Компьютерный аудиометр

Электродинамический преобразователь содержит цилиндрический корпус 1, дно которого имеет меньшую толщину, чем стенка, и представляет собой мембрану 2. Центральная часть мембраны 2, выполненная с большей толщиной, представляет собой контактную площадку 3. Корпус 1 выполнен из пластмассы (например, из капролона). С площадкой 3 жестко соединено дно чашки 4, изготовленной из немагнитного материала (например, из пластмассы или алюминиевого сплава). На цилиндрической стенке чашки 4 закреплена подвижная катушка 5. Магнитная система преобразователя включает в себя кольцевые магниты 6 и 7, намагниченные аксиально и установленные соосно одноименными полюсами навстречу друг другу. Между магнитами 6 и 7 размещен без зазоров сердечник 8 из магнитомягкого материала, на котором закреплены два короткозамкнутых витка 9 и 10, выполненные из материала с высокой электропроводностью (например, из меди или алюминия). Витки 9 и 10 расположены на поверхностях сердечника 8, примыкающих к плоскостям магнитов 6 и 7 соответственно. В случае использования одного короткозамкнутого витка он может быть размещен на одинаковом расстоянии от магнитов либо может быть выполнен в виде медного слоя на наружной цилиндрической поверхности сердечника 8. Жестко соединенные между собой магнит 6, сердечник 8 и магнит 7 закреплены на дне цилиндрического магнитопровода 11 таким образом, что чашка 4 охватывает их снаружи, а подвижная катушка 5 размещается в рабочем кольцевом зазоре, образованном сердечником 8 и стенкой магнитопровода 11. Вся конструкция имеет общую ось ОО' симметрии. В свою очередь, цилиндрический магнитопровод 11 установлен в корпусе 1 посредством кольцевых эластичных элементов 12 и 13, выполненных, например, из бутиловой резины. Магниты 6 и 7, сердечник 8, магнитопровод 11 и крышка корпуса 1 имеют сквозное центральное отверстие, через которое выведены провода 14 от подвижной катушки 5 для подключения к источнику переменного тока (не показан).

Преобразователь работает следующим образом.

Постоянные магниты 6 и 7 создают постоянное магнитное поле в кольцевом зазоре между сердечником 8 и магнитопроводом 11. При протекании электрического переменного тока в обмотке катушки 5 в результате его взаимодействия с постоянным магнитным полем катушки 5 совершает колебательные движения вдоль оси ОО'. Переменная сила, возникающая в результате этого взаимодействия, прямо пропорциональна магнитной индукции в рабочем зазоре, общей длине провода катушки 5 и силе переменного тока, протекающего в катушке 5. Поскольку длина провода катушки 5 и магнитное поле постоянны, то переменная сила прямо пропорциональна силе тока, питающего катушку 5.

В общем случае на подвижную систему преобразователя дополнительно действует ряд противодействующих сил: сила инерции массы подвижной системы, восстанавливающая сила упругости подвижной системы и сила сопротивления. Колебательное движение катушки 5 через чашку 4 передается контактной площадке 3 и далее через мембрану 2 корпусу 1. Подвижную систему преобразователя можно представить в виде колебательного контура, состоящего из действующих масс, гибкостей и механических сопротивлений ее составных частей.

На низших частотах звукового диапазона в колебаниях участвует колебательный контур, резонансная частота которого определяется общей массой катушки 5, чашки 7 и корпуса 1, гибкостью элементов 12 и 13 и импедансом нагрузки преобразователя, т.е. сопротивлением мастоида.

С увеличением частоты тока сила инерции массы корпуса 1 возрастает, поэтому на высших частотах звукового диапазона в колебаниях участвует другой колебательный контур, резонансная частота которого определяется суммарной массой катушки 5, чашки 4 и контактной площадки 3, гибкостью мембраны 2 и импедансом нагрузки преобразователя.

Необходимым условием для расширения рабочего частотного диапазона является следующее: гибкость элементов 12 и 13 должна быть больше гибкости мембраны 2, а масса корпуса 1 должна быть меньше суммарной массы магнитопровода 11, магнитов 6 и 7 и сердечника 8.

На повышение эффективности излучения направлено увеличение магнитной индукции и равномерности магнитного поля в рабочем зазоре благодаря использованию двух высокоэффективных магнитов 6 и 7, размещенных наиболее рационально в компактной магнитной системе, содержащей, кроме магнитов, сердечник 8 и внешний магнитопровод 11.

Как известно, индуктивное сопротивление катушки 5 с увеличением частоты также увеличивается и переменная сила уменьшается. Для компенсации снижения переменной силы на высших частотах на сердечнике 8 установлены короткозамкнутые витки 9 и 10, уменьшающие индуктивное сопротивление катушки 5.

