Способ обработки сигнала в слуховом аппарате Советский патент 1992 года по МПК H04R25/00 

-Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для реабилитации слуха людей с тугоухостью различного вида.

Известен способ 1 регулировки слухового аппарата и его использования, отличающийся тем, что регулируемая усилительная схема содержит по меньшей мере один регулирующий элемент, приводимый в действие потребителем, который может менять крутизну частотной характеристики на частотах, выше граничной частоты 500-2000 Гц. При этом возможно изменение подъема высоких частот.

Недостатком такого способа является то, что у людей с полной потерей чувствительности к звукам, частоты которых сосредоточены в определенном участке спектра, слуховые аппараты, построенные по описанному способу, не обеспечивают восстановления восприятия какой-либо информации о звуках, частоты которых лежат в пораженных участках спектра.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является

способ, описанный в патенте Схема и способ обработки звукового сигнала в слуховом аппарате (Патент США № 4680798, кл, Н 04 R 25/00, Н 03 С 3/20. ИСМ, 1988, вып. 137, № 4) 2.

В упомянутом способе обработки звукового сигнала осуществляется формирование электрического сигнала звуковой частоты, разделение сигнала на несколько частотных диапазонов, раздельное усиление сигнала в каждом диапазоне и суммиро- вание усиленных сигналов каждого диапазона для получения преобразованного сигнала. При управлении раздельным усилением осуществляется стробирование звукового сигнала в диапазонах и определение по результатам стробирования уровня усиления для каждого диапазона. При стро- бировании осуществляется аналого-цифровое преобразование и индивидуальное детектирование для получения аналогового сигнала, соответствующего уровню звукового сигнала в каждом диапазоне.

Общим недостатком указанных способов построения слуховых аппаратов являетСО

VJ

Os

ел ю о

со

ся невысокая способность восстановления восприятия слуховой системы человека таких звуковых сигналов, механизм переработки которых в слуховой системе нарушен,

Так, при утере Суховой системой способности воспринимать резидуальные звуки в том или ином участке речевого спектра частот существующие слуховые аппараты не в состоянии исправить указанный дефект, что ведет к утере существенной части информации, воспринимаемой человеком через звуковые сигналы при нормальном состоянии его слуховой системы.

В качестве примера можно привести восприятие амплитудно-модулированного звукового сигнала, несущая частота которого попадает в спектральный участок, чувствительность слуха к которому у данного человека нарушена.

Такой человек не слышит ни несущую такого сигнала, ни модулирующий его тон, хотя частота последнего находится в области частот, восприятие которых у данного пациента не нарушено. Особенно большое влияние такой дефект оказывает на восприятие сложных звуков (например, речевых).

Одной из причин указанного недостатка является то, что существующие способы построения слуховых аппаратов основываются на избирательном усилении тех компо- нент звукового сигнала, восприятие которых у данного человека нарушено,

Очевидно, что при нарушении в слуховой системе функционирования какого-либо механизма переработки звукового сигнала само по себе усиление последнего не сможет компенсировать возникший дефект восприятия.

Рассмотрим некоторые аналоги предлагаемого способа обработки сигналов в слуховых аппаратах.

В наиболее распространенных слуховых аппаратах в настоящее время частотная коррекция усиления осуществляется для всего канала в целом с помощью относительного подъема усиления в области высоких частот, степень которого регулирется как плавно, так и ступенчато. Такими слуховыми аппаратами являются отечественные аппараты типов К 10, К 13 и пр., а также и зарубежные, например, типа НА-41, HA27D Фирмы Rion Co LTD (Япония), 37ILDC Фирмы Oticon (Дания) и др.

При ухудшении чуствительности слуха в локальной частотной области, например в районе 2 кГц, повышение коэффициента усиления в сторону высоких частот известными аппаратами не является эффективным. В то же время локальная потеря чувствительности на частоте в районе 2 кГц ведет к ухудшению разборчивости восприятия речи человека на 30-40%.

При потере чувствительности слуха на

каком-либо участке спектра, занимаемого речевыми сигналами, одновременно нарушается механизм формирования резидуаль- ных тонов, существенно влияющих на

0 восприятие звуковых сигналов человека (в частности, речевых),

Так как слуховые аппараты данного типа не содержат в своем составе схем форми- рования резидуальных тонов, то их

5 использование во многих случаях не обеспечивает нарушенной разборчивости восприятия речи.

