)時(shí)性^[5],。

為了符合煤礦救護(hù)隊(duì)員的佩戴方便及煤礦災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境，煤礦應(yīng)急救援用的骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器是把聽(tīng)說(shuō)器戴在救援隊(duì)員頭盔全面罩內(nèi),，當(dāng)救護(hù)隊(duì)員說(shuō)話時(shí),，聲帶震動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)弱疏密的震波傳到救援隊(duì)員的骨頭，置于救護(hù)隊(duì)員頭盔的頭頂部位的高靈敏度震動(dòng)感應(yīng)麥克^[6],，收集經(jīng)由骨骼傳導(dǎo)的聲音震動(dòng)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(dòng)信號(hào)（類(lèi)比信號(hào)）轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的音頻信號(hào),，經(jīng)由中央微處理器內(nèi)的頻率篩檢視窗^[7-8],，將救援隊(duì)員聲帶所能發(fā)出的頻率以外的噪聲自動(dòng)消除，有效的音頻信號(hào)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(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鞯組ESH基站,，通過(guò)MESH多跳技術(shù)將音頻信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)度指揮計(jì)算機(jī)，通過(guò)計(jì)算機(jī)上的耳機(jī)可以聽(tīng)到音質(zhì)清晰無(wú)失真的話音^[9],。骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器設(shè)計(jì)原理如圖1所示,。

骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器的設(shè)計(jì)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(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)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(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器后的效果如圖3所示,。

圖1骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器設(shè)計(jì)原理示意

圖2骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器產(chǎn)品

圖3骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器佩戴示意

2.2骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器主要指標(biāo)測(cè)試

骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器與同功能等級(jí)的氣傳導(dǎo)聽(tīng)說(shuō)器（即常用耳機(jī)及麥克風(fēng)）在特定信號(hào)輸入輸出條件下，采用相同的專(zhuān)業(yè)測(cè)試設(shè)備,，對(duì)可能影響應(yīng)急救援音頻采集傳輸?shù)闹笜?biāo)進(jìn)行測(cè)試,，測(cè)試儀器采用TH1312－60音頻掃頻信號(hào)發(fā)生器/音響專(zhuān)用測(cè)試儀，是由32位的MCU的定時(shí)中斷采集音頻信號(hào)，采樣率為40.96kHz,，采集2048個(gè)點(diǎn),，根據(jù)采樣點(diǎn)分析頻譜特性及各個(gè)頻率點(diǎn)的功率值。骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器測(cè)試原理如圖4所示,。

圖4骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器測(cè)試原理

骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器與氣傳導(dǎo)聽(tīng)說(shuō)器的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1,，是在輸入頻率為1kHz的正弦波標(biāo)準(zhǔn)音頻測(cè)試信號(hào)，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(shí)取得的,。測(cè)試參數(shù)表明，在同等條件下,，骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器測(cè)試參數(shù)基本都優(yōu)于氣傳導(dǎo)聽(tīng)說(shuō)器,。

3.煤礦井下骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器的實(shí)踐應(yīng)用

筆者設(shè)計(jì)完成的KJ30礦用救災(zāi)無(wú)線通信系統(tǒng)中的骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器采用骨傳導(dǎo)聽(tīng)說(shuō)技術(shù)設(shè)計(jì)完成，已經(jīng)取得安標(biāo)認(rèn)證（安標(biāo)證號(hào)：MHA110127）,，并取得2項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利,，目前已經(jīng)在國(guó)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(gè)救護(hù)大隊(duì)裝備使用,。全面罩骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)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(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器在應(yīng)急救援系統(tǒng)應(yīng)用布置

實(shí)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(jí)強(qiáng)度不小于85dB,；④在嘈雜環(huán)境下能聽(tīng)清講話,，能將采集到的實(shí)時(shí)話音轉(zhuǎn)換為音頻信號(hào)輸出；⑤待機(jī)時(shí)間不小于24h,，通話時(shí)間不小于12h,。救護(hù)隊(duì)員在井下救援現(xiàn)場(chǎng)的語(yǔ)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(guò)軟件界面設(shè)定可以和任何一個(gè)救護(hù)隊(duì)員通話并實(shí)時(shí)錄音,，地面指揮中心也可以查看同步視頻圖像并與隊(duì)員語(yǔ)音通話,。骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器軟件界面如圖6所示。

圖6骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)器軟件界面

4.結(jié)語(yǔ)

筆者研制的基于骨傳導(dǎo)聽(tīng)說(shuō)技術(shù)的骨傳導(dǎo)語(yǔ)音聽(tīng)說(shuō)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(yǔ)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(shí)用性及舒適性，為煤礦應(yīng)急救援裝備設(shè)計(jì)研制提供新的思路和設(shè)計(jì)理念，在通用技術(shù)理論背景下,，研究不同場(chǎng)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(jí)換代的技術(shù)手段之一,。