Brevet FR2846136A1 — publié le 20040423

INTRASON4.wpd Dispositif d'expansion/compression de l'enveloppe d'amplitude du signal de parole. L'invention concerne un dispositif d'expansion/compression de l'enveloppe d'amplitude du signal de parole applicable notamment aux prothèses auditives numériques pour personnes malentendantes. Les prothèses auditives incorporent généralement un microphone convertissant le son en 10 signaux électriques. Ces signaux sont amplifiés par un circuit amplificateur qui les transmet à un récepteur. Le récepteur convertit les signaux électriques qu'il reçoit en signaux acoustiques et les dirige dans le conduit auditif de la personne malentendante porteuse de la prothèse. 1 5 Pour apparier la prothèse à l'oreille de la personne malentendante, cette dernière est soumise à contribution d'une part, pour assortir la prothèse à la forme de son oreille et d'autre part, pour déterminer les caractéristiques électriques à donner à l'amplificateur qui sont les plus à même de corriger sa déficience auditive. Du fait que chaque patient peut souffrir d'une perte d'audition dans des bandes de fréquence déterminées, les tests sont effectués par un 2 0 audio- prothésiste qui prescrit les corrections à apporter au gain de l'amplificateur dans les bandes de fréquence o une déficience est constatée. Cependant, ces corrections se révèlent généralement insuffisantes pour redonner à celle ci tout ou partie de son intelligibilité. Notamment elles n'améliorent pas chez le malentendant 2 5 la distinction entre les consonnes. En effet, par leur nature même, les consonnes présentent dans le signal vocal une énergie qui est beaucoup plus faible que celle des voyelles, ce qui donne un rapport d'intensité faible entre consonnes et voyelles. La perception des consonnes est encore dégradée chez les malentendants, notamment lorsque l'énergie des consonnes se trouve situé en dessous du seuil de perception du malentendant. 30 L'un des buts de l'invention est d'améliorer la transmission des indices acoustiques véhiculés par l'enveloppe d'amplitude et utilisés par les patients dans la reconnaissance des consonnes, et plus généralement de la parole. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'expansion/ compression de l'enveloppe d'amplitude du signal de parole comprenant d'une part, un amplificateur couplé entre un microphone et un récepteur de restitution de parole et d'autre part, un dispositif de commande du gain de l'amplificateur couplé à la sortie du microphone qui permet de 5 réhausser les modulations d'amplitude de faible puissance correspondant principalement aux consonnes dans la parole continue, et de comprimer les modulations d'amplitude de forte puissance correspondant principalement aux voyelles. De façon avantageuse, le signal de parole est échantillonné et le gain de l'amplificateur est 10 déterminé pour chaque échantillon courant comme étant le quotient entre la valeur de l'échantillon élevée à une puissance k et la valeur de l'échantillon, l'exposant k de l'échantillon étant déterminé par une fonction exponentielle décroissante de l'amplitude instantanée de l'enveloppe du signal de parole. Plus précisément l'exposant k est déterminé pour chaque échantillon courant en fonction de la puissance minimale appliquée à l'enveloppe augmentée d'un coefficient égal à la différence entre entre la puissance maximale et la puissance minimale appliquée à l'enveloppe du signal vocal, cette différence étant pondérée multiplicativement par une fonction exponentielle décroissante de la différence d'amplitude des échantillons, divisée 2 0 par un coefficient permettant de régler la rapidité d'évolution du gain de l'amplificateur, entre l'échantillon courant et une valeur d'amplitude minimale d'échantillon estimée à l'intérieur d'une fenêtre proche ou entourant l'échantillon courant. L'invention a pour avantage qu'elle permet une réduction dynamique du signal et une 2 5 augmentation du rapport consonne/voyelle. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description détaillée ci-après, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: 3 0 - la figure 1 est un schéma de principe d'un mode de réalisation d'un dispositif d'expansion/ compression de l'enveloppe d'amplitude du signal de parole selon l'invention. -la figure 2 est un graphe illustrant l'évolution du coefficient d'expansion en fonction de l'amplitude de l'enveloppe temporelle du signal. -la figure 3 est une courbe représentative du gain appliqué à l'enveloppe du signal de parole en fonction de l'amplitude de l'enveloppe temporelle du signal. -la figure 4 est un mode de réalisation du dispositif de calcul d'élévation de puissance et du dispositif diviseur de la figure 1. -la figure 5 représente un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de d'expansion/compression de l'enveloppe d'amplitude du signal de parole selon l'invention. 