İşitme engelliler için homojen alan dağılımlı gişe tipi ses frekansı indüksiyon döngü sistemi tasarımı
Uniform field distribution audio frequency counter induction loop design for hearing impaired
Yazar: MELTEM LORDOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ YILDIRIM ; DOÇ. DR. SERHAT İKİZOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Ses frekansı = Voice pitch ; İndüksiyon = Induction ; İşitme engelliler = Hearing impaired

Özet:
Sağırlık ve işitme kaybı, dünya çapında yaygın bir hastalıktır. Hafif, orta, orta şiddetli, şiddetli veya derin olabilir ve bir veya iki kulağı etkileyebilir. İşitme kaybı, doğuştan veya çocukluk çağında, kronik orta kulak enfeksiyonları nedeniyle, gürültüye bağlı, yaşa bağlı veya iç kulağa zarar veren toksik ilaçlar nedeniyle oluşabilir. Tedavisi gerçekleştirilmemiş işitme kaybı, iletişimi ve genel yaşam kalitesini olumsuz etkileyebilir. İşitme kaybı olan yaşlı insanlar arasında sosyal izolasyona, yalnızlığa ve hayal kırıklığına yol açabilir. Çocuklarda dil gelişimini geciktiren başkalarıyla iletişim kurma yetisinin kaybına neden olabilir. Dünya Sağlık Örgütü (DSÖ) 2021 yılı verilerine göre dünya çapında tahminen 466 milyon insan (nüfusun %5,5'i) işitme kaybıyla yaşıyor. İşitme kaybına sahip insanların 432 milyonu (%93) yetişkin ve 242 milyonu erkek, 190 milyonu kadındır. 34 milyon (%7) çocukta sağırlık veya işitme kaybı var ve bunların %60'ı önlenebilir nedenlere bağlıdır. 65 yaş üstü insanların yaklaşık üçte biri işitme kaybına sahip ve bu vakaların çoğu Güney Asya, Asya Pasifik ve  Afrika'dadır. İşitme kaybı olan kişilerin sayısının 2030'a kadar 630 milyona ve 2050'de 900 milyonun üzerine çıkması öngörülmektedir. Türkiye İstatistik Kurumu 2016 yılı verilerine göre Türkiye nüfusunun %4,5'i işitme kaybına sahiptir ve sadece %4'ü işitme cihazı kullanmaktadır.
İşitme kaybının dezavantajlarının çoğu, erken teşhis ve müdahalelerle hafifletilebilir. Küçük çocuklar ve aileleri için özel eğitim programları ve işaret dili oldukça faydalı bir müdahaledir. Ayrıca işitme cihazları, koklear implantlar, altyazı ve diğer yardımcı teknolojiler her yaşta işitme kaybı olan kişilere yardımcı olabilir. İnsanlar konuşma terapisi, işitsel rehabilitasyon ve diğer ilgili hizmetlerden de yararlanabilirler. DSÖ, sağlık sektörü maliyetleri (işitme cihazlarının maliyeti hariç), eğitim desteği maliyetleri, üretkenlik kaybı ve toplumsal maliyetler nedeniyle işitme kaybının küresel ekonomiye yıllık maliyetinin 980 milyar $ olduğunu tahmin etmektedir. Ayrıca DSÖ, küresel işitme cihazı üretiminin düşük ve orta gelirli ülkelerdeki ihtiyacın sadece %3'ünü karşıladığını tahmin etmektedir.
İşitme kaybı telafisi için günümüzde işitme cihazları ve koklear implantlar yaygın olarak kullanılmaktadır.  Ancak işitme cihazları, yankılanma ve gürültü gibi çevresel faktörlerin bulunduğu  ortamlarda kullanıcının sesi net olarak duyabilmesi için her zaman tek başına yeterli olamayabilir. Bu nedenle işitmeye yardımcı sistemler (ALS) kullanılmaktadır. Bu sistemler sınıflar, tiyatrolar, ibadet yerleri ve havaalanları gibi çeşitli ortamlarda insanların işitmesini iyileştirmek için kullanılır. ALS'lerde ses bir verici aracılığıyla işitme cihazı/implant kullanıcısının alıcısına iletilir ve böylece konuşma-gürültü oranı iyileştirilir.
