СЛУХОВОЙ АППАРАТ

Техническая область
Полезная модель относится к слуховым аппаратам и может быть использована пациентами с дефектами слуха для слухового восприятия окружающих звуков.
Предшествующий уровень техники
Известен слуховой аппарат содержащий микрофон, преобразователь электрического сигнала в акустический, последовательно соединенные предварительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, ЦВМ, цифроаналоговый преобразователь, усилитель мощности, причем в качестве предварительного усилителя используется микрофонный усилитель, охваченный системой автоматической регулировки усиления, а в качестве ЦВМ может использоваться персональный компьютер или спецпроцессор (см. RU 2159099 С1).
Автоматическая регулировка усиления характеризуется инерционностью и в случае прерывистого по громкости сигнала или фона, или перепадов их громкости, приводит к пропаданию целых фрагментов последовательности звуков и, как следствие, к неразборчивости восприятия звуков, снижая комфортность использования. Кроме того, известное устройство не имеет возможности быть адаптированным к частотным особенностям слухового анализатора и не способно обеспечить приемлемую разборчивость при низких соотношениях сигнал/фон.
Известны устройства с использованием полосовой или гребенчатой частотной фильтрацией, позволяющие грубо согласовать частотную характеристику устройства с особенностями слухового анализатора (см. например, RU 2111732 С1, RU 23045 U1).
Недостатком известных устройств является невозможность восприятия слабых и громких звуков пациентом так как устройство не способствует расширению динамического диапазона слышимости, который остается таким же или даже уже из-за недостатков звукопреобразующих приборов.
Известные устройства также не способны обеспечить разборчивость при наличии фона сопоставимого по амплитуде с полезным сигналом и с взаимно близкими частотами, попадающими в частотный диапазон соответствующего полосового фильтра, так как фон в этом случае фактически заглушает полезный сигнал.
Указанные недостатки снижает область применения известных устройств
Известен слуховой прибор содержащий: приемник для приема входного сигнала, характерного для звукового сигнала; блок обработки для обработки принятого сигнала, блок обработки выполнен с возможностью обработки принятого сигнала фильтрацией; и передатчик для передачи обработанного сигнала, блок обработки дополнительно выполнен с возможностью возведения в квадрат принятого сигнала, так что фильтрации подвергают квадратичный сигнал, блок обработки выполнен с возможностью фильтрации квадратичного сигнала на основании аудиограммы человека с нарушением слуха, при этом упомянутая аудиограмма является частотной функцией потери слуха человека с нарушением слуха (см. RU 2544292 С2).
Недостатком известного решения также является ограниченная область применения из-за невозможности адаптации к разнообразию особенностей слуховых анализаторов пациентов. Наличие указанного недостатка вызвано тем, что фильтрация квадратичного сигнала хоть и позволяет в какой-то степени согласовать частотную характеристику устройства с особенностями частотного восприятия пациента, однако ввиду того, что фильтрация является линейной функцией то уменьшение или увеличение сигнала в полосе фильтрации влечет неравномерность частотной зависимости уровня громкости сильных сигналов, что является неестественным и вызывает дискомфорт восприятия, исключающий использование устройства определенной категорией пациентов.
Кроме того, при использовании устройства в условиях наличия регулярного шумового фона с частотой близкой к частоте полезного сигнала, например, речевого, фильтрация не позволяет существенно повысить соотношение сигнал/фон так как амплитуды как помехи, так и сигнала изменяются пропорционально, что влечет недостаточную разборчивость в восприятии звуков.
Использование же квадратичного сигнала, позволяющего сжать динамический диапазон хоть и способно улучшить разборчивость восприятия при низком значении сигнал/фон, однако так же не решает проблему без раздельной по частоте и взаимно независимой компрессии. Известное решение позволяет, благодаря использованию квадратичного сигнала, «выровнять» разброс амплитуд входного сигнала для повышения соотношения сигнал/фон, но это сжатие осуществляется одновременно во всем частотном диапазоне, при этом величина такого сжатия имеет ограничение, после которого возросшие нелинейные искажения значительно ухудшают разборчивость. Таким образом даже использование квадратичного сигнала в известном решении не обеспечивает приемлемого качества восприятия, что ограничивает область применения известного решения.
Наиболее близким по технической сущности - прототипом является слуховой аппарат, состоящий из микрофона, предварительного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, спецпроцессора, цифроаналогового преобразователя, выходного усилителя и микротелефона, соединенных последовательно, при этом в предварительном усилителе введены цепи отрицательной обратной связи (см. RU 2159099 С1).
Известное решение так же, как и предыдущий аналог позволяет приблизить качество восприятия звука по динамическому диапазону воспринимаемых звуков к характеристикам слухового анализатора здорового человека.