В качестве аналога предлагаемому способу построения слухового аппарата можно

0 рассматривать слуховой аппарат с транспонированием частоты звуков, выпущенный фирмой Oticon (модель ТР72).

В слуховом аппарате такого типа производится преобразование звуков высших

5 частот (в полосе 4000-8000 Гц) в низкочастотные звуки.

Для этого используется специальный фильтр высоких частот с частотой среза 4000 Гц и большой крутизной характеристи0 ки на этой частоте (36 дБ/октава). Он служит для предотвращения прохождения и последующего преобразования высших формант гласных звуков. Отфильтрованное напряжение частот выше 4000 Гц подается на нели5 нейную ступень усиления, после чего производится дальнейшее усиление и выделение фильтром низких частот напряжений всех разностных частот до 1500 Гц. Выделенные таким образом комбинацион0 ные тона из диапазона частот 4000-8000 Гц подаются в общий канал усиления и на телефон.

Основными недостатками модели ТР72 являются: 1. Транспонирование в низкоча5 стотную часть спектра осуществляется только для звуков, лежащих в диапазоне частот от 4000 Гц и выше (до 8000 Гц). Все эти звуки лежат вне полосы частот стандартного телефонного канала, в пределах которого распо0 лагается основная часть звуков речевых сигналов. Трансформация в низкочастотную область звуков из неречевого участка спектра частот приводит к проникновению в речевые участки спектра дополнительных

5 помех, что значительно ухудшает помехоустойчивость слуховых аппаратов такого типа.

2. Так как в слуховых аппаратах типа ТР72 участок спектра, сигналы из которого транспонируются, отделяется от остального

участка спектра полосовым фильтром (4000-8000 Гц) с достаточно крутыми скатами амплитудно-частотной характеристики, то при этом не происходит подчеркивания или выделения основных резидуальных тонов, в значительной мере определяющих восприятие слуховой системой образов сложных акустических сигналов (речевых). Как известно (4), резидуальные тона возникают при условии, что частоты спектральных компонент, порождающих эти тона, не превышают 4-5 кГц.

Цель изобретения - повышение качества выходных сигналов слуховых аппаратов за счет получения в выходном сигнале резидуальных тонов.

Поставленная цель достигается тем, что при обработке сигнала способом, включающим прием акустического сигнала, преобразование его в исходный электрический сигнал, разделение сигнала на частотные диапазоны, раздельное регулируемое усиление сигналов в каждом частотном диапазоне, суммирование усиленных сигналов всех частотных диапазонов и преобразование суммарного электрического сигнала, после разделения его на частотные диапазоны выделяют огибающие, осуществляют их раздельное регулируемое усиление и суммируют с исходным сигналом, а полученный суммарный сигнал прибавляют к суммарному усиленному сигналу всех частотных диапазонов. Новизна предлагаемого способа обработки сигналов в слуховых аппаратах состоит в том, что огибающие усиленных частотных составляющих электрического эквивалента акустического сигнала складываются с сигналом и получившийся в результате в кольце нелинейной обратной связи сложный сигнал после электроакустического преобразования подается на ухо человека.

Новым свойством предлагаемого способа обработки сигналов в слуховых аппаратах является выделение суммарной огибающей сигнала в виде самостоятельного сигнала, подаваемого на ухо человека, и как следствие этого, расширение числа типов сигналов, воспринимаемых человеком, страдающим дефектом слуховой системы, в частности обеспечение восприятия резидуальных тонов сложных звуков.

Предлагаемым способом обеспечивается возможность восприятия человеком модулирующего сигнала модулированного звука, расположенного в области частот, не воспринимаемых человеком вследствие нарушения слуховой функции.

Существенным отличием предлагаемого способа обработки сигналов в слуховых

аппаратах от существующих методов компенсации нарушения слуховой функции человека является введение в структуру слуховых аппаратов блоков, осуществляющих функциональные преобразования сигналов, близкие к нем, которые осуществляются в нормально функционирующей слуховой системе человека, но которые оказались по каким-то причинам нарушенны0 ми. Преобразованный сигнал при подаче на вход слуховой системы человека воспринимается последним более полным и естественным, так как содержит составляющие, которые существующими слуховыми аппа5 ратами не формируются.