Kablolu cihazlar, frekans modülasyonu (FM) ses sistemi, kızılötesi (IR) ses sistemi, ses frekansı indüksiyon döngü sistemi (AFILs), telefon dinleme cihazları (TDD) ve uyarı/alarm sistemi dahil olmak üzere altı çeşit ALS mevcuttur. ALS'ler arasında en yaygın olarak kullanılan sistem AFILs'dir. AFILs, tanımlanan kullanım hacminde Uluslararası  Elektroteknik Komisyonu (IEC) IEC60118-4 standardı tarafından belirlenen performans gereksinimlerini karşılamalıdır. Bu gereksinimlerin karşılanması, sistemden tam olarak faydalanabilmek için gereklidir. IEC60118-4 uluslararası standardına göre manyetik alan gücü, kullanım hacmi boyunca 400 mA/m ±3 dB olmalı, 100 Hz ila 5 kHz frekans bandı boyunca sinyaldeki toplam değişim, kullanım hacminin herhangi bir noktasında 1 kHz'deki manyetik alan şiddettinin 3 dB'i dahilinde olmalı ve döngü sistemi kapalıyken, manyetik gürültü (A ağırlıklı bir filtreyle ölçülür) 400 mA/m referansa göre -32 dB'den küçük veya daha iyi olmalıdır.
AFILs mikrofon, yükselteç ve indüksiyon bobininden oluşur ve kullanım yerlerine göre taşınabilir, gişe tipi, çevre döngüsü ve çoklu döngü olmak üzere çeşitleri mevcuttur. Örneğin çevre indüksiyon bobini sınıf, tiyatro sinema gibi yerlerde  kullanılır ve bobin odanın çevresine yerleştirilir. Gişe tipi döngü sisteminde ise indüksiyon bobini genellikle gişe masasının altına dik bir şekilde konumlandırılır ve boyutu çevre bobinine göre oldukça küçüktür. AFILs sesleri manyetik dalgalara dönüştürerek alıcıya iletir. En yaygın alıcı işitme cihazı içerisinde bulunan T bobinidir. T bobini, ince bakır telin küçük bir demir çubuk etrafına sarılmasıyla oluşturulur. Çok sarımlıdır ve oldukça küçüktür. Küçük bir iplik makarası gibi görünür. İndüksiyon döngü bobininden gelen manyetik sinyali en iyi şekilde kullanmak için, T bobininin akı yollarına göre doğru şekilde yönlendirilmesi gerekir. Bu nedenle T bobini işitme cihazı içerisinde dik bir şekilde yerleştirilmiştir. Fakat kullanıcının başını öne, sağa veya sola eğmesi durumunda T bobininin açısı değişecektir ve manyetik alıcı olarak  işlevselliği azalacaktır.
AFILs'in en iyi performansta çalışabilmesi kullanım hacmi içerisinde kişinin başını öne veya yana eğmesi durumunda indüklenen gerilim, kişi başını dik tutuyorken indüklenen gerilim değerine eşit veya çok yakın olursa sağlanabilir. Aksi takdirde iletilen ses kullanıcının baş hareketine bağlı olarak kısık ve yüksek ses olarak sürekli değişecektir veya kişi iletilen sesin bazı kısımlarını hiç duyamayacaktır. 
Geleneksel gişe tipi indüksiyon döngü sistemi ANSYS Maxwell 3D ortamında modellenmiştir. T bobininin dik iken ve T bobininin öne doğru 90° eğik iken T bobininde indüklenen gerilim analiz edilmiştir. Analiz sonuçlarında T bobininin bulunduğu ortamda manyetik alan şiddetinin büyüklüğü aynı olsa dahi T bobini 90° eğik iken indüklenen gerilimin, dik olması durumuna göre %66 azaldığı gözlemlenmiştir. Bu problemi aşmak amacıyla öncelikle ANSYS Maxwell 3D ortamında tek indüksiyon bobini yerine biri dik diğeri 30° öne doğru eğik iki indüksiyon bobini aynı sinusoidal akımla sürülerek problem test edilmiştir. Bu modelde T bobini 90° eğik iken indüklenen gerilim, dik olması durumuna göre 1.4 kat artmıştır. Bu da problem için tam bir çözüm değildir. Bu tez kapsamında önerilen sistem olan aralarında 30° olan aynı iki bobin sinusoidal akımın bir periyodu içerisinde belirli aralıklarla sırasıyla (yani kesikli sinusoidal akımla) sürüldüğünde ise T bobininin her iki durumunda da yaklaşık eşit gerilim indüklendiği gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar önerilen sistemin T bobininin yöneliminden bağımsız bir şekilde ses sinyalini kullanıcıya ilettiğini göstermektedir. 
Geleneksel sistemde indüksiyon bobinini sürmek için akım geri beslemeli yükselteçler kullanılır. Bu tezde önerilen sistem için geleneksel yöntemden tamamen farklı olarak indüksiyon bobinini kesikli akımla sürmek için AC PWM kıyıcı devresi kullanılmıştır. Önerilen sistemde kesikli akıma ihtiyacımız vardır. Bu nedenle endüktansa seri olan direncin değeri arttırılmalıdır.  Direncin değerini arttırmak devre kaybını arttıracaktır bu nedenle gerekli minimum direnç değeri iteratif yöntemle hesaplanmıştır.
