摘要：針對目前煤礦應急救援過程中語音傳輸易受現場噪聲環境干擾，語音質量差，救援隊員佩戴氧氣全面罩后，不便佩戴普通耳機和麥克風的情況，著重研究借助骨骼、神經、肌肉傳播聲波產生聽覺的骨傳導聽說技術在煤礦應急救援語音采集傳輸的應用，并首次利用該技術研制出煤礦應急救援音頻采集傳輸的骨傳導語音聽說器，解決災變現場語音信號的高質量采集與傳輸的問題，從已裝備此骨傳導語音聽說器的煤礦應急救援隊應用實踐表明，該設備在危險環境下，能實現救援隊員佩戴全面罩后骨傳導語音聽說器通話清晰、抗噪聲能力強的功能，地面指揮中心能實時掌握災變后井下被困人員及救援隊員的生命狀況和事故現場狀態，提高指揮救援的安全性和可靠性。

關鍵詞：應急救援；骨傳導聽說技術；語音聽說器；音頻采集；濾除噪聲；實時回傳

0.引言

應急救援是煤礦安全管理的重要內容，在煤礦重大事故發生后，迅速控制事故的發展并盡可能了解井下事故現場情況，保護現場人員的安全，將事故對人員、財產、環境造成的損失降至最低，是應急救援的重中之重。煤礦井下搜救隊員清晰實時的音頻信息采集傳輸，不僅可以了解到事故井下人員的生命狀況和事故現場狀態，還可以通過語音下達應急指揮指令，對進一步部署營救工作，做出具體全面的營救方案起到關鍵作用^[1]。目前煤礦應急救援裝備的音頻采集采用最常見的氣傳導音頻采集傳輸技術，氣傳導音頻技術是通過空氣振動，將聲音傳播到人的耳朵產生聽覺，常用的普通耳機及麥克就是采用氣傳導音頻技術設計的；但是氣傳導音頻采集傳輸通過空氣傳播的聲音易受環境影響，尤其是在噪聲較大的災變后煤礦巷道中，音頻采集傳輸過程中信號變形、失真嚴重，導致音色發生很大變化，救援隊員帶上救護氧氣全面罩后發聲氣流不暢，聲波響度、音色降低，導致救援隊員與指揮中心的語音溝通不暢；同時救護隊員佩戴和固定普通耳機和麥克風后，救援隊員頭部活動受到限制，舒適性很差，給救援工作帶來諸多不利影響。筆者基于骨骼、神經、肌肉傳播聲波產生聽覺的骨傳導聽說技術，研制出煤礦應急救援的音頻采集裝備（骨傳導語音聽說器）。骨傳導是指將聲波通過顱骨、骨迷路、內耳淋巴液、螺旋器、聽神經、大腦皮層聽覺中樞的途徑，骨傳導有移動式和擠壓式，二者協同可刺激螺旋器引起聽覺。通過顱骨傳播的聲音經過喉管與耳朵之間的骨頭直接到達內耳，聲音能量和音色衰減、變化以及受外界影響的程度相對較小。通過骨傳導通話時，基本過濾掉了背景噪聲，因而人們聽到的聲音會更加清楚，這一優勢在煤礦井下災變后環境惡劣的情況下使用，優勢尤為突出。筆者研制的骨傳導語音聽說器與防護頭盔、氧氣面罩、攝像機等有機結合在一起^[2]，緊貼救護隊員的頭骨。該設備采集的不是救護隊員的聲波信號，而是發聲帶動的頭骨振動信號，所以全面罩內氣流不暢，音色失真等弊端都不會影響正常采集聲波信號；同時聲波信號采集、傳輸與煤礦救援現場的噪聲環境無關，保證回傳地面的聲音信號不受災變現場環境的噪聲干擾，滿足災變現場語音信號的高質量采集與傳輸，增強救護隊員的舒適性、安全性，實現救援隊員佩戴全面罩骨傳導語音聽說器后語音通話清晰、抗噪聲能力強的功能。

1.骨傳導聽說技術

骨傳導聽說技術廣泛運用于醫療、軍事等領域，醫療方面主要是應用于助聽器的設計，幫助聲帶受損不能正常發音，但是有發音意識帶動頭骨振動的聾啞輔助治療；軍事領域主要是部分戰斗機飛行員飛行時語音采集傳輸；但是醫療和軍事應用場景與煤礦井下災變后應急救援場景有非常大的區別。運用骨傳導聽說技術研制煤礦應急救援用的語音聽說器，主要是將骨傳導基本技術原理針對煤礦應急救援特點，通過時域有限差分法提高聲波信號有效采樣、濾除干擾噪聲，并設計出救護隊員方便佩戴，符合應急救援通信信號傳輸模式的更加方便、有效、可靠產品。

在煤礦井下發生災變，巷道環境未知的情況下，對骨傳導音頻信號有效采樣帶來諸多不定因素，采用時域有限差分迭代法計算聲波骨傳導在頭顱內的傳輸特性，研究災變后救援現場骨傳導聲波頻率采樣間隔，并采用采集迭代算法，為煤礦災變后應急救援系統中骨傳導語音聽說器的研制提供理論指導和仿真模型^[3-4]。 采用FDTD算法可將波動方程在時間和空間上離散化，從而得到時域差分迭代方程，在時間和空間上逐步推進求解，即可求出整個聲場的分布。

