一种基于NFxLMS算法的电子听诊器自适应降噪装置及其方法与流程

本发明属于电子听诊器，特别涉及一种基于nfxlms算法的电子听诊器自适应降噪装置及其方法。

背景技术：

1、近年来，冠心病的死亡率逐年攀升，因此定期的家庭体检就显得尤为重要。随着电子技术的发展，电子听诊器应运而生，电子听诊器能够从根本上解决传统听诊器的缺点，电子听诊器能够回放和存储声源信号，并且能够通过算法的优化从而过滤噪音，提升医生和患者对病理做出有效的预测。

2、正常的心脏在心电的作用下，平均每0.8秒跳动一次，每一次跳动都进行一次完整的收缩、舒张，这个过程也就进行了一次心动周期。声源信号有不同频率，正常情况下在1hz到600hz区间，异常声源信号会大于1500hz。声源信号分为第一声源信号(s1)、第二声源信号(s2)、第三声源信号(s3)和第四声源信号(s4)。其中s1，s2分段在50hz到100hz之间，而s3，s4分段信号不明显，在10hz到50hz之间。

3、电子听诊器在与皮肤接触时会产生刺耳的摩擦音并且所处环境的嘈杂声音，在经由电路放大声音后产生的噪音会感觉到不适，因此听诊器的听头设计所带的降噪功能和降噪算法所起的作用就显得尤为重要。anc又称为噪声控制，常应用在耳机降噪中，通过降噪系统产生与外部噪音相等的反向声波，将噪声中和，从而实现降噪的效果，其中nfxlms算法为噪声控制的核心算法。

4、声阻抗是指声音在介质中传播时所受到的阻力，两种声阻抗不同的介质接触面称为界面。当声波入射到两种声阻抗不一样介质的分界面上，由入射声波的一部分被反射，另一部分发生折射。因此当设计一种三层介质的听诊器听头就能够有效的抑制声音的外逃与外部声音的进入。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于nfxlms算法的电子听诊器自适应降噪装置及其方法，构建降噪装置实现降噪技术，通过贴合封装在一起的三层降噪壳体，使得传播到下一介质的声能减小，将有效声源封闭在听头内，达到降噪作用；本发明提出的降噪技术使用nfxlms算法更新噪声权值和优化电子听诊器声透射系数实现降噪，通过电路进行声源信号放大，将噪声滤除，提高声源信号的质量，达到高效降噪的效果。

2、为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

3、一种电子听诊器自适应降噪装置，其包括听诊器本体、听诊器听头、连接组件、外收音器和内收音器，所述听诊器本体和听诊器听头通过连接组件相连接；

4、所述听诊器本体包括本体外壳和支撑框体，所述支撑框体设于本体外壳的内部，且所述支撑框体的外圆周与所述本体外壳的内壁连接；所述支撑框体上设有用于无线传输的蓝牙模块；

5、所述听诊器听头包括听头壳体、听诊器收音薄膜和负压胶圈，所述听头壳体包括彼此嵌入封装为一体的第一降噪壳体、第二降噪壳体和第三降噪壳体，所述第一降噪壳体的顶部设有球形限位槽，所述听诊器收音薄膜和负压胶圈均嵌入所述听头壳体的底部，所述负压胶圈设于所述听诊器收音薄膜的外圆周；

6、所述连接组件包括一体结构的球关节和弹簧连接杆，所述球关节卡设于所述球形限位槽内，所述弹簧连接杆包括螺纹端和弹簧部，所述螺纹端与所述支撑框体上的螺纹通孔相连接，所述弹簧部与所述球关节相连接；

7、所述外收音器嵌设于所述第一降噪壳体的外表面上，所述外收音器的声音采集端与所述第一降噪壳体的外表面齐平；

8、所述内收音器设于所述听诊器听头的内部，且所述内收音器与第三降噪壳体相连接，所述内收音器与所述听诊器本体电连接，所述内收音器的声音采集端朝向所述听诊器收音薄膜。

