純音聽損測試系統的Android實現

陳雙燕，湯巧治

(閩南理工學院電子與電氣工程學院，福建石獅362700)

1 項目背景介紹

根據2017年世界衛生組織(WHO)關于聽力損失的報告[1]，全球有5%的人口患有殘疾型聽力損失，其中3200萬是兒童，約3.28億的成年人聽力損失超過40 分貝[2]。據2016年北京聽力大會的報告[3]，我國有15.84%的人存在聽力障礙。調查發現，耳病患者中接受過耳科檢查的比例只有27.56%。

除了先天性的基因缺陷、人體隨著年齡自身衰退等原因，生活噪音也是造成聽力損失的一大威脅。另外，常年戴著耳機，也容易傷害耳朵[4]。聽力損傷是一個長期積累的過程。越早發現聽力損傷，越有利于聽力障礙的及時治療。自助的聽力評價系統可以方便我們日常檢測聽力，及早發現聽力的問題。

由于Android 手機的普及率很高，手機便于攜帶，方便隨時檢測聽力，因此采用Android手機平臺來進行聽力損傷測試系統的開發。

2 系統功能需求

綜合考慮助聽器驗配的相關需求、補償算法所需數據以及移動平臺本身的特點，聽力測試系統的功能需求主要有以下方面：

1)系統具有純音信號產生功能，可以根據頻率信息產生對應的純音信號；

2)具有純音聽閾測試功能，可以給出受試者的聽力圖；

3)具有良好的人機交互界面。

系統設計所參照的技術指標約定如下：

1)頻率范圍：250～6 kHz中的6個頻點(250 Hz、500 Hz、1000 Hz、2000 Hz、4000 Hz、6000 Hz)；

2)最大聲壓級100 dB HL；聲壓級誤差在±3 dB內；

3)頻率誤差小于1%；

4)環境噪聲小于40 dB。

3 純音測聽法

針對成年人，目前主流的聽力檢測方式是純音測聽、音叉檢查、聲導抗測試等方法。較之于音叉檢查和聲導抗測試等方法，純音測聽對于儀器的要求不高，只需要能產生固定頻率的單頻聲音信號發生器，而由于Android平臺中含有MediaRecord類能播放固定頻率的聲音，因此采用純音測聽法進行。

純音測聽法就是通過播放固定頻率點的聲音，將受試者在這些頻率點上能聽到的最小的聲音強度記錄下來。

國際上通用的幾個專門用于聽力測試的頻率點是：500 Hz、1000 Hz、2000 Hz 和4000 Hz，本次設計增加了250 Hz和6000 Hz。

固定頻率的聲音可以用正弦波來描述，如公式(1)所示：

由于人的耳朵對相位的敏感度較低，因此，取φ=0。

聲音的采樣頻率用fs來表示。采樣頻率是指在一秒時間內采集聲音樣本的次數，采樣頻率越高，聲音的效果越好。目前常見的聲音采樣頻率為：11 kHz，22 kHz和44.1 kHz。

本次設計采用44.1 kHz 的采樣頻率，因此，接下來以在44 100 Hz 的采樣率生成1000 Hz 測試音源為例。由于采樣頻率是44 100 Hz，因此需要通過44 100個點來完成這些弧度的采樣，每個采樣點的弧度間隔為：

因此每個周期需要45個采樣點，可表示為：

n為整數，根據以上公式來采集正弦波形的數據，其中A為信號的幅度。

聲音強度用聲壓級來表示，其單位是dB SPL，用AdB來表示。由于要產生不同強度的聲音，因此要讓信號幅度以5 dB 的間隔增加。聲音強度AdB和信號幅度A的關系如公式(2)所示。本次設計，由于Android 手機能夠輸出的聲音強度有限，因此將聲強范圍設置為0～99 dB。在設計中，Android 的采樣位數定為16 bit，數據是有符號數，因此取值范圍是-32 768～32 767。以正信號為例，有32 767個等級，根據公式(2)，可知對應的聲強范圍為0～90.3 dB。