Bu tezde döngü sistemi taşınılabilir bir kutu içerisinde olacak şekilde tasarlanmıştır. Döngü sistemi gişede kullanıldığı varsayılmış ve tasarlanan kutunun gişe masasınınn üstüne koyulduğu düşünülmüştür. İndüksiyon bobininin boyutlarını, sarım sayısını, sürme akımını, akımın kesikli olması için gerekli minimum seri direnç değerini kayıp, performans ve boyut açısından en iyisini belirlemek amacıyla Matlab'de bir algoritma yazılmıştır. Matlab'de elde edilen sonuçlar içerisinde T bobini konumunda manyetik alan şiddeti 350 mA/m ile 650 mA/m arasında olanlar, 5 kHz'de endüktif reaktansı seri direnç değerinden küçük olanlar ve seri direnç üzerindeki kaybı 50 W'ın altında olanlar için tasarım uzayı oluşturulmuştur. Tasarım uzayı içerisinden kayıp ve boyut açısından en iyi tasarım seçilmiştir ve ANSYS Maxwell 3D ortamında parametrik  olarak modellenmiştir. Modelde iki bobin arasındaki açı 10' ar derecelik adımlarla 0°-90° arası değiştirilmiştir ve her açı değeri için T bobininin  dik, öne doğru 30°, 60° ve 90° eğik, sağa ve sola 30° ve 60° derece eğik durumları analiz edilmiştir. Toplamda 80 adet analiz yapılmıştır. Elde edilen sonuçlarda iki bobin arasındaki açı 40°'den büyük olduğu zaman indüklenen gerilimin frekansının değiştiği ve açı arttıkça indüklenen gerilimin dalgalılığının arttığı gözlemlenmiştir. T bobininin farklı eğiklik durumlarında indüklenen gerilimin rms değeri açısından en homojen sonuç 20° elde edilmiştir. En geniş kullanım hacmi iki bobin arasındaki açı 40° iken elde edilmiştir. Bu çalışma ile geleneksel gişe tipi indüksiyon döngü sistemi özgün bir yaklaşımla performans ve boyut açısından geliştirilmiştir.

Abstract:
Deafness and hearing loss are common diseases and are found in every country. It can be mild, moderate, severe or profound and can affect one or both ears. Hearing loss can occur from birth or childhood, due to chronic middle ear infections, noise-related, age-related, or toxic drugs that damage the inner ear. Untreated hearing loss can negatively affect communication and overall quality of life. It can lead to social isolation, loneliness and frustration among older people with hearing loss. It can cause loss of ability to communicate with others, which delays language development in children. According to the World Health Organization (WHO) 2021 data, an estimated 466 million people worldwide (5.5% of the population) are living with hearing loss. Of the people with hearing loss, 432 million (93% ) are adults, 242 million are men and 190 million are women. 34 million (7%) children have deafness or hearing loss, of which 60% are due to preventable causes. About one-third of people over the age of 65 have hearing loss, and most of these cases are in South Asia, Asia Pacific and Africa. The number of people with hearing loss is projected to increase to 630 million by 2030 and to over 900 million by 2050. According to the 2016 data of the Turkish Statistical Institute , 4.5% of Turkey's population has hearing loss and only 4% uses hearing aids.
Many of the disadvantages of hearing loss can be alleviated with early detection and intervention. These are special education programs and sign language training for young children and their families. In addition, hearing aids, cochlear implants, captioning and other assistive technologies can help people of all ages with hearing loss. People may also benefit from speech therapy, auditory rehabilitation, and other related services. WHO estimates the annual cost of hearing loss to the global economy at $980 billion due to healthcare industry costs (excluding the cost of hearing aids), educational support costs, loss of productivity and societal costs. In addition, WHO estimates that global hearing aid production meets only 3% of the need in low- and middle-income countries.
Today, hearing aids and cochlear implants are widely used for hearing loss compensation. However, hearing aids alone are not always sufficient for the user to hear the sound clearly in environments with environmental factors such as reverberation and noise. For this reason, assistive listening technologies (ALS) are used. These systems are used to improve people's hearing in a variety of environments, such as classrooms, theatres, places of worship and airports. In ALS, sound is transmitted via a transmitter to the receiver of the hearing aid/implant user, thereby improving the speech-to-noise ratio.