9、优选地，所述听诊器听头为圆锥型结构，所述听诊器本体设于听诊器听头的上方，所述听诊器本体的底部与所述听诊器听头的外表面相匹配设置。

10、优选地，所述听诊器本体与听诊器听头通过连接组件旋转于同一中心轴线上。

11、优选地，所述本体外壳的上部设有扬声器、智能显示屏以及多个功能按键，所述扬声器和智能显示屏均与内收音器电连接，所述功能按键包括电源开关、蓝牙开关、降噪开关、显示开关以及两个扬声器开关，所述电源开关连接电源，所述蓝牙开关与蓝牙模块电连接，所述降噪开关与听头壳体电连接，所述显示开关与智能显示屏电连接，两个所述扬声器开关均与扬声器电连接。

12、优选地，所述第一降噪壳体的厚度大于所述第二降噪壳体的厚度，且所述第一降噪壳体的声特性阻抗大于第二降噪壳体的声特性阻抗；所述第二降噪壳体的厚度与第三降噪壳体的厚度相等，且所述第二降噪壳体的声特性阻抗小于第三降噪壳体的声特性阻抗。

13、优选地，所述弹簧连接杆的螺纹端与所述支撑框体的螺纹通孔之间设置有用于调节听诊器听头松紧的限位胶圈，所述弹簧部带动所述球关节能在偏离中心轴线的一定角度内转动。

14、优选地，所述球形限位槽的上端设有卡装连接件，所述卡装连接件采用柔性材质且其上端开口处的直径小于所述球关节，所述球关节通过卡装连接件卡入所述球形限位槽内且所述球关节在球形限位槽内旋转。

15、本发明还提供一种基于nfxlms算法的电子听诊器自适应降噪方法，其特征在于，其包括以下步骤：

16、s1：使用电子听诊器采集声源信号和外部噪声信号；

17、使用电子听诊器的听诊器听头采集声源信号；使用电子听诊器的外收音器采集外部噪声信号；

18、s2：使用nfxlms算法更新权值向量，实现电子听诊器降噪；

19、获取步骤s1中的外部噪声信号，建立心音噪声辨识的神经网络模型，训练bp神经网络，根据其输入和输出数据初步判定杂音类型，然后对杂音类型进行矩阵分解，使用分解的nfxlms算法产生相反相位的声波，来消除声场环境中的外部噪声信号；根据误差信号和输入信号差值平方的期望获得nfxlms算法更新权值的公式，为：

20、j(w)＝e{|e(n)|2}＝e{|d(n)-wt(n)x(n)|2}；

21、其中，j(w)为均方误差函数；e(n)为误差信号；d(n)为期望信号；e为滤波期望值；w(n)为滤波器的权系数向量；x(n)为输入信号向量；

22、进一步，利用梯度下降法更新滤波器的权值向量，为：

23、w(n+1)＝w(n)+2μx(n)e(n)；

24、其中，w(n+1)为更新后的滤波器权值向量；μ为步长控制因子；

25、所述步长控制因子决定了算法的收敛速度和稳定性，使用归一化nfxlms算法引入了一个归一化因子，使得步长参数随着输入信号的变化而变化，具体地，归一化nfxlms算法的权系数更新公式为：

26、

27、其中，xt(n)x(n)为平方欧氏范数，表达输入信号的功率水平；∈为保证步长因子的有界性；

28、s3：建立电子听诊器声透射系数的计算与优化模型；

29、通过构建声波在不同介质之间反射和透射的能量比例关系，确定电子听诊器声透射系数的计算公式为：

30、

31、其中，τ为电子听诊器声透射系数；z1为第1层介质的特征阻抗；z3为第3层介质的特征阻抗；k2为第2层介质的波数；l为第二层介质的厚度；

32、s4：根据外部噪声信号和电子听诊器声透射系数，完成电子听诊器的降噪控制；

33、获取步骤s2中根据外部噪声信号产生的相反相位声波和步骤s3中优化后的电子听诊器声透射系数；通过电子听诊器的放大器和反馈环路与相反相位声波叠加，使得传入电子听诊器内部的外部噪声信号得到抑制，实现电子听诊器的降噪。

