人工耳蜗音乐感知的编码策略与电极结构的研究

发布时间：2020-04-20 06:18

【摘要】：人工耳蜗是帮助深度感音性耳聋患者重获听力的唯一医疗装置,其工作原理是将声音信号转化为电脉冲刺激病变耳蜗听神经,让患者获得部分听力。目前,人工耳蜗患者在安静环境下的言语交流能力有很大的改善,但是糟糕的音乐感知效果是亟待解决的难点问题。音乐感知的关键问题是人工耳蜗植入者对音高感知的不准确。人耳的音高感知理论有时间理论和部位学说,时间理论体现在电刺激速率上,部位学说则体现在电极的分布方式上。大量的研究从提升时间精细结构的表达出发,来增强音乐的感知效果,但是提升效果并不明显。经过对音乐信号的特性分析,按照部位学说理论,电极的数量和布置方式也需要进行改进。本文首先详细并系统分析了音乐信号的特点,包括音高、音色等基本特征,还有十二平均律以及常见的代表乐器,从而建立了对音乐声学信号全面具体的认识。然后重点分析了耳蜗音高感知理论,还介绍了人工耳蜗系统构成,为随后的测听评估实验和电极改进方案的提出奠定理论基础。测听评估实验采用信号重构的方法,召集受试者进行主观评估测试,从音高感知的部位理论出发,探究了音乐信号谐波成分与音高感知的关系,并且设计了单音音符信号的音高测试和旋律片断识别两部分内容。实验发现,(1)基波是音符信号最重要的谐波成分,基频的缺失会显著影响音高和音色的感知。要获得理想的音乐感知效果,首先要精确表达基波,并且传递尽可能多的谐波成分,以保证音乐信号的频谱完整性。(2)由于按照传统人工耳蜗电极的排列方式,谐波成分无法精准刺激其基底膜相应频率位置,造成谐波的频率移位。测听结果发现,按照传统电极排列的合成旋律信号的识别效果不佳。根据测听评估实验的相关结果,对传统人工耳蜗电极进行改进,提出了按照音符基频在耳蜗基底膜相应位置布置电极的方法。在100至8000Hz的频率范围内,考虑到工艺限制,采取音符分组,在双侧耳蜗适当增加电极数量。这种电极分布方法,符合音符分布特点,有望提升音乐信号的感知效果。
【图文】：

十二平均律,音符,音色,音程

逦（２－１邋）逡逑在十二平均律中，所有的半音和全音的频率比是恒等的，但是没有一个音程等逡逑于自然谐波系列的相邻音程。图２－２表示以Ａ４邋（４４０Ｈｚ）音符为标准参考频率的十逡逑二平均律中

起振,管风琴,颤音,音符

声谱图（ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍ）能够记录在整个持续过程中乐音随着时间变化的特性。逡逑声谱图的横轴为时间轴，纵轴为频率轴，而幅度的大小由颜色的深浅表示。通过乐逡逑音的波形图和声谱图，可以清晰地观察到乐音的起振、稳态和衰减阶段。图２－３为逡逑管风琴演奏的Ｃ４音符的完整波形和声谱图（ａ）以及起振阶段的波形和声谱图（ｂ）。逡逑由图可知，起振和衰减阶段的频谱随时间不断变化，而稳态阶段的频谱相对稳定。逡逑乐音的起振阶段对音色的感知非常重要，稳态阶段的音色感受较为真切，而衰减阶逡逑段对音色感知的作用较弱。由图２－３邋（ｂ）可知，，在起振阶段可以清晰地看到各次逡逑谐波的建立过程，不同的谐波建立过程可以反应不同乐器的起振特性。谐波成分的逡逑逐步建立过程对应声压波形上起振阶段包络的变换，尤其是逐渐增大的幅度变化。逡逑XuQ\0逡逑￣￣？逦７逦ＰｒＺｐａｌＢ－逡逑频逡逑率逦＿＿＿＿＿邋！逡逑，￥ｍ－邋ｋｉ邋—邋ＬＵＩｒ邋—邋＾邋—ｉ—．１．一邋邋—ｎ邋ＩＭｒ邋ｉ．ｔ邋？ｒ—ｎ．ｒｏ．ｉ邋ｉ￣．．邋ｉｉ－１邋ｉｉ．．．．．邋ｉｉｔ邋｜逦■■？尊．逦＂＇ｗｍ逡逑逦逡逑ｒ邋逦ｉ邋：逦；邋ｕ邋７逦１逡逑ｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍｍａｒｎ逦－－邋邋邋邋邋逡逑ｊ逦二邋邋邋邋邋＇邋■邋｝逦．逦？邋１邋Ｌ．．＇二邋＂邋？ｎｍ＾—ｘｊ—ｍｉｎｉｉ逡逑ａ逦ｂ逡逑图２－３管风琴演奏的Ｃ４音符全阶段以及起振阶段的波形图和声谱图逡逑颤音是一种常见的在稳态阶段出现的现象，主要表现为高次谐波随时间的频逡逑率波动变化。图２－４显示了小提琴的颤音现象
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN912.3

【参考文献】