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. По предлагаемому способу звуковой сигнал преобразуется в его электрический

0 эквивалент, разделяется на несколько частотных диапазонов, в каждом из которых производится усиление составляющих сигнала, выделение их огибающих с последующим сложением как усиленных состав5 ляющих сигнала, так и их огибающих с электрическим эквивалентом исходного акустического сигнала. При этом коэффициент усиления составляющих сигнала в разных диапазонах различен и определяется

0 характером дефекта слуха у человека.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит источник 1 исходного сигнала, сумматор 2, набор фильтров 3, выделители огибающих 4, усилители-преоб5 разователи 5 для огибающих, усилители- преобразователи 6 для составляющих сигнала, второй сумматор 7, преобразователь электроакустический 8, блок управления 9 преобразователями 5. При этом

0 источник 1 исходного сигнала соединен с первым сумматором 2, выход которого соединен со входом второго сумматора 7 и со входами фильтров 3, выходы которых соединены с усилителями-преобразователями 6 и

5 с выделителями огибающих 4, выходы которых соединены со входами преобразователей 5, выходы которых соединены со входами первого сумматора 2, а выходы усилителей-преобразователей 6 соединены со

0 входами второго сумматора 7, выход которого соединен с электроакустическим преобразователем 8, причем управляющие входы преобразователей 5 и усилителей- преобразователей 6 соединены с выходами

5 выделителей огибающей,

Практическая реализация предлагаемого способа обработки сигналов в слуховых аппаратах осуществляется с помощью серийно выпускаемых микросхем, Так, усилители и сумматоры могут быть изготовлены

на микросхемах типа КР140УД20А, выделители огибающих- - на микросхемах КР544УД2В, К140УД6, КД513А. Фильтры, входящие в блоки 3, выполняют по схеме активных RC-фильтров, построенных с помощью микросхем КР140УД20А по типовым схемам для фильтров 4-го порядка. Реализацию блока управления осуществляют с учетом выполнения основных функций, выполняемых им: оценка уровней частотных составляющих сигнала и их огибающих и выработка управляющих сигналов для установки коэффициентов усиления (ослабления в блоках 5 и 6) как частотных составляющих, так и их огибающих. В соответствии со сказанным в блок управления 9 входят узлы интеграторов (усреднителей), пиковых детекторов, схем выработки управляющих напряжений. Оценку уровней частотных составляющих производят по среднему напряжению на выходах выделителей огибающих 4 с помощью усреднителей (интеграторов), выполняемых на операционных усилителях любого типа в соответствии с типовыми схемами (например, операционные усилители типа 140УД6, КР140УД20А и т.п.). Оценку уровней огибающих составляющих сигнала в выделенных полосах осуществляют с помощью напряжений на выходах пиковых детекторов, определяющих амплитуды переменных составляющих огибающих в каналах. Пиковые детекторы выполняют по типовым схемам для операционных усилителей на микросхемах типов КР140УД20А, 140УД6 (или других того же класса). Регулирующие напряжения с выходов блока управления поступают на управляющие входы усилителей-преобразователей 5 и 6. Последние выполняют по типовым схемам операционных усилителей на микросхемах типа .КР140УД20А, 140УД6 и т.п., причем в качестве элемента, регулирующего коэффициент усиления, может быть использован оптрон (например, типа ЗОТЮ2Е), включенный в состав цепи обратной связи операционного усилителя или в плечо двигателя. В этом случае управляющие напряжения с выходов блока управления поступают на управляющие входы оптронов в блоках 5 и 6 и тем самым осуществляется регулировка усиления (ослабления) составляющих сигнала (в усилителях-преобразователях 5) и огибающих (в усилителях-преобразователях 6) перед их поступлением на сумматоры 2 и 7. В простейшем случае функциональная связь между величиной управляющего напряжения и уровнем соответствующей составляющей сигнала задается в процессе регулировки схем выработки управляющих

напряжений в условиях клиники под характеристики слуховой системы данного пациента.

