骨导技术及在信息通信中的应用.doc

骨导技术及在信息通信中的应用朱晓峰 信息产业部电信研究院 北京 100045摘要：围绕骨导技术的原理，介绍了骨导技术的发展过程，分析了骨导、气导两种传输方式的优劣，并总结了骨导技术的各种应用，最后阐明了骨导技术对于当前我国建设无障碍社会的特殊意义。关键词：骨导 骨振 气导 阈值 信息无障碍1 引言科技可以改善正常人的生活，更可以为弱势群体服务，提高他们的生活质量，为此，骨导技术被赋予了特殊的意义。生理学研究表明，正常状态下人类用两种方式感觉声音：气导方式与骨导方式。采用骨导技术的电话，利用振动引起颅骨振荡将信号直接传递到内耳的原理，使有听力障碍的人可以将手柄顶在头骨上接听。它既保留了普通电话机的所有功能，又为耳疾及听力弱者提供特殊便利。目前，虽然骨导技术由于自身的一些缺陷，实际应用还较少，但是作为一项新兴技术，骨导技术在我国具有很好的应用前景。2 骨导技术的原理在现实生活里，大多数人对“骨导”其实并不陌生，我们可以通过一些日常的经验来体会。例如，当我们把耳朵堵起来后还能听到自己说话的声音，我们听通过录音机回放出来的自己的声音却发现不像是自己的，我们在咀嚼东西时自己能听到清晰的摩擦声而旁人却不易察觉等，这些现象都和骨导有关。生理学研究表明，人内耳中的耳蜗是产生听觉的关键器官，它与听觉神经末梢相连，对抵达的振动信号产生听力感觉。在正常情况下，音频振动信号以两种方式传递到耳蜗并被人体感知：气传导方式与骨传导方式。所谓气传导指声音通过外耳、中耳传递到内耳被人感知。外耳包括一直通到耳膜的耳道，耳廓由于贴近作为声障板的头部，因此它的声学作用很小（也有学者认为耳廓有利于声音定位）。外耳负责收集并将空气中的声音信号传递到耳膜。中耳包括耳膜、鼓室（耳膜内中耳部分的空气腔）和通入内耳的两个开口（卵形窗和圆形窗）。中耳的作用是使得外耳阻抗和内耳中的流体阻抗匹配，放大外耳传来的声音信号，使空气中的声波能更有效地传递到内耳。内耳的听觉部分是耳蜗，耳蜗中充满了淋巴液，里面的毛细胞的神经末梢是真正产生听觉的器官。气传导是我们熟知的传导方式，而骨传导则是声音信号通过振动颅骨，不通过外耳与中耳而直接传输到内耳，如图1所示。骨传导振动并不直接刺激听觉神经，但它激起的耳蜗内基底膜的振动图案却和空气传导声的作用完全相同，只是灵敏度稍低。例如，人听到自己咀嚼东西的声音都是通过骨骼传输的，而人听到自己说话的声音则是骨传导和气传导声音合成的结果。传输途径和传输媒介的不同会造成人的主观听感的差异。3 骨导技术的优缺点与气传导方式比较，骨传导具有明显的优势。第一，由于骨导电话直接接触人体的部件是骨振器，它是一个纯机械振动部件，不存在电磁波对人脑的潜在辐射危害。第二，由于骨导传输不需要空气作为介质，在强噪声环境下会仍有较高的清晰度。第三，骨导传输不是简单通过放大音量来提高收听效果，因此不会导致进一步听力损失。第四，使用特制的骨导耳机，收听者也可以欣赏到高质量的立体声音乐。最后，骨导收听方式不占用耳道，使用者在接听骨导声音的同时，还可以听到周围环境的声音，既安全又舒适，更适用于一些特殊的场合。如视障人士，他们不习惯耳朵里塞耳塞，骨导耳机更适合他们的使用习惯。但是，骨传导方式也有自身的缺点。第一，由于技术条件的限制，普通骨导产品要产生真正满意的立体声还有一定难度，并且成本较高。第二，从节能角度看，骨导方式一般比气导方式更耗电，特别对便携型骨导设备来说，电池续航能力是一个考验。第三，从传输性能角度看，骨导方式输出声音较小，频域较窄，低频衰减大，失真较高，导致骨导录音和回放质量不如传统的麦克风和耳机。第四，从用户体验的角度看，一般骨导产品携带不方便，不舒适，使用也不符合一般人的传统习惯。4 骨导技术的应用骨导产品一般可以分为两大类：骨导输出设备和骨导输入设备。骨导输入设备是指：采用骨导技术接收说话人说话时产生的骨振信号并传递到远端或者录音设备。骨导输出设备是将传递来的音频电信号转换为骨振信号并通过颅骨将振动传递到人耳的设备。从目前科研和市场情况来看，骨导输出设备的应用类型更多，如下面提到的骨导助听器、骨导电话、骨导耳机和骨导MP3播放器等。4.1 骨导助听器常见的助听器一般采用气导传输的方式，通过对外界声音的放大来帮助患者提高听力水平。然而，对于一些无法使用气导助听器的耳聋患者来说，骨导助听器则是更好的选择。自从1923年世界上出现了第一个骨导助听器以来，骨导技术最先在助听器领域得到了应用。