按照5 dB 的聲強間距，可以分為19 個聲強等級。

4 系統設計與實現

4.1 系統總體設計

本次設計是在Android Studio平臺下，采用Java語言進行的，系統總體框架如圖1所示。該聽力損傷測試系統主要包括以下界面：

1)歡迎界面：歡迎界面中包含logo，以及系統功能說明。

2)功能選擇界面：用戶可以根據需求進行環境噪音測量或者純音聽力測試。

3)環境噪聲檢測界面：進行環境噪聲的實時監測，顯示信息包括最高分貝、平均分貝、最低分貝，環境噪聲實時曲線以及噪聲分貝說明。當環境噪聲小于40 dB 時，適合進行聽力檢測，否則建議用戶到安靜的環境下進行測試。

4)測試耳機設備界面：系統提示“戴上耳機”，分別測試設備的左聲道和右聲道是否正常工作，并建議選擇聽力較好的耳朵先進行測試。

5)純音聽力檢測界面：顯示當前測試的耳朵，當前純音頻率，當前純音的分貝，以及“聽不到”、“播放”、“聽得到”三個按鈕。

6)測試結果界面：包括左耳和右耳的檢查結果曲線圖。

7)聽力損失情況分析界面：包括左耳以及右耳的聽力損失情況，并且根據用戶的情況給出分析與建議。

圖1 系統總體框架

系統主要包括環境噪音檢測模塊和純音聽力檢測模塊。

4.2 環境噪音檢測模塊

MainActivity 是系統的主活動，用戶可以選擇環境噪聲測量或者檢查耳朵。一般建議用戶先進行環境噪聲檢查，對當前的環境噪聲進行測評，判斷是否適合進行聽力檢測。

環境噪聲測量模塊由NoiceCheckActivity 實現。采用MediaRecorder 類進行測量，檢測時間為15 s，取樣時間為0.1 s。環境噪音測量給出當前噪音值，最大噪音值，最小噪音值，平均噪音值以及實時顯示分貝值的折線圖，并有對應的分貝說明。

當15 s的檢測時間到，如果當前的環境噪音大于40 dB，則彈出對話框，不建議進行聽力測試，建議到較安靜的環境測試；當環境噪音小于40 dB，則進入測試。

實時分貝值的折線圖，縱坐標是0～90 dB，橫坐標是時間，可以實時描繪出環境的噪音值。

4.3 純音聽力檢測模塊

進入聽力檢查后，首先進行設備檢測，采用AudioManager分別檢測左耳和右耳的耳機是否正常工作。系統依次播放0.6 s、0.8 s 和1 s 的1000 Hz、50 dB的純音來檢測設備。

聽力檢查模塊是TestActivity。若左耳、右耳都能聽到聲音，建議用戶選擇聽力較好的耳朵先進行測試，以isLeft 參數來判斷當前測試的耳朵是左耳還是右耳。

左耳和右耳的測試流程是一樣的。純音測聽流程如圖2所示：初始頻率為1000 Hz，聲音強度為40 dB，若受試者可以聽到聲音，則每次下降10 dB，若受試者聽不到聲音，則每次增加5 dB，直到受試者可以聽到聲音，系統記錄該頻率下受試者能聽到的最小聲音強度。接著測試2000 Hz、4000 Hz、6000 Hz、250 Hz、500 Hz這些頻點的聲音。一只耳朵測試完，測試另一只耳朵。

圖2 聽力測試流程

5 系統測試結果

環境噪聲實時監測結果如圖3(a)所示，當環境噪聲大于40 dB 時，建議用戶選擇安靜的環境進行聽力測試。用戶在聽力測試界面進行左右耳的測試后，則給出聽力測試曲線圖，如圖3(b)所示。最后，根據表1 的聽損程度分級[5]給出聽力測試結果以及分析與建議。

圖3 系統測試結果

表1 WHO聽損程度分級

經測試，系統可以實現環境噪聲監測和聽力檢測。用戶界面友好，具有一定的實用價值。