34、优选地，步骤s2中的误差信号e(n)的获取方法为：

35、确定电子听诊器中滤波器的输出信号，为：

36、y(n)＝wt(n)x(n)＝xt(n)w(n)；

37、其中，y(n)为滤波器的输出信号；

38、根据滤波器的输出信号与期望信号确定误差信号，为：

39、e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-wt(n)x(n)；

40、其中，e(n)为误差信号。

41、优选地，步骤s3中的构建声波在不同介质之间反射和透射的能量比例关系，具体为：

42、电子听诊器内部声压获取方法为：

43、

44、其中，pi为第i层介质电子听诊器内部声压；ai为入射波的振幅；bi为反射波的振幅；i为介质层数编号，i＝1，2，3；x为声波在介质中沿横轴方向传播；ki＝ω/ci为第i层介质的波数；ω为电子听诊器内部声波角频率；ci为声音传播速度；

45、利用边界条件和连续性条件构建方程组，求解上式中的电子听诊器内部声压；将声压的表达式代入上述方程组，并令其行列式为零，得到一个关于k23＝k2-k3的方程，进一步推导，确定电子听诊器声透射系数，完成对声波的传播控制；

46、电子听诊器声透射系数τ，根据透射波的能流密度与入射波的能流密度之比来确定，计算公式如下：

47、

48、其中，p′3为第3层介质中的有效声压；v′3为第3层介质中的有效声速；p′1为第1层介质中的有效声压；v′1为第1层介质中的有效声速；

49、由于声波是平面波，所以有效声压的获取方法为：

50、

51、其中，p′i为第i层介质中的有效声压；

52、有效声速的获取方法为：

53、v′i＝pi/zi；

54、其中，v′i为第i层介质中的有效声速；

55、将结果代入透声系数的计算公式，为：

56、

57、其中，τ为电子听诊器声透射系数；zi为第i层介质的特征阻抗；

58、进行化简，最终得到电子听诊器声透射系数。

59、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

60、(1)本发明通过在电子听诊器上设置外收音器和内收音器，外收音器主要吸收外部噪声信号，内收音器收集声源信号，使用nfxlms算法更新噪声权值和优化电子听诊器声透射系数实现降噪，通过电路进行声源信号放大，将声源信号之外的噪音滤除，经过降噪后在智能显示屏进行显示，从而提高听诊器的降噪效果。

61、(2)本发明通过在听诊器听头上设置有三层降噪壳体，采用贴合封装在一起且使其之间的声特性阻抗存在差异，根据声音传播规律，当声音经过前后介质阻抗差异较大的界面时，会有较大的声音反射系数，所反射的声能也就更多，能够传播到下一介质的声能越小，有效地将声源信号封闭在听头内，外部声音阻挡在听头外，达到降噪的作用。

62、(3)本发明的电子听诊器设置有负压胶圈，能够有效避免移动过程中听诊器收音薄膜的摩擦声音，而且负压胶圈能够进行吸附作用，同时与听诊头听头的听诊器收音薄膜形成封闭降噪空间，能够有效隔绝外部噪音，达到降噪的作用。

63、(4)本发明设计的电子听诊器设置有螺栓弹簧连接组件，能够为听诊器提供拉力与缓冲工作时带来的冲击，球关节能够使听诊器听头旋转，听诊器听头与听诊器本体并未直接贴合连接，因此听诊器听头能够通过旋转更好贴合，并通过弹簧部提供一定范围的偏离中心轴线的旋转空间，实现听诊器听头根据使用者手腕的动作实现自适应以达到更好收音效果。