骨导助听器适用于传导性听力损失、先天性外耳发育不全的患者及某些因患外耳、中耳疾病而不适于佩戴气导助听器的患者。骨振器是骨导助听器的核心器件，它其实是一个通过振动头盖骨产生听觉的机电换能器。它和颅骨紧密接触并振动颅骨，然后颅骨再把振动信号传到耳蜗。骨振器的工作原理与电声受话器类似，助听器放大器的输出通过电线与骨振器相连，来代替传统电声受话器。由于骨振器使用质量很大的振动膜，必须要有较大的音频电流通过线圈来振动这个薄膜，骨导传感器一般使用大功率输出的助听器来驱动。惯性使得振动膜作抵抗振动，引起骨振器整体振动，从而把振动信息传给颅骨。由于骨导的传导效率远低于气导，为了高效传递能量，骨导传感器必须紧靠颅骨并垂直地压在颅骨表面。4.2 骨导手柄电话为了和骨导移动电话相区别，骨导手柄电话专指使用手柄接听的骨导固定电话机。从外形上看，骨导手柄电话机与传统的固定电话并没有明显区别，带有手柄，可以根据使用者的不同或者听音环境的差异自由选择气导或骨导收听方式。骨导手柄电话既保留了普通电话机的所有功能，又特别地为耳疾和弱听者服务。正常人也能通过骨导接听来提高嘈杂环境中的声音信噪比，或者避免环境中过强噪声对人耳造成伤害。例如，有听力障碍的使用者可以固定地选择骨导收听方式，而正常人则可以在环境噪声较大时，灵活地选择骨导收听方式来提高收听质量。同时，为了减弱环境噪声通过耳道进入内耳，收听时塞住耳朵可以有更好的收听效果。骨导手柄电话利用机械波可以穿过头骨刺激内耳的原理，在电话机听筒上装有一个振动头，也就是前面提到的骨振器，使声波直接通过头骨耦合进入内耳。有听力障碍的人可以将该振动头顶在额头或下颚处接听，这样骨振器的振动会通过骨骼将信号直接传递到内耳，从而产生听觉。骨导手柄电话适用于因药物中毒、传染病、遗传、出生缺陷、外伤、长期在噪声环境中工作等造成听力障碍的人群使用。从理论上讲，这类产品特别适合传导性耳聋患者使用。4.3 骨导移动电话机与骨导输出和输入设备相对应，骨导移动电话机分为两种。一种是在接收方向上使用骨振器将音频信号转换为机械振动通过颅骨传递到内耳产生听觉，这与骨导手柄电话机的原理相同。另一种是指在发送方向上采用骨振输入设备，通过比较高灵敏度骨振传感器与普通麦克风接收的音频信号，滤除背景噪声等非说话人相关内容，使通话对方在噪声较大的环境中仍然能听到比较清晰的通话声音。可以看出，在后者应用中，骨传导是作为一种辅助降噪手段而使用的。由于这种采用骨导传输说话人声音的方式和传统麦克风拾音相比起步较晚，听起来不太自然而且声音发暗，频域较窄，影响了通话中的语音质量。从目前来看，骨导技术在移动电话机中的应用尚不成熟，生产厂家不多，还没有得到市场的普遍认可。4.4 骨导手表电话这种新型手表电话看起来与一般的手表并无明显区别，靠近手腕内侧一面是骨振器，通话时用一个手指按住正常塞耳机的耳道出口位置，远端传来的声音通过骨振器转换为振动信号，并通过腕骨和手指再到头骨最后进入内耳。手表电话的内侧有一个麦克风可以接收本地说话人的声音。 4.5 骨导的其他应用现在市场上已经出现了一些骨导耳机，不同于临床骨导耳机，它可以应用在电话机、音频播放器等多种设备上，并且具有标准化接口。骨导耳机接收电话或播放器传来的电信号，并转换为机械振动输出。还有一种能置入摩托车头盔内的骨导耳机，与音乐播放器相连可以在行车时欣赏音乐。因为不需要用耳塞堵住耳道，能随时听到周围环境的声音，比传统的耳机更加安全。它还能用在军用头盔和建筑工人安全头盔上。传统耳机必须用电磁线圈，这在发生交通事故时容易刺入头部，存在安全隐患，而骨导耳机使用压电陶瓷，非常薄，而且质地柔软，降低了安全隐患。除此以外，还有骨导FM收音机、骨导水下MP3播放器和骨导枕头等产品。5 骨导技术对于我国建设和谐社会的特殊意义随着社会的进步和人民生活水平的提高，中国老年人口比重越来越高，我国正在加速步入老龄化社会，同时，我国还拥有为数众多的残疾人群体。有关部门统计数据显示，截至2006年4月，全国各类残疾人总数达到8 296万人，其中听力残疾2 004万人，占残疾人总数的24.16%。虽然这些弱势人群身体的部分机能受到限制，但他们和正常人一样，有享受现代科技文明带来的好处的需求和权力。建设和谐社会主义应该兼顾老年人和残疾人，针对不同人群，开发和提供相应的辅助技术和辅助设备，以提高全社会的无障碍水平，增强弱势人群的归属感和参与感。信息无障碍是无障碍建设的重要组成部分，直接体现了整个社会无障碍建设的发展水平，体现了建设和谐社会的平等原