骨传导听说技术在煤矿应急救援的应用

摘要：针对目前煤矿应急救援过程中语音传输易受现场噪声环境干扰，语音质量差，救援队员佩戴氧气全面罩后，不便佩戴普通耳机和麦克风的情况，着重研究借助骨骼、神经、肌肉传播声波产生听觉的骨传导听说技术在煤矿应急救援语音采集传输的应用，并首次利用该技术研制出煤矿应急救援音频采集传输的骨传导语音听说器，解决灾变现场语音信号的高质量采集与传输的问题，从已装备此骨传导语音听说器的煤矿应急救援队应用实践表明，该设备在危险环境下，能实现救援队员佩戴全面罩后骨传导语音听说器通话清晰、抗噪声能力强的功能，地面指挥中心能实时掌握灾变后井下被困人员及救援队员的生命状况和事故现场状态，提高指挥救援的安全性和可靠性。

关键词：应急救援；骨传导听说技术；语音听说器；音频采集；滤除噪声；实时回传

0.引言

应急救援是煤矿安全管理的重要内容，在煤矿重大事故发生后，迅速控制事故的发展并尽可能了解井下事故现场情况，保护现场人员的安全，将事故对人员、财产、环境造成的损失降至最低，是应急救援的重中之重。煤矿井下搜救队员清晰实时的音频信息采集传输，不仅可以了解到事故井下人员的生命状况和事故现场状态，还可以通过语音下达应急指挥指令，对进一步部署营救工作，做出具体全面的营救方案起到关键作用^[1]。目前煤矿应急救援装备的音频采集采用最常见的气传导音频采集传输技术，气传导音频技术是通过空气振动，将声音传播到人的耳朵产生听觉，常用的普通耳机及麦克就是采用气传导音频技术设计的；但是气传导音频采集传输通过空气传播的声音易受环境影响，尤其是在噪声较大的灾变后煤矿巷道中，音频采集传输过程中信号变形、失真严重，导致音色发生很大变化，救援队员带上救护氧气全面罩后发声气流不畅，声波响度、音色降低，导致救援队员与指挥中心的语音沟通不畅；同时救护队员佩戴和固定普通耳机和麦克风后，救援队员头部活动受到限制，舒适性很差，给救援工作带来诸多不利影响。笔者基于骨骼、神经、肌肉传播声波产生听觉的骨传导听说技术，研制出煤矿应急救援的音频采集装备（骨传导语音听说器）。骨传导是指将声波通过颅骨、骨迷路、内耳淋巴液、螺旋器、听神经、大脑皮层听觉中枢的途径，骨传导有移动式和挤压式，二者协同可刺激螺旋器引起听觉。通过颅骨传播的声音经过喉管与耳朵之间的骨头直接到达内耳，声音能量和音色衰减、变化以及受外界影响的程度相对较小。通过骨传导通话时，基本过滤掉了背景噪声，因而人们听到的声音会更加清楚，这一优势在煤矿井下灾变后环境恶劣的情况下使用，优势尤为突出。笔者研制的骨传导语音听说器与防护头盔、氧气面罩、摄像机等有机结合在一起^[2]，紧贴救护队员的头骨。该设备采集的不是救护队员的声波信号，而是发声带动的头骨振动信号，所以全面罩内气流不畅，音色失真等弊端都不会影响正常采集声波信号；同时声波信号采集、传输与煤矿救援现场的噪声环境无关，保证回传地面的声音信号不受灾变现场环境的噪声干扰，满足灾变现场语音信号的高质量采集与传输，增强救护队员的舒适性、安全性，实现救援队员佩戴全面罩骨传导语音听说器后语音通话清晰、抗噪声能力强的功能。

1.骨传导听说技术

骨传导听说技术广泛运用于医疗、军事等领域，医疗方面主要是应用于助听器的设计，帮助声带受损不能正常发音，但是有发音意识带动头骨振动的聋哑辅助治疗；军事领域主要是部分战斗机飞行员飞行时语音采集传输；但是医疗和军事应用场景与煤矿井下灾变后应急救援场景有非常大的区别。运用骨传导听说技术研制煤矿应急救援用的语音听说器，主要是将骨传导基本技术原理针对煤矿应急救援特点，通过时域有限差分法提高声波信号有效采样、滤除干扰噪声，并设计出救护队员方便佩戴，符合应急救援通信信号传输模式的更加方便、有效、可靠产品。

在煤矿井下发生灾变，巷道环境未知的情况下，对骨传导音频信号有效采样带来诸多不定因素，采用时域有限差分迭代法计算声波骨传导在头颅内的传输特性，研究灾变后救援现场骨传导声波频率采样间隔，并采用采集迭代算法，为煤矿灾变后应急救援系统中骨传导语音听说器的研制提供理论指导和仿真模型^[3-4]。 采用FDTD算法可将波动方程在时间和空间上离散化，从而得到时域差分迭代方程，在时间和空间上逐步推进求解，即可求出整个声场的分布。

