Проектирование слухового аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Отчет о лабораторной работе

Проектирование слухового аппарата

Санкт-Петербург 2020

Автоматическая направленность

Почему это важно?

Возможность обеспечивать нормальную слышимость в тихой окружающей обстановке - первое, что начало получаться у производителей слуховых аппаратов. Сегодня практически все модели умеют делать это одинаково хорошо. Другое дело - слышимость в условиях отвлекающего фонового шума. Обеспечить это намного сложнее.

Сегодня существует лишь одна технология с доказанной в этом отношении эффективностью - автоматическая направленность. Она представлена системой из четырех микрофонов, попарно расположенных в каждом из слуховых аппаратов (т.е. по два микрофона в ухе). Когда система направленных микрофонов активирована, слуховой аппарат фокусируется в направлении расположенного впереди источника звука. Это означает, что пользователь четко и ясно слышит звук, доносящийся из источника в поле его зрения, в то время как звуки на периферии его внимания подавляются.

Технология направленных микрофонов далеко не нова - впервые они были использованы 60 лет назад для предотвращения обратной связи в справочных службах и для подавления шума на крупных спортивных состязаниях. Поэтому, используя эти достижения, мы можем перенести данные знания на работу слуховых аппаратов.

Очень важным свойством является автоматизм, когда система направленных микрофонов самопроизвольно включается в момент обнаружения фонового шума.

Для полноценной реализации функции направленности важным условием является удаленность микрофонов друг от друга, которая должна составлять, по меньшей мере, 5 мм.

Поэтому данная функция будет доступна только в слуховых аппаратах с относительно большим размером корпуса. Во внутриканальных и невидимых слуховых аппаратах ее, следовательно, быть не может.

При изменении звукового наполнения окружающей среды, требующего автоматического переключения с одной программы на другую, базовые настройки остаются неизменными. Меняются только адаптивные функции (шумоподавление, направленность). Большим преимуществом подобного подхода будет являться отсутствие необходимости каких-либо манипуляций со слуховым аппаратом со стороны пользователя.

Как это работает?

Микрофон является неотъемлемой частью любой электроакустической системы. Он служит первичным звеном в цепочке звукоусиления.

Всенаправленные (ненаправленные, "омни"). Одинаково чувствительны к звукам, поступающим со всех сторон. Самый распространенный вид микрофонов, применяемых в слуховых аппаратах всех конструктивных типов: заушных, внутриушных, карманных, очковых. Работают по принципу круговой направленности. Удобны при использовании в тихой обстановке, когда человек хочет слышать все, что происходит вокруг. Но в шумной обстановке при использовании всенаправленного микрофона окружающий шум будет мешать качественному восприятию речи.

Направленные (микрофоны с двумя входами), а также системы направленных микрофонов (состоят из двух отдельных микрофонов, один из которых называется фронтальным, а второй - тыловым). Имеют избирательную чувствительность по отношению к направлению, с которого приходит звук. За счет этого функция направленности в слуховых аппаратах дает возможность общаться в шумной обстановке, передавая усиленный сигнал, идущий спереди от собеседника, и заглушая окружающие звуки, идущие с других направлений.

Направленный микрофон, изображенный на рисунке 1, имеет два звуковых входа (порта), которые расположены с разных сторон мембраны микрофона. В соответствии с этим, на корпусе слухового аппарата будут располагаться два микрофонных входа: один - спереди (фронтальный), другой - сзади (тыловой).

Рисунок 1 - Направленный микрофон с двумя входами

Для достижения эффекта направленности используется тот факт, что звук поступает в один из входов направленного микрофона с некоторым запаздыванием. слышимость микрофон слуховой

Существует два вида такой задержки сигнала:

· Естественная. Возникает за счет расстояния между входами микрофона. Звук, поступающий спереди, попадает в тыловой микрофон позже, чем во фронтальный. Это связано с тем, что расстояние от источника звука до тылового микрофона больше, чем до фронтального. И наоборот: звук, поступающий сзади, попадает в тыловой микрофон раньше, чем во фронтальный. В первом случае задержка будет со знаком "+", а во втором - со знаком "-".

· Искусственная. Целенаправленная задержка поступающего звука.

Известно, что, в зависимости от величины фазового сдвига между двумя сигналами, результирующий сигнал, получаемый при их сложении, может быть как увеличен по амплитуде (усилен), так и уменьшен по амплитуде (ослаблен), что представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 - Сложение усилий, воздействующих на мембрану микрофона с фронтального и тылового входа в случаях, когда источник звука расположен спереди (слева на рисунке) или сзади (справа на рисунке).