Однако наличие частотной зависимости звуковосприятия большинства людей с частичной потерей слуха не позволяет адаптировать известное решение к особенностям слухового анализатора пациентов. Известное решение не обеспечивает возможности частотной настройки предварительного усилителя, выполняющего функцию аналогового компрессора, под частотные особенности слухового анализатора. Несоответствие частотных характеристик компрессии особенностям слухового анализатора снижает качество восприятия звука пользователем, в том числе не обеспечивает приемлемой разборчивости речевого сигнала.
Использование какой-либо дополнительной частотной фильтрации может частично помочь в повышении качества восприятия звука, однако также, как и в вышеописанном аналоге неестественность зависимости громкости сильных сигналов от частоты в условиях постоянного использования известного устройства ограничивает круг пользователей.
Известное решение также не способно решить проблему в условиях большого амплитудного разброса звуков, а также при наличии локализованного вблизи частот полезного сигнала фонового шума, что является частой ситуацией, так как фильтрация в этом случае хоть и позволяет «задушить» сигнал помехи, но лишь пропорционально снижению уровня полезного сигнала
При наличии интенсивного шума увеличение компрессии, как и в вышеуказанных аналогах, позволяет улучшить разборчивость лишь до определенного предела, выше которого нелинейные искажения ухудшают разборчивость восприятия.
Ввиду значительного разброса частотных особенностей слуховых анализаторов разных людей, известное решение проявляет свои свойства для разных пользователей не одинаково, что не позволяет точно прогнозировать эффективность устройства для разных пациентов. Указанный недостаток также негативно влияет на область применения известного решения.
Усилитель, обеспечивающий функцию компрессора в известном решении, подключен непосредственно к выходу микрофона, вследствие чего на его вход поступает слабый сигнал от микрофона, характеризующийся низким соотношением сигнал/шум, что является причиной наличия шума на выходе устройства, также снижающей качество восприятия звука.
Указанные недостатки ограничивают область применения известного решения.
Краткое изложение изобретения
Технический результат достигается тем, что в слуховом аппарате, содержащем микрофон, компрессор, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи и микротелефон, выход указанного компрессора подключен ко входу переключателя, выход которого через цифроаналоговый преобразователь соединен с микротелефоном, а второй вход переключателя подключен к выходам группы разнесенных по частотному диапазону канальных компрессоров, которые выполнены с возможностью независимой регулировки компрессии.
Кроме того: - компрессор представляет собой усилитель с отрицательной обратной связью с логарифмической передаточной характеристикой,
- компрессоры выполнены с возможностью обработки цифрового сигнала.
Техническая задача
Техническим результатом является расширение области применения за счет обеспечения возможности адаптации к особенностям слухового анализатора пользователя, а также за счет возможности учета особенностей фоновой звуковой обстановки, в которой обычно используется устройство.
Положительные эффекты от изобретения
Слуховой аппарат обеспечивает возможность настройки под частотные особенности слухового анализатора пользователя, обеспечивая приближение качества восприятия звука к качеству слухового анализатора здорового человека.
В то же время слуховой аппарат обеспечивает возможность оптимизировать преобразование сигнала с позиции обеспечения максимальной разборчивости звука с учетом конкретных спектров звуковых сигналов и значений фонового шума.
Указанные результаты обеспечивают расширение области применения слухового аппарата.
Краткое описание чертежей
Слуховой аппарат поясняется с помощью чертежей.
Фигура 1 - пример функциональной схемы устройства.
Фигура 2 - пример передаточной характеристики компрессора.
Фигура 3 - пример частотной характеристики компрессора.
Фигура 4 - пример частотной характеристики группы канальных компрессоров.
На чертежах сделаны следующие обозначения: 1 - микрофон, 2 - предварительный или микрофонный усилитель, 3 - аналого-цифровой преобразователь, 4 - цифроаналоговый преобразователь, 5 – регулируемый компрессор (усилитель с отрицательной обратной связью), 6 - переключатель, 7 - выходной усилитель, 8 - микротелефон, 9 - группа компрессоров, 10 - компрессоры канальные, 11 - кривая передаточной характеристики компрессоров, 12 - кривая частотной характеристики компрессора, 13 - пример значений величин компрессии канальных компрессоров, 14 - результирующая частотная характеристика группы канальных компрессоров.
Описание вариантов осуществления
Слуховой аппарат содержит последовательно соединенные микрофон, предварительный усилитель, в качестве которого может быть использован микрофонный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, компрессор, переключатель, цифроаналоговый преобразователь, выходной усилитель и микротелефон, а также группу канальных компрессоров, входы которых подключены к выходу аналого-цифрового преобразователя, а выходы к другому входу переключателя. При этом компрессоры представляют собой усилители с отрицательной обратной связью, обеспечивающей сжатие динамического диапазона входного сигнала и характеризуются передаточной характеристикой близкой к логарифмической.