1 0 -la figure 6 montre des courbes représentatives de seuils audiométriques relévés sur des patients. -les figures 7 et 8 montrent des courbes représentant le pourcentage de mots répétés correctement respectivement par des personne normales entendantes et par des personnes 15 mal entendantes, en condition non expansée de l'enveloppe du signal de parole et pour deux conditions d'expansion correspondant à deux fréquences de coupure de l'enveloppe pour deux types de bruits masquants, fluctuant et stationnaire. Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc 2 0 non seulement servir à mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant. Le dispositif représenté suivant le schéma de principe de la figure 1 comprend un amplificateur 1 couplé entre un microphone 2 et un récepteur 3 par l'intermédiaire d'un filtre 2 5 passe bas 4. Ce dispositif comprend également, représenté à l'intérieur d'une ligne fermée en pointillés, un dispositif de commande 5 du gain de l'amplificateur 1 couplé entre une entrée G de commande de gain de l'amplificateur 1 et la sortie du filtre passe bas 4. Le dispositif de commande 5 du gain de l'amplificateur 1 comprend un dispositif redresseur 30 6, un filtre passe bas 7, un dispositif de calcul d'élévation de puissance 8 et un circuit diviseur 9, l'ensemble de ces éléments étant reliés dans cet ordre en série entre la sortie du filtre passe bas 4 et l'entrée G de commande de gain de l'amplificateur 1. Le circuit diviseur 9 comporte deux entrées notées D et F. L'entrée D est reliée à la sortie du dispositif de calcul d'élévation de puissance 8. L'entrée F est reliée directement à la sortie du filtre passe bas 7. A titre d'exemple non limitatif de mise en oeuvre de l'invention, le filtre passe bas 4 pourra 5 être un filtre du premier ou du deuxième ordre possédant une fréquence de coupure de l'ordre de SkHz et le filtre passe bas 7 pourra être un filtre de type Butterworth d'ordre 4 présentant une atténuation de -24 dB/Octave au delà de sa fréquence de coupure. Suivant la configuration des éléments de la figure 1, le signal X(t) sortant du microphone 10 2, est tout d'abord filtré par le filtre passe bas 4 puis il est successivement redressé par le dispositif redresseur 6 et filtré par le filtre7 pour extraire son enveloppe temporelle E(t). L'enveloppe temporelle est appliquée intacte sur l'entrée F du circuit diviseur 9 et elle est par contre élevée à une puissance k=f(E) fonction de l'amplitude de l'enveloppe temporelle E(t), par le dispositif de calcul de puissance 8 avant d'être appliquée élevée à la puissance 15 k sur l'entrée D du dispositif diviseur 9. Avant d' effectuer ce calcul, le signal E(t) est d'abord échantillonné et le calcul est effectué pour chaque échantillon de l'enveloppe par la relation: (1) o -En est l'amplitude de l'enveloppe à l'échantillon n, -Emin est la valeur (En - E min) de l'amplitude mi25 f(E)=exp Eau (klowkhigh)+khigh n i m a 1 e d e l'enveloppe, exprimée à l'intérieur d'une fenêtre de durée minimale d'environ 250ms. -klow est la puissance maximale appliquée à l'enveloppe (expensive), -khigh est la puissance minimale appliquée à l'enveloppe (compressive), Tau est un coefficient permettant de régler la rapidité dévolution de l'exposant k en fonction de l'amplitude de l'enveloppe. Ainsi, l'exposant de la fonction puissance appliqué à chaque échantillon n est fonction de 5 l'amplitude En de l'enveloppe et varie de manière adaptative en fonction des valeurs de puissance maximale klow et minimale khigh. Sur la courbe de la figure 2 qui représente un exemple d'évolution de l'exposant k en fonction de l'amplitude instantanée de l'enveloppe du signal de parole, l'exposant k varie 10 de la puissance maximale klow=4 à la puissance minimum khigh=0,3. Sur cette courbe la valeur 0 sur l'axe des abscisses correspond à la puissance moyenne (RMS) de l'enveloppe du signal de parole. Chaque échantillon d'enveloppe élevé à la puissance k suivant la relation (1) est ensuite 15 appliqué à l'entrée D du circuit diviseur 9. Le circuit diviseur 9 effectue un calcul du facteur d'expansion de chaque échantillon en effectuant le rapport entre la valeur de l'échantillon élevée à la puissance k qui est appliquée sur son entrée D et sa valeur réelle appliquée sur son entrée F. Le signal appliqué sur l'entrée A de