На рисунке 2 представлена блок-схема направленности первого порядка, создаваемой процессором обработки сигналов цифрового слухового аппарата. Звук поступает в микрофоны, в которых звуковая энергия преобразуется в электрическую. После этого оба сигнала направляются в электрическую цепь, в которой сигнал заднего микрофона подвергается временной задержке. Наконец, один сигнал вычитается из другого, что и создает направленность. В направленном режиме работают оба микрофона. Если же нужен ненаправленный режим, задний микрофон отключается.

Рисунок 3 - Блок-схема направленности первого порядка

Используя различную временную задержку сигналов, можно получить различные пространственные диаграммы направленности.

Теперь рассмотрим ситуацию, когда звук поступает сбоку. В этом случае естественная задержка (созданная за счет расстояния между входами микрофона) исчезнет, так как звук, поступающий сбоку, попадает во фронтальный и тыловой вход одновременно (расстояние от источника звука до обоих входов в этом случае одинаково). Если бы не было искусственной задержки (созданной за счет акустического фильтра), то эти два сигнала, одновременно пришедшие на два входа, полностью нейтрализовали бы друг друга. Наличие же акустической задержки в тыловом входе за счет определенного сдвига фаз может сильно ослабить суммарный сигнал с бокового направления, не устраняя его полностью. Подбирая и изменяя акустическую задержку тылового микрофона, возможно добиться разной степени ослабления сигнала, приходящего сзади или с боков.

Диаграммы направленности

Для отображения способности направленных микрофонов реагировать на звуки, поступающие с различных направлений, используют диаграмму направленности, которая представляет собой полярную диаграмму, которая представлена на рисунке 4. Она является одной из основных характеристик любого микрофона.

Диаграммы направленности бывают разных типов (Рисунок 5): ненаправленная (круговая); субкардиоида (широкая кардиоида); кардиоида (получила свое название от греческого - сердце); суперкардиоида, гиперкардиоида, восьмерочная (двуполярная или двунаправленная).

Рисунок 8 - Типы диаграмм направленности

Фиксированная направленность подразумевает, что форма диаграммы направленности остается неизменной в любой акустической обстановке. Если в слуховом аппарате используется один направленный микрофон с двумя входами, то изменить эту форму во время настройки аппарата нельзя, что ограничивает возможности аппарата и не позволяет удовлетворить пользователя в разнообразных и сложных акустических ситуациях. Таким образом, один микрофон с двумя входами оказался не самым перспективным решением, но её также возможно усовершенствовать.

Для того чтобы можно было изменять тип фиксированной направленности и, более того, иметь возможность автоматической перестройки типа направленности в процессе ношения аппарата в зависимости от окружающей обстановки, в современных цифровых аппаратах предлагаем использовать систему направленных микрофонов, состоящую из двух отдельных микрофонов (Рисунок 9).

Чем система направленных микрофонов отличается от одного направленного микрофона с двумя входами? Принцип ее работы аналогичен тому, который был описан в случае одного направленного микрофона с двумя входами. Все дело по-прежнему в разности фаз.

Два отдельных микрофонных входа точно так же обеспечивают естественную задержку за счет расстояния между ними. Повторим, что время, необходимое звукам для преодоления расстояния между двумя микрофонными входами, также называют внешней задержкой. Изменить ее нельзя, так как расстояние между микрофонами заложено в конструкции корпуса аппарата.

При этом искусственной, или внутренней, задержке звуки, поступившие на тыловой микрофон, после их преобразования в цифровой код подвергаются электронной задержке. После этого электрические сигналы с фронтального и тылового микрофонов складываются, в результате чего формируется следующая акустическая картина. Когда звук приходит спереди, сдвиг по фазе на тыловом микрофоне за счет естественной задержки суммируется со сдвигом по фазе за счет искусственной (электронной) задержки таким образом, что это обеспечивает увеличение амплитуды суммарного электрического сигнала. Если же звук поступает сзади, то сдвиг по фазе на тыловом микрофоне за счет естественной задержки получается со знаком "-", что при суммировании со сдвигом по фазе за счет электронной задержки дает в результате вычитание, которое приводит к уменьшению амплитуды суммарного электрического сигнала.

Рисунок 9 - Система направленных микрофонов, состоящая из двух ненаправленных микрофонов.