時域差分算法是將有限差分方程代替聲波波動方程，當離散后差分方程組的解是收斂和穩定的，聲波散射特性才能有效。要使計算結果不發散，應當滿足聲波傳輸的穩定條件。采用時域有限差分迭代法能保證采集的頭骨振動信號是有效采樣，如果采樣信號不能滿足有效音頻信號的響度和音色門限，繼續迭代采樣，這種算法模型提高了骨傳導語音聽說器的音頻信號質量，滿足正常分辨的音調信號響度和音色指標。

2.煤礦井下骨傳導語音聽說器設計及測試

2.1骨傳導語音聽說器的設計

煤礦災變后應急救援骨傳導語音聽說器設計采用PTT控制方式以及只識別人聲帶發聲的DSP模塊運算，使得外界噪聲和沖擊不被聽說器拾音，噪聲在傳輸之前就通過特殊設計的DSP模塊處理和監測，該設計的聽說器音質清晰，可以達到在120dB噪聲環境下正常通話，保證救援指揮的實時性^[5]。

為了符合煤礦救護隊員的佩戴方便及煤礦災變現場的特殊環境，煤礦應急救援用的骨傳導語音聽說器是把聽說器戴在救援隊員頭盔全面罩內，當救護隊員說話時，聲帶震動產生強弱疏密的震波傳到救援隊員的骨頭，置于救護隊員頭盔的頭頂部位的高靈敏度震動感應麥克^[6]，收集經由骨骼傳導的聲音震動音波，傳送到頭盔內集成數字微電腦處理器（CPU），CPU將收集的音頻震動信號（類比信號）轉換成數字化的音頻信號，經由中央微處理器內的頻率篩檢視窗^[7-8]，將救援隊員聲帶所能發出的頻率以外的噪聲自動消除，有效的音頻信號輸入經數據傳輸模塊傳輸到數據采集儀，數據采集儀以無線傳輸的方式傳到MESH基站，通過MESH多跳技術將音頻信號傳導調度指揮計算機，通過計算機上的耳機可以聽到音質清晰無失真的話音^[9]。骨傳導語音聽說器設計原理如圖1所示。

骨傳導語音聽說器的設計主要由骨傳導拾音器、骨傳導放音器、數據通信模塊、相關電路和一次成型外殼組成。煤礦應急救援用骨傳導語音聽說器產品如圖2所示，人體模型佩戴全面罩頭盔及骨傳導語音聽說器后的效果如圖3所示。

圖1骨傳導語音聽說器設計原理示意

圖2骨傳導語音聽說器產品

圖3骨傳導語音聽說器佩戴示意

2.2骨傳導語音聽說器主要指標測試

骨傳導語音聽說器與同功能等級的氣傳導聽說器（即常用耳機及麥克風）在特定信號輸入輸出條件下，采用相同的專業測試設備，對可能影響應急救援音頻采集傳輸的指標進行測試，測試儀器采用TH1312－60音頻掃頻信號發生器/音響專用測試儀，是由32位的MCU的定時中斷采集音頻信號，采樣率為40.96kHz，采集2048個點，根據采樣點分析頻譜特性及各個頻率點的功率值。骨傳導語音聽說器測試原理如圖4所示。

圖4骨傳導語音聽說器測試原理

骨傳導語音聽說器與氣傳導聽說器的數據對比見表1，是在輸入頻率為1kHz的正弦波標準音頻測試信號，同組不同功率的白噪聲干擾輸入，幅度量程控制在0.02～5.00Vpp時取得的。測試參數表明，在同等條件下，骨傳導語音聽說器測試參數基本都優于氣傳導聽說器。

3.煤礦井下骨傳導語音聽說器的實踐應用

筆者設計完成的KJ30礦用救災無線通信系統中的骨傳導語音聽說器采用骨傳導聽說技術設計完成，已經取得安標認證（安標證號：MHA110127），并取得2項發明專利，目前已經在國家應急救護中心的內蒙古平莊煤業、兗州煤業、江西煤炭集團、山西汾西礦業、神華寧夏煤業集團等16個救護大隊裝備使用。全面罩骨傳導語音聽說器在應急救援指揮系統的煤礦應用布置如圖5所示。

圖5骨傳導語音聽說器在應急救援系統應用布置

實踐使用達到的主要技術參數如下：①麥克風響應頻率300～3000Hz，骨傳導揚聲器響應頻率300～3500Hz；②失真度不大于10%；③麥克風靈敏度－25～－35dB，骨傳導揚聲器聲級強度不小于85dB；④在嘈雜環境下能聽清講話，能將采集到的實時話音轉換為音頻信號輸出；⑤待機時間不小于24h，通話時間不小于12h。救護隊員在井下救援現場的語音采集與傳輸受地面指揮中心調度，根據救援需求指揮中心通過軟件界面設定可以和任何一個救護隊員通話并實時錄音，地面指揮中心也可以查看同步視頻圖像并與隊員語音通話。骨傳導語音聽說器軟件界面如圖6所示。

圖6骨傳導語音聽說器軟件界面

4.結語

筆者研制的基于骨傳導聽說技術的骨傳導語音聽說器，首次將在醫療、軍事應用的成熟技術理論延伸應用到煤礦應急救援中，解決單兵救援裝備語音采集傳輸的產品弊端，提升煤礦井下救援技術及裝備的實用性及舒適性，為煤礦應急救援裝備設計研制提供新的思路和設計理念，在通用技術理論背景下，研究不同場景的技術應用，研制符合煤礦特殊環境的產品，為煤礦安全生產及應急救援提供保障，是煤礦救援裝備升級換代的技術手段之一。