Как правило, такая связь включает в се- бя нелинейные операции типа ограничения, которые выполняют с помощью диодов (например, типа КД513А) или логарифмических усилителей (например, типа 1112ПП1). Схемы выработки управляющих напряжений

0 также могут быть выполнены по типовым схемам для операционных усилителей, работающих в режиме усиления с ограничением или в режиме логарифмирования.

Усилители-преобразователи являются

5 по существу масштабными преобразователями с управляемыми коэффициентами преобразования (усиления). Их выполнение также широко известно из литературы (3). Все указанные схемные решения были вы0 полнены в виде действующего макета.

Реализация слухового аппарата в соответствии с предлагаемым способом с помощью средств микроэлектроники позволяет выполнить его в объеме около 125

5 куб. см при весе не более 100 г, что дает возможность его использования в виде слухового аппарата карманного типа, способность которого к восстановлению слуховой функции человека значительно выше, чем у

0 существующих аппаратов того же класса. Предлагаемый способ обработки сигналов в слуховых аппаратах позволяет производить с помощью блока управления и более сложные регулирующие функции (например,

5 нормировку уровней составляющих сигнала по отношению к максимальному, подчеркивание отдельных составляющих по какому- либо критерию и т.п.). Такие операции требуют в общем случае применения в каче0 стве блока управления микропроцессора, как это сделано в прототипе предлагаемого способа (т.е. в патенте США № 4680798, кл, Н 04 R 25/00).

Слуховой аппарат с функциональной

5 схемой, изображенной на фиг.1, реализованный в соответствии с предлагаемым способом, работает следующим образом. Акустический сигнал преобразуется в электрический эквивалент с помощью акустоэлек0 трического преобразователя 1. Выходной сигнал акустоэлектрического преобразователя 1 поступает на один из входов первого многоканального сумматора 2, на другие входы которого поступают сигналы от уси5 лителей-преобразователей 5. С выхода первого сумматор суммарный . сигнал поступает одновременно на второй многоканальный сумматор и на входы полосовых фильтров 3. Каждый из выходных сигналов полосовых фильтров 3 поступает одновременно как на вход выделителя огибающей 4, так и на вход соответствующего усилителя- преобразователя «1,0:2«п 6, выходы

которых соединены со входами второго сумматора 7. Выходные напряжения выделителей огибающих после преобразования в усилителях-преобразователях 5 поступают на входы первого многоканального сумматора 2, де складываются с выходным напряжением акустоэлектриче- ского преобразователя 1. Сигналы с выходов блоков выделения огибающих 4 поступают в блок управления 9, в котором производится оценка уровней энергии в соответствующих частотных каналах и уровней энергии переменных составляющих огибающих в тех же частотных каналах. На основе полученных оценок и данных, вводимых от человека с помощью блока управления, устанавливаются коэффициенты усиления усилителей-преобразователей 5 и 6. Тем самым, как и в прототипе, обеспечивает возможность раздельного усиления частотных составляющих сигнала в соответствии с характером дефекта слуховой систе- мы данного человека. Обеспечение выполнения функций блока управления 9 в наиболее полной форме может быть сущест- влено с помощью микропроцессора, работающего в том же режиме, как это изложено в описании патента США № 4680798, кл. Н 04 R 25/00.

Особенностью предлагаемого способа обработки сигналов в слуховых аппаратах является введение в их структуру схем фор- мирорования в звуковом сигнале так называемых резидуальных (дополнительных) тонов. Как показано в целом ряде физиологических и психоакустических исследований, при восприятии человеком сложных звуков (речь, музыка, модулирование тона и т.п.) существенную роль играют резидуаль- ные тона, не содержащиеся в самом исходном сигнале, но возникающие за счет нелинейных преобразований сигналов на различных уровнях слуховой системы (4, 5).

При нарушении механизма формирования резидуальных тонов характер восприятия сложных звуков резко меняется.

Так как сами по себе резидуальные звуки в исходном акустическом сигнале не содержатся, то и их восприятие при указанном выше дефекте слуха исчезает. В наибольшей степени этот дефект проявляется в ухудшении разборчивости речи, восприятии музыки и т.п.