Здесь нельзя не упомянуть об огромном преимуществе двух отдельных микрофонов. Оно заключается в том, что величина внутренней задержки может меняться.

Существует важный параметр (коэффициент), определяющий работу системы направленных микрофонов, который называется Beta (в) - время внутренней задержки, деленное на время внешней задержки. Именно от этой величины зависит тип диаграммы направленности. Регулируя электронным способом величину Beta, можно получить разные диаграммы направленности: круговую, субкардиоиду, кардиоиду, суперкардиоиду, гиперкардиоиду или двуполярную (восьмерочную) диаграмму. В чем особенности каждой из них?

· Круговая диаграмма направленности позволяет слышать одинаково с любого направления.

· Субкардиодида (широкая кардиоида) и кардиоида необходимы, когда пользователь хочет слышать звуки, приходящие с фронтального и боковых направлений, но не слышать звуки, поступающие сзади. Пример - пользователь сидит в компании за столом в ресторане либо обсуждает вопросы за столом на деловой встрече.

·

Рисунок 10 - Субкардиодида и кардиоида

· Суперкардиоида и гиперкардиоида предпочтительны, если пользователь слухового аппарата хочет слышать звуки, приходящие с фронтального направления, громче, чем звуки, приходящие сзади и с боков, например: посещение кинотеатра, церкви, общение в ресторане. Гипреркардиоида, в отличие от суперкардиоиды, имеет более узкую направленность спереди.

·

Рисунок 11 - Суперкардиоида и гиперкардиоида

· Двуполярная диаграмма направленности нужна в случае, когда пользователь хочет слышать звуки, приходящие с фронтального и заднего, но не с боковых направлений, например: управление автомобилем или мотоциклом, преподаватель в классе у доски.

Хорошо известно, что общение в сложной акустической обстановке (шум, многочисленные разговоры вокруг) затруднительно даже для нормально слышащих людей, не говоря уже о пользователях слуховых аппаратов, у которых из-за нарушений в улитке сильно снижена способность выделять полезный сигнал из множества других звуков. Помочь в таких ситуациях может только функция направленности в слуховых аппаратах (не путайте с функцией шумоподавления, которая лишь снижает утомляемость и создает комфорт в шумной обстановке).

Акустическое окружение может многократно и быстро изменяться. Источник шума может возникать с разных сторон: с боков, сзади по центру, сзади под некоторым углом и т.д. Очень тяжело отслеживать источник шума, пытаясь все время повернуться к нему спиной, чтобы он не был слышен.

Система направленных микрофонов (состоящая из двух отдельных микрофонов), способна автоматически перестраивать собственную диаграмму направленности в зависимости от местоположения источника шума таким образом, чтобы направление минимальной чувствительности (то есть подавления звука) на диаграмме совпадало с направлением на источник шума. Такая функция будет адаптивной. Работая в этом режиме, слуховой аппарат непрерывно отслеживает направление на источник шума и, в соответствии с этим, изменяет коэффициент Beta, вследствие чего диаграмма направленности постоянно меняется (Рисунок 12).

Рисунок 12 - Изменение диаграмм направленности в режиме адаптивной направленности. Динамик - полезный сигнал, трактор - источник шума

Включать и выключать направленность можно вручную, однако это не всегда удобно. Чтобы еще больше облегчить общение человека в часто меняющейся акустической обстановке, можно предложить функцию автоматической смены направленного и ненаправленного режима - автоматическая направленность.

Аппараты, имеющие эту функцию, смогут отслеживать уровень окружающего шума и сами принимать решение, включать или выключать направленность. Если при этом направленный режим будет реализован в форме адаптивной направленности, мы получим не просто автоматическую, а автоматическую адаптивную, то есть автоадаптивную направленность.

Рисунок 13 - Примеры диаграмм направленности в автоадаптивном режиме

Раскрывая тему пути модернизации Слухового аппарата, важно рассказать о первой в мире технологии Binax, превосходящей нормальный слух.

Binax: Для лучшего бинаурального прослушивания

Для того чтобы имитировать естественный бинауральный слух, в первую очередь необходимо "связать" два слуховых аппарата, так же как и мозг использует входные сигналы от обоих ушей. Основываясь на оригинальной технологии e2e, e2e wireless™ 3.0 позволяет обмениваться аудиосигналами между двумя слуховыми аппаратами при билатеральной настройке. В результате каждый слуховой аппарат использует не только свою информацию, но и акустические сигналы от контралатерального аппарата.

