纯音听损测试系统的Android实现

陈双燕，汤巧治

(闽南理工学院电子与电气工程学院，福建石狮362700)

1 项目背景介绍

根据2017年世界卫生组织(WHO)关于听力损失的报告[1]，全球有5%的人口患有残疾型听力损失，其中3200万是儿童，约3.28亿的成年人听力损失超过40 分贝[2]。据2016年北京听力大会的报告[3]，我国有15.84%的人存在听力障碍。调查发现，耳病患者中接受过耳科检查的比例只有27.56%。

除了先天性的基因缺陷、人体随着年龄自身衰退等原因，生活噪音也是造成听力损失的一大威胁。另外，常年戴着耳机，也容易伤害耳朵[4]。听力损伤是一个长期积累的过程。越早发现听力损伤，越有利于听力障碍的及时治疗。自助的听力评价系统可以方便我们日常检测听力，及早发现听力的问题。

由于Android 手机的普及率很高，手机便于携带，方便随时检测听力，因此采用Android手机平台来进行听力损伤测试系统的开发。

2 系统功能需求

综合考虑助听器验配的相关需求、补偿算法所需数据以及移动平台本身的特点，听力测试系统的功能需求主要有以下方面：

1)系统具有纯音信号产生功能，可以根据频率信息产生对应的纯音信号；

2)具有纯音听阈测试功能，可以给出受试者的听力图；

3)具有良好的人机交互界面。

系统设计所参照的技术指标约定如下：

1)频率范围：250～6 kHz中的6个频点(250 Hz、500 Hz、1000 Hz、2000 Hz、4000 Hz、6000 Hz)；

2)最大声压级100 dB HL；声压级误差在±3 dB内；

3)频率误差小于1%；

4)环境噪声小于40 dB。

3 纯音测听法

针对成年人，目前主流的听力检测方式是纯音测听、音叉检查、声导抗测试等方法。较之于音叉检查和声导抗测试等方法，纯音测听对于仪器的要求不高，只需要能产生固定频率的单频声音信号发生器，而由于Android平台中含有MediaRecord类能播放固定频率的声音，因此采用纯音测听法进行。

纯音测听法就是通过播放固定频率点的声音，将受试者在这些频率点上能听到的最小的声音强度记录下来。

国际上通用的几个专门用于听力测试的频率点是：500 Hz、1000 Hz、2000 Hz 和4000 Hz，本次设计增加了250 Hz和6000 Hz。

固定频率的声音可以用正弦波来描述，如公式(1)所示：

由于人的耳朵对相位的敏感度较低，因此，取φ=0。

声音的采样频率用fs来表示。采样频率是指在一秒时间内采集声音样本的次数，采样频率越高，声音的效果越好。目前常见的声音采样频率为：11 kHz，22 kHz和44.1 kHz。

本次设计采用44.1 kHz 的采样频率，因此，接下来以在44 100 Hz 的采样率生成1000 Hz 测试音源为例。由于采样频率是44 100 Hz，因此需要通过44 100个点来完成这些弧度的采样，每个采样点的弧度间隔为：

因此每个周期需要45个采样点，可表示为：

n为整数，根据以上公式来采集正弦波形的数据，其中A为信号的幅度。

声音强度用声压级来表示，其单位是dB SPL，用AdB来表示。由于要产生不同强度的声音，因此要让信号幅度以5 dB 的间隔增加。声音强度AdB和信号幅度A的关系如公式(2)所示。本次设计，由于Android 手机能够输出的声音强度有限，因此将声强范围设置为0～99 dB。在设计中，Android 的采样位数定为16 bit，数据是有符号数，因此取值范围是-32 768～32 767。以正信号为例，有32 767个等级，根据公式(2)，可知对应的声强范围为0～90.3 dB。

按照5 dB 的声强间距，可以分为19 个声强等级。

4 系统设计与实现

4.1 系统总体设计

本次设计是在Android Studio平台下，采用Java语言进行的，系统总体框架如图1所示。该听力损伤测试系统主要包括以下界面：

1)欢迎界面：欢迎界面中包含logo，以及系统功能说明。

2)功能选择界面：用户可以根据需求进行环境噪音测量或者纯音听力测试。

3)环境噪声检测界面：进行环境噪声的实时监测，显示信息包括最高分贝、平均分贝、最低分贝，环境噪声实时曲线以及噪声分贝说明。当环境噪声小于40 dB 时，适合进行听力检测，否则建议用户到安静的环境下进行测试。

4)测试耳机设备界面：系统提示“戴上耳机”，分别测试设备的左声道和右声道是否正常工作，并建议选择听力较好的耳朵先进行测试。

5)纯音听力检测界面：显示当前测试的耳朵，当前纯音频率，当前纯音的分贝，以及“听不到”、“播放”、“听得到”三个按钮。

6)测试结果界面：包括左耳和右耳的检查结果曲线图。

7)听力损失情况分析界面：包括左耳以及右耳的听力损失情况，并且根据用户的情况给出分析与建议。

图1 系统总体框架

系统主要包括环境噪音检测模块和纯音听力检测模块。

4.2 环境噪音检测模块

MainActivity 是系统的主活动，用户可以选择环境噪声测量或者检查耳朵。一般建议用户先进行环境噪声检查，对当前的环境噪声进行测评，判断是否适合进行听力检测。

环境噪声测量模块由NoiceCheckActivity 实现。采用MediaRecorder 类进行测量，检测时间为15 s，取样时间为0.1 s。环境噪音测量给出当前噪音值，最大噪音值，最小噪音值，平均噪音值以及实时显示分贝值的折线图，并有对应的分贝说明。

当15 s的检测时间到，如果当前的环境噪音大于40 dB，则弹出对话框，不建议进行听力测试，建议到较安静的环境测试；当环境噪音小于40 dB，则进入测试。

实时分贝值的折线图，纵坐标是0～90 dB，横坐标是时间，可以实时描绘出环境的噪音值。

4.3 纯音听力检测模块

进入听力检查后，首先进行设备检测，采用AudioManager分别检测左耳和右耳的耳机是否正常工作。系统依次播放0.6 s、0.8 s 和1 s 的1000 Hz、50 dB的纯音来检测设备。

听力检查模块是TestActivity。若左耳、右耳都能听到声音，建议用户选择听力较好的耳朵先进行测试，以isLeft 参数来判断当前测试的耳朵是左耳还是右耳。

左耳和右耳的测试流程是一样的。纯音测听流程如图2所示：初始频率为1000 Hz，声音强度为40 dB，若受试者可以听到声音，则每次下降10 dB，若受试者听不到声音，则每次增加5 dB，直到受试者可以听到声音，系统记录该频率下受试者能听到的最小声音强度。接着测试2000 Hz、4000 Hz、6000 Hz、250 Hz、500 Hz这些频点的声音。一只耳朵测试完，测试另一只耳朵。

图2 听力测试流程

5 系统测试结果

环境噪声实时监测结果如图3(a)所示，当环境噪声大于40 dB 时，建议用户选择安静的环境进行听力测试。用户在听力测试界面进行左右耳的测试后，则给出听力测试曲线图，如图3(b)所示。最后，根据表1 的听损程度分级[5]给出听力测试结果以及分析与建议。

图3 系统测试结果

表1 WHO听损程度分级

经测试，系统可以实现环境噪声监测和听力检测。用户界面友好，具有一定的实用价值。