Таким образом, предлагаемый электродинамический преобразователь характеризуется расширенным рабочим диапазоном частот благодаря выполнению подвижной системы в виде двух колебательных контуров, а также высокой эффективностью излучения во всем диапазоне частот благодаря оптимальному выполнению магнитной системы.

Изготовлена опытная партия преобразователей в соответствии с изобретением для использования их в составе аудиометров при исследовании костной проводимости пациентов с потерей слуха.

 

         Элементы и устройство вычислительной техники оценки

            качества слуха.

Предложены  новые элементы узлов вычислительной техники, позволяющие проводить аудиометрию. Определены и обоснованы основные структурные элементы устройства, показана эффективность его работы.

                    Способ исследования слухового восприятия.

В существующих источниках подробно описан способ контроля качества слухового восприятия человека, включающий формирование тестовых слов с помощью голосового аппарата врача, восприятие пациентом тестовых слов на заданном расстоянии, выдачу пациентом врачу голосом услышанных тестовых слов (сигналов обратной связи), сравнение врачом соответствия тестовых слов с услышанными, повторение проверки на более высоком или более низком уровне громкости и формирование врачом оценки о наличии или отсутствии у пациента дефектов слуха. Недостатком данного способа является его низкая точность, обусловленная отсутствием достоверных количественных значений задаваемых пациенту звуковых тестов, отсутствием точной фиксации момента перехода уровня тестовых сигналов через порог чувствительности, а также отсутствием возможности определения дифференциальных порогов чувствительности на различных участках звукового диапазона.

Также известен способ диагностики слухового восприятия человека, включающий формирование гармонических сигналов с пошаговым изменением уровня с помощью управляемого аттенюатора, изменение частоты гармонических сигналов по случайному закону в пределах акустического диапазона восприятия человеком с помощью перестраиваемого генератора, ввод пациентом

сигнала о  достижении порога чувствительности, изменение направления подхода к порогу чувствительности по убыванию или по возрастанию уровня акустических сигналов, фиксацию количественного значения уровня порога чувствительности с помощью блока регистрации.

Постановка  задачи:

Техническая реализация описанного способа нашла  себя в электроакустических приборах аудиометрах. Большинство аудиометров представляет собой стационарные приборы, питающиеся от сети переменного тока. Средняя цена одного аудиометра на российском рынке составляет порядка 0,5 миллиона рублей. Стоит отметить то, что вся аудиометрическая техника в России заграничного производства. Существующие в арсенале врача-отоларинголога методы исследования восприятия речи и приборы (камертоны) зачастую позволяют оценить слух только приблизительно. Вместе с тем, детальная диагностика слуха зачастую необходима для верного диагноза и позволяет предотвратить серьезные осложнения, угрожающие жизни больного или приводящие его к инвалидности.

В реальной практике врач-отоларинголог, подозревающий  нарушение слуха у пациента вынужден направлять его на обследование в сурдологический центр, что влечет кроме материальных затрат еще и потерю времени и может способствовать осложнению состояния больного. Оснастить дорогостоящей аудиометрической аппаратурой все кабинеты врачей-отоларингологов не представляется возможным. Таким образом, для практического здравоохранения крайне актуальными является вопрос создания недорогого портативного диагностического устройства, позволяющего провести полное исследование слуха у пациента, своевременно назначить лечение и предотвратить стойкую тугоухость и инвалидность больных.

Задача создания портативного аудиометра сводится к  разработке портативного устройства, преобразующего постоянное напряжение малогабаритной аккумуляторной батареи в переменный синусоидальный сигнал с заданным частотным и амплитудным диапазоном, для питания этим сигналом излучателя сигнала (головные телефоны или костный вибратор). Наряду с этим устройство должно быть оснащено компонентами управления и индикации для выбора сигнала с необходимым уровнем частоты и напряжения и для отображения этого уровня.

Помимо этого, в задачу проектирования закладываются  простота в изготовлении, надежность, легкость в использовании и возможность широкой модификации разрабатываемого прибора. Для решения поставленной задачи наилучшим вариантом будет использование микроконтроллера. Микроконтроллер будет являться ядром проектируемого аудиометра. Предполагается, что кон-

будет отвечать не только за интерфейс пользователя, включая систему управления и  индикации прибора, но и за генерацию  необходимых сигналов для костного вибратора. Такое решение было принято, исходя из необходимости снижения себестоимости устройства. Недостатком такого решения будет перегруженность контроллера. Функциональная схема аудиометра представлена на рисунке 1.2

     Рисунок 1.2-Функциональная  схема аудиометра.

 

Приведем  алгоритм работы устройства.

1. Пользователь  при помощи кнопок управления  выбирает необходимую ему частоту и интенсивность сигнала.

2. Микроконтроллер  на встроенном ЦАП выдает ступенчатый  синусоидальный сигнал с заданной частотой и неоткалиброванным размахом напряжения.