В двухмикрофонных аппаратах, таких как Carat binax, Pure binax, Motion binax, или Insio binax, это означает, что каждый аппарат работает со входным сигналом от четырех микрофонов. Совместно при билатеральной настройке они образуют виртуальную 8-микрофонную сеть.

Похожим образом e2e wireless 3.0 позволяет одномикрофонным аппаратам, таким как крошечные Insio binax CIC, обмениваться сигналами между собой. При билатеральной настройке они создают виртуальную 4-микрофонную сеть.

e2e wireless 3.0 виртуально удваивает количество микрофонов

Для двухмикрофонных аппаратов binax e2e wireless 3.0 создает виртуальную 8-микрофонную сеть.

Для аппаратов Binax с одним микрофоном e2e wireless 3.0 создает виртуальную 4-микрофонную сеть.

Рис. 14 - Виртуальная 8-ми микрофонная и виртуальная 4-х микрофонная сети аппаратов Binax

Узкая направленность и бинауральная направленность OneMic: Более точная слышимость, обеспечиваемая когда-либо

Узкая направленность автоматически и мгновенно фокусируется на собеседнике спереди от пользователя. Она способна сузить луч направленных микрофонов и помогает понимать речь даже в такой шумной обстановке, как ресторан. В самом деле, клинические испытания показали, что узкая направленность настолько эффективна, что она позволяет пользователям понимать речь лучше, по сравнению с обычными людьми в таких ситуациях, как разговор в шумном заведении.

Binaural направленность OneMic позволяет даже пользователям аппаратов с одним микрофоном почувствовать преимущества автоматической направленности - так что они легче могут участвовать в беседах в шумной обстановке.

> Узкая направленность фокусируется на речи спереди от пользователя.

Рис.15- Узкая направленность слухового аппарата

> Бинауральная направленность OneMic служит для улучшенного бинаурального прослушивания.

Рис.16 - Биануральная направленность слухового аппарата

Пространственный SpeechFocus: четкое понимание каждого - с любых направлений

Пользователям классических слуховых аппаратов зачастую трудно сфокусироваться на речи, когда она приходит с различных направлений, например, находясь за рулем автомобиля. Spatial SpeechFocus™ автоматически фокусируется на главном источнике речи, несмотря на то, откуда он пришел - будь то спереди, сзади или даже сбоку. Одновременно он редуцирует шум из других направлений. Spatial SpeechFocus автоматически активируется, когда обнаруживается акустическая ситуация "автомобиль".

> Пространственный SpeechFocus автоматически фокусируется на главном источнике речи.

Рис.17- Фокусировка SpeechFocus на главном источнике речи

Бинауральный eWindScreen: только комфортное звучание

Находясь на улице в ветреную погоду, пользователи с традиционными слуховыми аппаратами часто ощущают раздражающий шум ветра. binaxSound использует интеллектуальный аудиообмен данными для лучшего звучания: он постоянно проверяет оба слуховых аппарата, и, когда обнаруживается ветер, то включается бинауральный eWindScreen для передачи сигнала со стороны, где качество звучания лучше, в другое ухо. Благодаря HDSR сохраняется пространственная разность. Бинауральный binaxSound eWindScreen сохраняет высокий уровень комфортности звучания даже в ветреных ситуациях.

> Бинауральный eWindScreen заменяет аудиосигнал худшего качества на более качественный аудиосигнал.

Рис. 18 - Передача сигнала с правой стороны на левую(на левое ухо), в следствии чего происходит замещение

Адаптивная регулировка стриминга: легкое прослушивание в любой обстановке

Адаптивная регулировка стриминга улучшает прослушивание, когда осуществляется аудиостриминг с помощью easyTek™. Вне зависимости от ситуации адаптивная регулировка стриминга автоматически регулирует уровень громкости потокового аудио согласно изменениям уровня фонового шума. Таким образом, потоковое аудио всегда разборчиво на фоне шума. Больше нет нужды в ручной регулировке стриминга, что позволяет пользователям просто наслаждаться теми звуками, которые они хотят услышать.

> Адаптивная регулировка стриминга автоматически настраивается в зависимости от изменений уровня окружающего шума.

Рис.19 - Различие между стандартной и адаптивной регулировкой стриминга

Формула настройки binax fit следует за успешной micon™ fit и стратегией компрессии micon для формирования амплитудно-частотных характеристик и параметров компрессии. Она также учитывает эффекты от автоматических особенностей моноуральной и бинауральной настройки для обеспечения качественного звучания и разборчивости.