时域差分算法是将有限差分方程代替声波波动方程，当离散后差分方程组的解是收敛和稳定的，声波散射特性才能有效。要使计算结果不发散，应当满足声波传输的稳定条件。采用时域有限差分迭代法能保证采集的头骨振动信号是有效采样，如果采样信号不能满足有效音频信号的响度和音色门限，继续迭代采样，这种算法模型提高了骨传导语音听说器的音频信号质量，满足正常分辨的音调信号响度和音色指标。

2.煤矿井下骨传导语音听说器设计及测试

2.1骨传导语音听说器的设计

煤矿灾变后应急救援骨传导语音听说器设计采用PTT控制方式以及只识别人声带发声的DSP模块运算，使得外界噪声和冲击不被听说器拾音，噪声在传输之前就通过特殊设计的DSP模块处理和监测，该设计的听说器音质清晰，可以达到在120dB噪声环境下正常通话，保证救援指挥的实时性^[5]。

为了符合煤矿救护队员的佩戴方便及煤矿灾变现场的特殊环境，煤矿应急救援用的骨传导语音听说器是把听说器戴在救援队员头盔全面罩内，当救护队员说话时，声带震动产生强弱疏密的震波传到救援队员的骨头，置于救护队员头盔的头顶部位的高灵敏度震动感应麦克^[6]，收集经由骨骼传导的声音震动音波，传送到头盔内集成数字微电脑处理器（CPU），CPU将收集的音频震动信号（类比信号）转换成数字化的音频信号，经由中央微处理器内的频率筛检视窗^[7-8]，将救援队员声带所能发出的频率以外的噪声自动消除，有效的音频信号输入经数据传输模块传输到数据采集仪，数据采集仪以无线传输的方式传到MESH基站，通过MESH多跳技术将音频信号传导调度指挥计算机，通过计算机上的耳机可以听到音质清晰无失真的话音^[9]。骨传导语音听说器设计原理如图1所示。

骨传导语音听说器的设计主要由骨传导拾音器、骨传导放音器、数据通信模块、相关电路和一次成型外壳组成。煤矿应急救援用骨传导语音听说器产品如图2所示，人体模型佩戴全面罩头盔及骨传导语音听说器后的效果如图3所示。

图1骨传导语音听说器设计原理示意

图2骨传导语音听说器产品

图3骨传导语音听说器佩戴示意

2.2骨传导语音听说器主要指标测试

骨传导语音听说器与同功能等级的气传导听说器（即常用耳机及麦克风）在特定信号输入输出条件下，采用相同的专业测试设备，对可能影响应急救援音频采集传输的指标进行测试，测试仪器采用TH1312－60音频扫频信号发生器/音响专用测试仪，是由32位的MCU的定时中断采集音频信号，采样率为40.96kHz，采集2048个点，根据采样点分析频谱特性及各个频率点的功率值。骨传导语音听说器测试原理如图4所示。

图4骨传导语音听说器测试原理

骨传导语音听说器与气传导听说器的数据对比见表1，是在输入频率为1kHz的正弦波标准音频测试信号，同组不同功率的白噪声干扰输入，幅度量程控制在0.02～5.00Vpp时取得的。测试参数表明，在同等条件下，骨传导语音听说器测试参数基本都优于气传导听说器。

3.煤矿井下骨传导语音听说器的实践应用

笔者设计完成的KJ30矿用救灾无线通信系统中的骨传导语音听说器采用骨传导听说技术设计完成，已经取得安标认证（安标证号：MHA110127），并取得2项发明专利，目前已经在国家应急救护中心的内蒙古平庄煤业、兖州煤业、江西煤炭集团、山西汾西矿业、神华宁夏煤业集团等16个救护大队装备使用。全面罩骨传导语音听说器在应急救援指挥系统的煤矿应用布置如图5所示。

图5骨传导语音听说器在应急救援系统应用布置

实践使用达到的主要技术参数如下：①麦克风响应频率300～3000Hz，骨传导扬声器响应频率300～3500Hz；②失真度不大于10%；③麦克风灵敏度－25～－35dB，骨传导扬声器声级强度不小于85dB；④在嘈杂环境下能听清讲话，能将采集到的实时话音转换为音频信号输出；⑤待机时间不小于24h，通话时间不小于12h。救护队员在井下救援现场的语音采集与传输受地面指挥中心调度，根据救援需求指挥中心通过软件界面设定可以和任何一个救护队员通话并实时录音，地面指挥中心也可以查看同步视频图像并与队员语音通话。骨传导语音听说器软件界面如图6所示。

图6骨传导语音听说器软件界面

4.结语

笔者研制的基于骨传导听说技术的骨传导语音听说器，首次将在医疗、军事应用的成熟技术理论延伸应用到煤矿应急救援中，解决单兵救援装备语音采集传输的产品弊端，提升煤矿井下救援技术及装备的实用性及舒适性，为煤矿应急救援装备设计研制提供新的思路和设计理念，在通用技术理论背景下，研究不同场景的技术应用，研制符合煤矿特殊环境的产品，为煤矿安全生产及应急救援提供保障，是煤矿救援装备升级换代的技术手段之一。