3. На демультиплексоре сигнал направляется на калибровочные усилители (в зависимости от частоты), демультиплексором управляет контроллер, задавая необходимый адрес.

4. На калибровочных  усилителях реализуется необходимый  размах напряжения.

5. Частота  и уровень выбранного сигнала  отображаются на индикационной панели.

 

 
 
    2 Обоснование структурной схемы

Структурная схема устройства представлена на рисунке 2.1.

 

Рисунок 2.1 - Структурная схема устройства.

     Прежде всего для управления основными узлами разрабатываемого прибора нам необходим микроконтроллер. С блока управления он будет получать команды и обрабатывать их. МК способен управлять ГТИ и контроллером амплитуды, обрабатывать полученный сигнал, передавать данные на ЭВМ. В качестве средства индикации идеально подойдет ЖКИ. Для удобства дальнейшей работы с полученными данными предусмотрено сопряжение с ЭВМ. Для создания звуковых волн нужной нам частоты нам необходим ГТИ, а для изменения их амплитуды - контроллер амплитуды. С помощью динамиков мы можем преобразовать электрический сигнал в акустический. Для усиления амплитуды сигнала так же необходим ОУ. Когда обследуемый начинает слышать звук, он  нажимает на так называемую «кнопку пациента».

     С клавиатуры ( блока управления) подается сигнал на микроконтроллер. В зависимости от нажатой кнопки, микроконтроллер подает сигнал на формирователь импульсов, который в свою очередь генерирует импульсы(12 стандартных частот на выбор) и посылает их в контроллер амплитуды, также управляемый МК. После формирования сигнала заданной частоты и амплитуды, он усиливается операционным усилителем, после чего подается на динамики. Когда звуковой сигнал попадает в порог слышимости обследуемого, он нажимает «кнопку пациента». МК фиксирует при каких значениях частоты и амплитуды была нажата эта кнопка и передает полученные данные на ЭВМ для построения аудиограммы в конце каждого обследования.

 

 

3 Выбор элементной базы, расчет основных элементов и узлов

 

3.1 Микроконтроллер

 

                             Рис. 3.1.1 - Расположение выводов PIC16F876.

Для частоты в 20 МГц выберем емкость в 22 пФ, и кварцевый резонатор HC-49U 20.000 МГц.

В таблице 3.4.1 приведены параметры  микроконтроллера.

          Таблица  3.1.1 – параметры МК

-PIC16 имеет 35 инструкций, позволяющих выполнять различные действия с данными

- Все команды выполняются за один цикл, кроме инструкций переходов, выполняемых за два цикла

- При тактовой частоте - 20МГц, время одного машинный цикл - 200нс.

- До 256 x 8 байт EEPROM памяти данных

- Система прерываний (до 14 источников)

- 8-уровневый аппаратный стек

- Программируемая защита памяти программ

- Режим энергосбережения SLEEP

- Выбор параметров тактового генератора

- Широкий диапазон напряжений питания от 2.0В до 5.5В

- Повышенная нагрузочная способность портов ввода/вывода (25мА)

-• Малое энергопотребление

Эти и другие показатели делают микроконтроллеры семейства  PIC16F7X удобными в использовании.

Микроконтроллеры PIC16F87X могут работать в одном из четырех режимов  тактового генератора. Указать режим тактового генератора можно при программировании микроконтроллера в битах конфигурации (FOSC1:FOSC0):

• LP - низкочастотный резонатор;

• XT - обычный резонатор;

• HS - высокочастотный резонатор;

• RC - внешняя RC цепочка.

В режимах тактового генератора XT, LP и HS кварцевый или керамический резонатор подключается к выводам  OSC1/CLKIN, OSC2/CLKOUT. Для микроконтроллеров PIC16F87X нужно использовать резонаторы с параллельным резонансом. Использование резонаторов с последовательным резонансом может привести к получению тактовой частоты, не соответствующей параметрам резонатора.

 

Рисунок 3.1.2 Подключение кварцевого/керамического резонатора в HS, XT и LP режиме тактового генератора

 

Модуль 10-разрядного АЦП PIC16F876 имеет 5 каналов. Входной аналоговой сигнал через коммутатор каналов заряжает внутренний конденсатор АЦП C_HOLD. Модуль АЦП преобразует напряжение, удерживаемое на конденсаторе  C_HOLD в соответствующий 10-разрядный цифровой код методом последовательного приближения. Источник верхнего и нижнего опорного напряжения может быть программно выбран с вывода RA2 и RA.

   Для  управления АЦП в микроконтроллере  используется 4 регистра:

• Регистр результата ADRESH (старший бит);
• Регистр результата ADRESL (младший бит);
• Регистр управления ADCON0;
• Регистр управления ADCON1.

Регистр ADCON0 используется для настройки работы модуля с АЦП, а с помощью регистра ADCON1 устанавливаются какие входы МК будут использоваться модулем АЦП и в каком режиме.