Для ликвидации последствий нарушения механизмов формирования резидуальных сигналов в слуховой системе человека

предлагается ввести в слуховые аппараты схемы, выполняющие аналогичные функции, и добавлять сформированные таким образом резидуальные сигналы к исходному

звуку. После резидуальные сигналы окажутся введенными в звуковой сигнал, поступающий на ухо человека, последний будет их воспринимать, даже если механизм их формирования в его слуховой системе не работает.

Схемная реализация механизма формирования резидуальных сигналов, в частности, должна обеспечивать формирование интенсивных комбинационных тонов вида

f 2fi-f2,

причем относительный уровень комбинационных частот типа не должен зависеть от уровня сигнал.

Выполнение таких требований достигается с помощью преобразования сигнала по схеме обратной связи по огибающей.

Рассмотрим процессы в такой схеме подробнее. Введем следующие обозначения на схеме, изображенной на фиг. 1: Uc электрический эквивалент звукового сигнала на выходе блока (1); Y(t) - сигнал на выходе блока 2; Vi - сигналы на выходах фильтров 3; Wi(t) - напряжение на выходах выделителей огибающей; Ф (т.) - напряжение на выходах преобразователей.

При анализе процессов в схеме, изображенной на фиг.1, сделаем вначале следующие упрощения:

1.Фильтры 3 имеют прямоугольные частот- ные и линейные фазовые характеристики.

Ширина полосы пропускания фильтров больше разноса частот смежных гармонических составляющих, входящих в амплитуд- но-модулированный сигнал, или в двухтоновый сигнал,

2.Полосы пропускания фильтров, выделяющих огибающие в блоках 4, много меньше значений резонансных частот соответствующих каналов,

3. Функции передачи блоков выделения огибающих 4 равны 0 для высокочастотного заполнения сигнала и 1 для модулирующего сигнала. 4, Преобразователи а имеют функцию передачи вида

«i (t)+ 1,

где A(t) - модулирующий сигнал (огибающая сигнала).

С учетом сделанных упрощений можно вывести следующее выражение для напряжения на выходе 1-го сумматора.

Пусть

Uc(t) A(t)f(t),

где f(t) - высокочастотное заполнение сигнала. Тогда

y(t) «A(t)f(t) + «о (t) + 1. Рассмотрим частные случаи: 1. Пусть

A(t) Umo(1 + mcos Q t) « 1;

f(t) sin(wt + p).

Тогда

y(t) Umo(1 + mcos Q t)sin(ut ) +

+ Umo(1 + mcos Q t).

Таким образом, при предъявлении на вход предлагаемого слухового аппарата амплитудно-модулированного колебания модулирующее напряжение выделяется в виде отдельного низкочастотного сигнала. Последний после электроакустического преобразования поступает на ухо человека и воспринимается его слуховой системой как самостоятельный сигнал, даже если в области высокочастотного заполнения (т.е. на частоте (о) чувствительность слуховой системы полностью нарушена.

2. Для описания процесса формирования так называемых резидуальных тонов, т.е. комбинационных тонов с частотами 2fi- Т2,положим, что функция передачи выделения огибающей обеспечивает на его выходе напряжение вида

Wi(t) Уо

У1 Vi(t) + уа Vi2(t) + узУ|3(х).

Тогда огибающая АВых напряжения Uc для случая, когда состоит из двух тонов, т.е.

Uc U-jCOS йЛ t + UL COS UJ2 t

1М2

будет иметь вид (без учета составляющих, имеющих частоты ил и выше)

АвыхМ + + У2 U«CiU%COS(Ul - Wfl } 4+ 3 уз иЈ« (2 W1 в)гПроведя соответствующие выкладки, можно получить следующее приближенное выражение для сигнала, формирующегося на выходе первого сумматора 2

y(t) 1Цсоз ал t + 1Цсоз 0)21 + + (г) + 1,

Таким образом, в рассмотренном случае на вход слуховой системы поступает колебание с частотой од 2 сел - йЈ, т.е. так называемый кубический тон, четко воспринимаемый человеком при прослушивании сложных звуков. Зависимость амплитуды

сформированного комбинационного тона с частотой 2 йЛ - йЈ от амплитуд составляющих исходного стимула U о и U Шг оказывается близкой к таковой, наблюдаемой в психоакустических экспериментах на здоровых испытуемых (6).

