Speech bandwidth extension and vocal effort coding for enhanced communication in noisy industrial environments

Résumé

La communication dans les milieux industriels bruyants est une tâche difficile pour des personnes portant des protecteurs auditifs. Une des raisons principales pour lesquelles les travailleurs préfèrent ne pas porter de protecteurs auditifs est pour pouvoir mieux communiquer dans leurs milieux de travail. En effet, les travailleurs doivent souvent choisir entre protéger leur audition et communiquer efficacement. Le travail fait dans cette étude doctorale vise à fournir simultanément aux travailleurs une bonne protection auditive et une bonne capacité de communication. La meilleure option actuellement disponible sur le marché est l’utilisation de protecteurs auditifs électroniques dont l’atténuation dépend du niveau du bruit, et qui permettent également, à l’aide d’un micro-tige ("boom mic"), la communication radio entre les utilisateurs. Cependant, de tels dispositifs souffrent de deux défauts majeurs : premièrement, le signal de parole capté par le micro-tige est dégradé par le bruit de fond, et deuxièmement, le système de communication radio ne fait aucune distinction entre les utilisateurs a l’écoute : l’information vocale est transmise à tous les utilisateurs sur le même canal radio, contribuant de façon parfois significative à la dose de bruit reçue par ces derniers. Par conséquent, les objectifs de ce travail de thèse sont de fournir un signal de communication vocale de haute qualité transmis uniquement à des utilisateurs situés à l’intérieur d’un rayon spatial défini; ce rayon est défini conjointement par l’effort vocal du locuteur et par le niveau sonore du bruit de fond ambiant. Un protecteur auditif intra-auriculaire numérique, contenant un microphone placé a l’intérieur de l’oreille, un haut-parleur, un microphone externe, un système de communication radio sans-fil et un processeur numérique du signal a été utilisé. Une fois porté correctement, ce protecteur auditif intra-auriculaire peut fournir une bonne protection passive contre le bruit. En outre, quand il est porté correctement, il crée une étanchéité acoustique dans le conduit auditif et est a l’origine du phénomène connu sous le nom d’effet d’occlusion. Cet effet d’occlusion cause une amplification des sons transmis par conduction osseuse à l’intérieur de l’oreille, permettant à un signal de parole d’être capté sous le protecteur auditif en utilisant le microphone interne. Puisqu’il est capté sous le protecteur auditif, ce signal de parole a un rapport signal/bruit relativement élevé. Cependant, parce qu’il provient de la conduction à travers les os, cartilages et tissus mous, ce signal de parole a une bande passante fréquentielle limitée. Dans ce travail, le signal de parole capté avec le microphone interne est amélioré par l’élimination du bruit résiduel et son spectre est re-haussé en appliquant une extension artificielle en haute-fréquences. Un filtrage adaptatif (nlms) couplé à un algorithme de détection d’activité vocale est utilisé pour éliminer le bruit résiduel, tandis que les non-linéarités introduites par l’opération mathématique de mise au cube de l’amplitude du signal de parole sont mises à profit pour l’extension fréquentielle du signal de parole capté sous le protecteur. L’amélioration apportée par cet algorithme a été validée subjectivement et objectivement. Dans le but d’imiter au mieux un environnement acoustique naturel en ne transmettant la communication radio qu’à un ensemble d’auditeurs situés à l’intérieur d’une certaine distance du locuteur, la relation liant la distance entre le locuteur et l’auditeur, le niveau du bruit de fond ambiant et les variations dans l’effort vocal a été modélisée. Une relation directe entre ces trois variables a été trouvée après une expérience sur une douzaine de participants. Les changements du niveau de la pression acoustique et de la fréquence fondamentale de la parole ont été déterminés en fonction du niveau de bruit ambiant et de la distance entre le locuteur, portant des protecteurs auditifs, et l’auditeur. Ces résultats montrent qu’il serait possible de développer un "environnement radio-acoustique virtuel", dans lequel un environnement acoustique normal dans lequel le signal de parole, capté sur un locuteur portant des protecteurs auditifs, est transmis à un ensemble d’auditeurs situés a l’intérieur d’un certain rayon spatial. Les objectifs de ce travail ont été atteints en développant des algorithmes permettant d’améliorer la qualité du signal de parole capté sous un protecteur auditif et permettant d’estimer le rayon spatial a l’intérieur duquel les auditeurs doivent percevoir ce signal transmis via des radios personnelles. Ces développements ont donné lieu à plusieurs publications dans des revues scientifiques à comité de lecture, plusieurs présentations dans des conférences arbitrées, au dépôt d’un brevet provisoire ainsi qu’au développement de prototypes fonctionnels de protecteurs susceptibles de grandement améliorer l’expérience de communication des personnes utilisant des protecteurs auditifs dans les milieux industriels bruyants et d’augmenter ainsi l’usage de tels protecteurs afin de remédier au fléau de la surdité professionnelle.

Date	8 juin 2016
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Jérémie Voix (Directeur(-trice)) & Tiago H. Falk (Codirecteur(-trice))