l'amplificateur 2 est alors multiplié par la valeur du facteur d'expansion obtenu en sortie du dispositif de calcul 5. Le signal résultant 2 0 est alors appliqué après avoir été éventuellement filtré par un filtre passe bas non représenté, à l'entrée du récepteur 3. Le facteur d'expansion détermine ainsi le gain de l'amplificateur 2. Une représention de l'évolution des valeurs de gain en fonction des valeurs d'amplitude de l'enveloppe est 2 5 montrée à la figure 3. Comme le montre la figure 3, les parties les moins énergétiques de l'enveloppe peuvent se voir appliquer un gain allant jusqu'à +4DB. Les parties les plus énergétiques de l'enveloppe sont quant à elles susceptibles d'être réduites de 12dB. Un mode de réalisation du dispositif de calcul d'élévation de puissance 8 est montré à la 3 0 figure 4. Celui ci comprend un convertisseur analogique numérique 10 couplé respectivement par sa sortie aux entrées respectives d'un dispositif de calcul Il de valeur moyenne d'échantillons dans une fenêtre de calcul glissante définie sur un nombre déterminé d' échantillons et d'une pile 12 de n registres de type FIFO. En théorie, plus la fenêtre est large, meilleur est le traitement. Cependant la largeur de la fenêtre est limitée en pratique par les capacités de traitement de la parole et le temps requis par ce traitement. Ainsi on considère actuellement qu'une durée de fenêtre de l'ordre de la durée moyenne d'une syllabe est satisfaisante. Cela correspond à une durée de fenêtre minimale de l'ordre de 250ms, on peut alors prendre par exemple n=2400 échantillons. Le dispositif de calcul 8 comprend également une mémoire 13 dans laquelle est stockée une table de calcul contenant des valeurs préenregistrées d'échantillons Ei élevés à la puissance k calculés à partir de la relation (1). La table est adressée par le circuit soustracteur 14 en fonction de l'écart entre la valeur moyenne calculée par le dispositif de calcul 11 et celle des 10 échantillons courants Ei et par l'amplitude minimale de l'enveloppe Emin calculée par un dispositif de calcul 15 couplé en sortie du convertisseur analogique numérique 10. Pour ce faire le circuit soustracteur 14 comporte une première entrée d'opérande reliée à la sortie du dispositif de calcul 11 et une deuxième entrée d'opérande couplée à la sortie du registre 12. Le circuit soustracteur 14 permet ainsi d'adresser la table de calcul en fonction de l'écart 15 entre la valeur de l'échantillon courant et la valeur moyenne des échantillons obtenue en sortie du dispositif de calcul 11, c'est à dire de part et d'autre de la valeur 0 portée sur l'axe des abscisses de la figure 2 qui correspond à la puissance moyenne de l'enveloppe du signal de parole observé à l'intérieur de la fenêtre glissante. Chaque valeur d'échantillon élevée à la puissance k qui est lue dans la table de la mémoire 13 est transféré dans un registre 16 2 0 couplé en sortie de la mémoire 13. Naturellement le mode de réalisation du dispositif selon l'invention n'est pas unique et il est possible notamment d'intégrer tout ou partie des fonctionnalités composant le dispositif de commande 5 à l'intérieur d'un même processeur de traitement de signal 17 comme cela est 2 5 montré à la figure 5. Dans ce cas, il suffit de convertir le signal analogique fourni par le microphone 2 en échantillons numériques Ei à l'aide du convertisseur analogique/ numérique 10 en le plaçant en sortie du microphone 2 et d'appliquer les échantillons numériques obtenus à l'entrée d'un processeur de traitement de signal 17 couplé à une mémoire 18, le processeurl7 étant convenablementprogrammé pour effectuer les opérations 3 0 de filtrages et de calcul décrites précédemment. Suivant encore un autre mode de réalisation de l'invention, il est aussi possible, plutôt que de stocker dans une table des valeurs pré-calculées d'échantillons Ei élevées à la puissance k, de stocker directement dans cette table, les valeurs de gain à appliquer, en adressant comme précédemment la table par d'une part, l'écart entre la valeur moyenne des échantillons calculée à l'intérieure d'une fenêtre de largeur déterminée et la valeur de l'échantillon courant et par d'autre part, la valeur de l'amplitude minimale de l'échantillon déterminée à l'intérieur de cette même fenêtre. Cela supprime, dans le mode de réalisation 5 de la figure 5, le circuit diviseur 9 et permet d'appliquer les valeurs de gains lues dans la table directement sur l'entrée de commande G de 1' amplificateur 1. Naturellement ce mode de réalisation s'applique également à celui de la figure 5, la table des gains étant alors stockées à l'intérieur