Таким образом, binax fit гарантирует, что впечатление от звучания при использовании слуховых аппаратов binax останется естественным и стойким, а все функции сохранят пространственные особенности сигналов.

Пространственный конфигуратор: полностью персонализированный слух

Даже самые "умные" слуховые аппараты не могут все время знать, как пациент хочет слышать. В дополнение к автоматическим функциям, которые адаптируются к изменениям в акустических обстановках, пространственный конфигуратор помогает пользователям контролировать свои слуховые аппараты в любых акустических ситуациях. Благодаря easyTek и easyTek App (Приложение easyTek позволяет просматривать состояние ваших слуховых аппаратов на экране вашего смартфона, передавать звук из телефона непосредственно в слуховые аппараты, также его можно использовать в качестве пульта дистанционного управления., они могут индивидуально настраивать область фокусировки лучей направленных микрофонов. А easyTek App увеличивает функциональность устройства easyTek). Пространственный конфигуратор также дает пациентам возможность определять направление, в котором должны быть сфокусированы микрофоны - спереди, сзади или сбоку.

> Пространственный конфигуратор "Область" регулирует область фокусировки луча микрофона.

Рис.20 - Регуляция области фокусировки луча микрофона

> Пространственный конфигуратор "Направление" регулирует направление фокусировки луча микрофона.

Рис.21 - Регуляция направления фокусировки луча микрофона

Возможность реализации:

Подключение системы направленных микрофонов, состоящую из двух отдельных микрофонов, возможно согласно принципиальной схеме, приведённой на рисунке 22.

Рисунок 22 - Принципиальная схема системы направленных микрофонов

Источники звука, не равноудаленные от микрофонов испытывают изменение фазы. т.к. скорость звука 340м/с, максимальный сдвиг фазы для этой схемы 0,5 мс.

Дальнейшее подключение системы направленных микрофонов происходит по схеме, приведённой на рисунке 23.

IC1A и IC1B буферные усилители сигнала с микрофонов, R1 и R2 устанавливают необходимый ток смещения для микрофонов. R3 и R4 определяют коэффициенты преобразования. Выбор R3 и R4 влияет также на нагрузку IC1A и IC1B, следует чтобы они никогда не перегружались. Двуполярный 4-кратный мультипликатор, IC2, отделяет голос от шумового фона. R5 и R6 устанавливают усиление по напряжению сигнала после мультипликации. R7, C1, R8, и C2 - фильтр.

Рисунок 23 - Схема включения системы направленных микрофонов

IC2. AD633 - это полнофункциональный четырехквадрантный аналоговый умножитель. Он имеет высокоимпедансные дифференциальные входы X и Y, а также высокоимпедансный суммирующий вход (Z).

AD633 обладает гарантированной погрешностью 2% от полной шкалы, которая достигается при помощи лазерной калибровки. Типичная нелинейность для входа Y составляет менее 0.1%, а типичное приведенное к выходу напряжение шума - менее 100 мкВ ср.кв. в полосе от 10 Гц до 10 кГц. Благодаря комбинации ширины полосы 1 МГц, скорости нарастания 20 В/мкс и возможности работы с емкостной нагрузкой AD633 представляет интерес для широкого спектра задач, в которых ключевыми параметрами являются простота и стоимость.

AD633 выпускается в 8-выводных корпусах PDIP и SOIC. Заявленные в спецификации характеристики гарантированно обеспечиваются в коммерческом температурном диапазоне (от 0°C до 70°C, градация J) или промышленном температурном диапазоне (от ?40°C до +85°C, градация A).

IC1A и IC1B. Буферный усилитель в электронике - усилитель, предназначенный для согласования выходного сопротивления источника сигнала с входным сопротивлением нагрузки. Это усилитель с единичным коэффициентом усиления.

Чтобы сделать систему более надежной, каждый из звуковых сигналов не воспроизводится сразу после его поступления. Вместо этого система ожидает получения нескольких десятков сигналов, прежде чем приступить к их обработке. То же самое происходит на выходе. Этот процесс называется буферизацией и делает систему более устойчивой к неожиданным сбоям. Буфер действует как защитная сеть: даже если поток данных на мгновение прерывается, он способен выводить непрерывную последовательность семплов. Для человека задержка в виде накопления сигнала не заметна.

Размещено на Allbest.ru