There are six types of ALS available, including hardwire devices, frequency modulation (FM) audio system, infrared (IR) audio system, audio frequency induction loop system (AFILs), telephone listening devices, and alert/alarm system. The most widely used system among ALS is the AFILs. AFILs must meet the performance requirements set by the international standard IEC60118-4 at the defined usage volume. Meeting these requirements is necessary to take full advantage of the system. According to the international standard IEC60118-4, the magnetic field strength should be 400 mA/m ±3 dB throughout the usage volume, the total change in signal across the 100 Hz to 5 kHz frequency band should be within 3 dB of the power at 1 kHz at any point in the usage volume and with the loop system off , magnetic noise (measured with an A-weighted filter) should be lower than -32 dB or better with reference to 400 mA/m.
AFILs consist of microphone, amplifier and induction coil and are available in various types such as portable, counter, perimeter and multi-loop according to their usage areas. For example, the perimeter induction loop is used in classrooms, theaters, cinemas, and the coil is placed around the room. In the counter loop system, the induction coil is usually positioned vertically under the counter table and its size is quite small compared to the perimeter loop. Induction loop systems convert sounds into magnetic waves and transmit them to the receiver. The most common receiver is the T coil (also called as Telecoil) inside the hearing aid. T coil is formed by wrapping thin copper wire around a small ferrite rod. It includes a lot of turns and quite small. It looks like a small spool of thread. In order to make best usage of the magnetic signal from the induction loop coil, the T coil must be correctly oriented with respect to the flux paths. For this reason, the T coil is placed vertically in the hearing aid. However, if the user tilts his head forward, right or left, the angle of the T coil will change and its functionality as a magnetic receiver will be reduced.
The best performance of the AFILs can be achieved if the induced voltage when the person is holding his head upright is equal to or very close to the induced voltage in the case of tilting his head forward or to the side within the usage volume. Otherwise, the transmitted sound will constantly change from low to loud depending on the user's head movement, or the person will not be able to hear some parts of the transmitted sound at all.
The conventional counter induction loop system is modeled in the ANSYS Maxwell 3D environment. The induced voltage in the T coil is analyzed when the T coil is upright and the T coil is tilted forward 90°. In the analysis results, it has been observed that even though the magnitude of the magnetic field strength is the same in the environment where the T coil is located, the voltage induced when the T coil is is tilted forward 90° becomes to one of third according to induced voltage when T coil is upright. In order to overcome this problem, first of all, instead of a single induction coil in ANSYS Maxwell 3D environment, the problem is tested by driving two induction coils, one vertical and the other 30° forward tilted, with the same sinusoidal current. In this model, when the T coil is tilted 90°, the induced voltage is increased by 1.4 times compared to when it is perpendicular. This is not a complete solution to the problem either. When the same two coils with 30° between them, which is the proposed system within the scope of this thesis, are driven sequentially within a period of sinusoidal current (that is, with intermittent sinusoidal current), it is observed that approximately equal voltage is induced in both states of the T coil. These results show that the proposed system transmits the audio signal to the user regardless of the orientation of the T coil.
In the conventional system, current feedback amplifiers are used to drive the induction coil. For the system proposed in this thesis, AC PWM chopper circuit is used to drive the induction coil with intermittent current, completely different from the traditional method. We need intermittent current in the proposed system. Therefore, the value of the resistor in series with the inductance should be increased. Increasing the value of the resistor will increase the circuit loss. Therefore, the required minimum resistance value was calculated iteratively.
In this thesis, the loop system is designed to be in a portable box. The loop system is assumed to be used at the counter and the designed box is thought to be placed on the counter desk. An algorithm has been written in Matlab in order to determine the dimensions of the induction coil, the number of turns, the driving current, the minimum series resistance value required for the current to be intermittent, in terms of loss, performance and size. Among the results obtained in Matlab, the design space is created for those whose magnetic field strength is between 350 mA/m and 650 mA/m at the T coil position, whose inductive reactance at 5 kHz is greater than the series resistance value, and whose loss on the series resistor is below 50 W. The best design in terms of loss and size is selected from the design space and parametrically modeled in ANSYS Maxwell 3D environment. In the model, the angle between the two coils is changed from 0°-90° in 10° steps, and for each angle value, the situations of T coil
when it is tilted to forward 30°, 60° and 90°, to the right and left 30° and 60° are analyzed. A total of 80 analyzes were made. In the results obtained, it is observed that the frequency of the induced voltage changes when the angle between the two coils is greater than 40° and the ripple of the induced voltage increases as the angle increases. The most homogeneous result in terms of rms value of the induced voltage in the different tilt states of the T coil is obtained at 20°. The largest usage volume is obtained when the angle between the two coils was 40°. With this study, the traditional counter induction loop system has been developed with a unique approach in terms of performance and size.