de la mémoire 17. Le dispositif selon l'invention a été expérimenté avec des stimuli construits à partir de productions non accentués de 6 listes de 10 phrases équilibrées phonétiquement. Ces phrases ont été produites par un locuteur de langue maternelle française dans le silence. Chaque phrase a été digitalisée à l'aide d'un convertisseur analogique/numérique de 16- bit à une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz. Dans la condition de contrôle non expansé, la 15 valeur de l'exposant k était déterminée par la fonction f(E)=l. Ainsi le gain appliqué "No Exp") au signal était nul, laissant le signal intact. Dans la condition expansé, l'extraction de l'enveloppe était réalisée à différentes fréquences de coupure: 16Hz ou 256Hz. Ainsi, l'expansion n'était appliquée qu'à certaines bandes de modulation du signal de parole correspondant aux fréquences de modulation inférieures aux fréquences de coupure 2 0 indiquées ci-dessus. Les stimuli étaient présentés dans un bruit de spectre à long terme identique à celui de la parole. Les bruits étaient soit modulés en amplitude par l'enveloppe d'une bande de bruit soit laissés intacts(large bande de modulation). La bande passante de la bande de bruit était 25 de 16 Hz. Ainsi le bruit modulé par l'enveloppe de cette bande de bruit présentait des fluctuations aléatoires inférieures à 16 Hz. Le rapport signal à bruit (RSB) a été choisi sur des critères de performances. En effet, pour chaque type de bruit masquant, une série de mesures a été effectuée sur un groupe de malentendants similaire à celui testé dans cette étude. Pour chaque bruit, ces mesures ont permis de déterminer le niveau permettant 30 d'atteindre 50% de mots clés répétés correctement dans la condition non expansé. Les différentes conditions évaluées dans cette étude sont montrées à la figure 6. Au cours de l'expérience les stimuli ont été présentés de manière binaurale à travers un casque. Les sujets ont été testés individuellement dans une cabine insonorisée. L'expérience qui était contrôlée par ordinateur, consistait à comptabiliser le nombre de mots clés répétés correctement par le patient pour chacune des 60 phrases. Pour un sujet donné, chaque liste de phrases correspondait à l'une des 6 conditions expérimentales attribuée au hasard. Au sein d'une liste, les phrases étaient présentées selon un tirage aléatoire sans remise, à un 5 niveau global de 70 dB(A) pour les entendants et 85dB(A) pour les malentendants pour un signal de parole continu. Dix-huit sujets normo-entendants ont participé à cette étude. L'âge moyen était de 27 ans. Les 18 patients malentendants participant à cette étude ont été recrutés au Laboratoire 10 Xavier Debruille situé à Reims (France). Ces patients présentaient les caractéristiques suivantes: -Age moyen 72 ans -Perte auditive PTA (250-500-1000-2000-4000 Hz) = 40 dB HL 15 d'origine neurosensorielle bilatérale et symétrique plus importante dans les hautes fréquences comme montré sur la figure 6; -Audiométrie vocale dans le silence symétrique 2 0 au moins 90% de bonnes réponses pour un niveau de présentation de 75 dB. Les résultats moyens des 18 sujets normo-entendants sont présentés sur la figure 7. Comme le montre cette figure, les performances d'identification de phrases varient de la même manière quelle que soit la nature du bruit. Ainsi, le nombre de mots correctement répétés 2 5 augmente légèrement, mais de manière non significative, lorsque l'expansion est appliquée à la bande de modulation la plus étroite (0-16 Hz). Cependant, de façon surprenante, lorsque l'expansion est appliquée à une plus large bande inférieure à 1000Hz, en dehors de la bande utile 0-16Hz d'identification de la parole, les performances s'améliorent significativement dans des intervalles compris par exemple entre 20 et 100OHz, 50 et 500Hz ou 100 et 30 500Hz.Ainsi par exemple dans la bande (0-256 Hz), les performances s'améliorent significativement de 15 % dans le bruit fluctuant et de plus de 22% dans le bruit stationnaire. La figure 8 présente le pourcentage de mots correctement répétés pour les différentes conditions d'expansion et de bruit. Contrairement aux résultats observés chez les sujets normo-entendants, les performances semblent évoluer de manière quelque peu différente selon la condition de bruit. Dans le bruit fluctuant, le nombre de mots correctement répétés augmente significativement dès lors que l'expansion est appliquée à la bande la plus étroite (0-16Hz) et ne s'améliore guère avec l'élargissement de la bande de modulation (0-256 Hz) 5 à laquelle est appliquée l'expansion. Les bénéfices