В более общем случае, когда упомянутые упрощения не выполняются в блок-схеме, изображенной на фиг.1, появление входного сигнала вызывает более сложный отклик, формируемый за счет взаимодействия сигнала с суммой его огибающих в различных частотных каналах, происходящего в цепи нелинейной обратной связи. Более подробный теоретический и экспериментальный анализ формируемых при этом сигналов показал, что и в этом случае возникают самостоятельные низкочастотные тона, воспринимаемые человеком как резидуальные звуки,

В процессе реализации предлагаемого

способа построения слуховых аппаратов

был сделан лабораторный макет аппарата,

включавший в себя все элементы, входящие

в блок-схему, изображенную на фиг.1.

Проверка эффективности слухового аппарата, построенного по предлагаемому способу, производилась на людях со значительной потерей слуха в тех или иных участ- ках звуковых частот.

Вначале на ухо человека подавался ам- плитудно-модулированный звуковой сигнал, весь спектр которого лежит в области частот, чувствительность к которым у данно- го человека отсутствует.

Отсутствие восприятия человеком такого сигнала фиксировалось по его неспособности обнаружить модулирующий сигнал или правильно оценить его частоту. Ампли- туда сигнала при этом устанавливалась на уровне 80 дБ УЗД,

После этого тот же акустический сигнал того же уровня подавался на вход макета слухового аппарата, с выхода которого акустический сигнал поступал на ухо человека.

Показано, что для нормально слышащего человека сигнал с выхода предлагаемого слухового аппарата мало отличается от ис- ходного звукового сигнала.

В то же время люди с сильно выраженной тугоухостью в области несущей частоты исходного звукового сигнала без слухового аппарата ничего не слышали или слышали слабый неразборчивый звук (в зависимости от степени потери чувствительности в соответствующей области частот).

При подаче таким людям сигнала после его преобразования в предлагаемом слуховом аппарате все испытуемые четко слышали сигнал модулирующей частоты.

Наиболее важным эффектом, обеспечивающим повышение качества выходного сигнала макета за счет формирования в нем резидуальных тонов, является значительное увеличение амплитуд компонент спектра гласных звуков речевых сигналов.

Так, в спектре звука а на выходе макета при включенной цепи обратной связи по огибающей компоненты спектра оказались в 2-5 раз выше по амплитуде (в зависимости от их частотного местоположения), чем компоненты спектра того же звука а при выключенной обратной связи по огибаю- щей. Интенсивность звука в обоих случаях выравнивалась. Аналогичный эффект наблюдался и для всех других гласных речевых звуков. Увеличение амплитуд компонент спектров гласных звуков является результа- том формирования и добавления к исходному сигналу всего комплекса резидуальных тонов речевых сигналов, что и обуславливает улучшение качества выходного речевого сигнала на выходе макета.

Тем самым предлагаемый способ построения слухового аппарата обеспечивает качественно новый эффект.

Формула изобретения Способ обработки сигнала в слуховом аппарате, включающий прием акустического сигнала, преобразование его в исходный электрический сигнал, разделение сигнала на частотные диапазоны, раздельное регулируемое усиление сигнала в каждом частотном диапазоне, суммирование усиленных сигналов всех частотных диапазонов и преобразование суммарного электрического сигнала в акустический сигнал, отличающийся тем, что, с целью повышения качества выходного сигнала за счет получения в выходном сигнале резидуальных тонов, из сигнала после разделения его на частотные диапазоны выделяют огибающие, осуществляют их раздельное регулируемое усиление и суммируют с исходным сигналом, а полученный суммарный сигнал прибавляют к суммарному усиленному сигналу всех частотных диапазонов.

Использование: медицинская техника. Сущность изобретения: принятый акустический сигнал разделяют на частотные диапазоны и раздельно усиливают с последующим суммированием, при этом сигнал разделяют на частотные диапазоны с выделением огибающих, которые усиливают и суммируют с исходным сигналом, а получившийся суммарный сигнал после сложения с раздельно усиленными составляющими сигнала в частотных диапазонах подают в акустической форме на ухо человека. 1 ил.

О