sont respectivement de 10% et 8%. Dans le bruit stationnaire, on observe une amélioration progressive des performances avec l'augmentation de la largeur de la bande de modulation à laquelle est appliquée l'expansion. En effet, les bénéfices sont de l'ordre de 5% dans la condition 0-16 Hz et de près de 12% dans la condition 0-256Hz. Revendications 1-Dispositif d'expansion/ compression de l'enveloppe d'amplitude du signal de parole 5 comprenant un amplificateur (1) couplé entre un microphone (2) et un récepteur (3) de restitution de parole caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de commande (5) du gain de l'amplificateur (1) couplé à la sortie du microphone (2) pour réhausser les modulations d'amplitude de faible puissance correspondant principalement aux consonnes dans la parole continue, et comprimer les modulations d'amplitude de forte puissance correspondant 10 principalement aux voyelles. 2-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le dispositif de commande de gain (5) comprend un convertisseur analogique numérique (10) pour transformer le signal de parole fourni par le microphone (2) en échantillons numériques, couplé à un dispositif de 15 calcul du gain (8,9) de l'amplificateur (1), le gain de l'amplificateur (1) étant déterminé pour chaque échantillon courant comme étant le quotient entre la valeur de l'échantillon élevée à une puissance k et la valeur de l'échantillon, l'exposant k de l'échantillon étant déterminé par une fonction exponentielle décroissante de l'amplitude instantanée de l'enveloppe du signal de parole. 3-Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le facteur de puissance k est égal à la puissance minimale (khigh) appliquée à l'enveloppe du signal de parole augmentée d'un coefficient égal à la différence de puissance entre la puissance maximale (klow) et la puissance minimale (khigh) appliquée à l'enveloppe du signal vocal, pondéré multiplicati25 vement par une fonction exponentielle décroissante de la différence d'amplitude entre l'échantillon courant (En) et une valeur d'amplitude minimale (Emin)d'échantillon estimée à l'intérieure d'une fenêtre proche ou entourant l'échantillon courant (En), cette différence étant divisée par un coefficient (Tau) permettant de régler la rapidité d'évolution du gain de l'amplificateur (1). 4-Dispositif selon la revendication 2 et 3 caractérisé en ce que le dispositif de commande (5) du gain de l'amplificateur (1) comprend une mémoire (13;18) contenant dans une table des valeurs préenregistrées du gain de l'amplificateur à appliquer à l'échantillon courant adressée d'une part, par l'écart entre la valeur de l'échantillon courant et la valeur moyenne des échantillons proches de l'échantillon courant calculée par un dispositif de calcul de valeur moyenne d'échantillons (11) dans une fenêtre composée d'un nombre déterminé d'échantillons proches ou entourant l'échantillon courant et d'autre part, par la valeur minimum des échantillons compris à l'intérieur de la même fenêtre. -Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le dispositif de calcul (8,9) du gain de l'amplificateur (1) comprend une mémoire (13) contenant dans une table des valeurs préenregistrées d'échantillons courant élevées à la puissance k, adressée par l'écart entre la valeur de l'échantillon courant et la valeur moyenne 10 des échantillons proches de l'échantillon courant calculée par un dispositif de calcul de valeur moyenne d'échantillons (11) dans une fenêtre composée d'un nombre déterminé d'échantillons proches ou entourant l'échantillon courant, et un registre (16) pour stocker la valeur de l'échantillon élevé à la puissance k lue dans la mémoire (13) . 6-Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu' il comprend un dispositif diviseur (9) pour déterminer le gain de l'amplificateur en effectuant le quotient entre la valeur de l'échantillon élevée à la puissance k lue dans la mémoire (13) et la valeur de l'échantillon courant. 7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le dispositif de commande de gain (5) comprend un dispositif redresseur à double alternance (6) couplé à un filtre passe bas (7) de Butherworth pour filtrer l'enveloppe redressée du signal de parole avant son traitement par le dispositif de calcul (8). 2 5 8-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce l'ensemble des fonctionnalités composant le dispositif de commande de gain (5) sont intégrées à l'intérieur d'un même processeur de traitement du signal (16). 9-Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 à la réalisation 3 0 de prothèses auditives numériques.