Полоса частот компрессора 5 охватывает весь спектр воспроизводимых частот, в силу чего он может быть отнесен к бесканальной (channelless) обработке сигнала, а полосы частот канальных компрессоров разделены по диапазону воспроизводимых частот на n-каналов, в которых обеспечивается сжатие динамического диапазона сигнала соответствующим компрессором независимо от других канальных компрессоров группы.
Все компрессоры являются цифровыми и выполнены с возможностью независимой регулировки величины компрессии.
Слуховой аппарат работает следующим образом.
Перед началом использования устройства пациент или иной пользователь на основе измеренных частотных особенностей слухового анализатора, а также условий шумового фона, в которых планируется использование слухового аппарата выбирает положение переключателя, обеспечивая бесканальную компрессию динамического диапазона или независимую, раздельную по частоте компрессию.
В случае бесканальной компрессии звуковые волны, преобразуются в микрофоне в электрические сигналы, которые усиливаются предварительным усилителем и подаются через аналого-цифровой преобразователь на вход компрессора, сжимающего динамический диапазон сигнала в соответствии с его передаточной (амплитудной) характеристикой.
Компрессия звукового сигнала создает эффект расширения динамического диапазона слышимых звуков в восприятии пациента, позволяет улучшить разборчивость и восприятие слабого звука, в том числе речи на фоне сильных звуковых помех.
При этом компрессор 5 осуществляет компрессию с установленной при изготовлении частотной зависимостью, как правило, равномерной на всем частотном диапазоне воспроизводимого звука, в то время как канальные компрессоры, характеризующиеся ограниченностью полосы пропускания обрабатывают сигнал лишь в частотной полосе своего канала, независимо от других каналов.
Усилению и сжатию подвергается оцифрованный сигнал, что обеспечивает возможность минимизации устройства за счет использования цифровых интегральных микросхем.
Операции оцифровывания сигнала и сжатия динамического диапазона осуществляются над уже усиленным в предварительном усилителе сигналом, который характеризуется приемлемым соотношением сигнал/шум, что обеспечивает снижение негативного влияния нелинейности преобразователя, а также аппаратных шумов цифровых узлов на качество выходного звука.
Обработанный сигнал с выхода переключателя поступает через цифроаналоговый преобразователь и согласующий выходной усилитель на микротелефон для преобразования в звуковой сигнал.
Переключатель обеспечивает подачу на микротелефон предпочтительного с точки зрения восприятия и разборчивости сигнала для конкретного пользователя в характерных для его использования условиях речевой и фоновой обстановки: либо с выхода бесканального компрессора, либо с выходов группы канальных компрессоров, что позволяет расширить круг пользователей, не приемлющих качество звука, характеризуемого либо бесканальной либо многоканальной компрессией.
Сжатие динамического диапазона, осуществляемое в бесканальном компрессоре равномерно по всему диапазону слышимости, обеспечивает улучшение разборчивости в условиях сильного фонового шума.
Многоканальное сжатие позволяет адаптировать обработку сигнала в слуховом аппарате под особенности восприятия конкретного пользователя, которое в большинстве случаев имеет частотно зависимый характер в пределах слышимого диапазона частот. На частотах с низкой чувствительностью слуха целесообразно иметь большую компрессию, чем на частотах с более высокой чувствительностью. В этом случае наблюдается эффект равномерного расширения диапазона воспринимаемых звуков, в том числе громких звуков и приближения качества восприятия звука пациентом к качеству восприятия здорового человека.
Кроме того, качество звука в одном или нескольких каналах, в которых вероятен интенсивный шумовой фон, может быть из-за сильной компрессии ухудшено, но в результате качество восприятия суммарного сигнала становится более высоким. В таком частотном канале компрессия и как следствие нелинейные искажения могут иметь высокое значение, в то время как другие каналы, например, каналы речевого спектра, будут характеризоваться меньшей компрессией. Так, что итоговый сигнал будет иметь приемлемое качество и восприниматься разборчиво.
В общем случае для канального компрессора весь звуковой диапазон может быть разделен на n равных по ширине частотных полос - каналов. Ширина частотных полос каналов может выбираться также из условий значимости звуковых частот для коммуникации пользователя или, например, исходя из ожидаемой при использовании устройства фоновой обстановки. Так, например, в случае наличия регулярной по частоте помехи целесообразно дробление частотных каналов в районе частоты регулярной помехи, с тем, чтобы обеспечить сжатие на частоте помехи.
Деление частотного диапазона на каналы с независимой компрессией позволяют улучшить разборчивость речи в условиях шума, в особенности при наличии узкополосной интенсивной помехи.
Однако в случае многоканальной компрессии имеют место нелинейные искажения на границах частотного разделения каналов. Пациентами по-разному воспринимается наличие таких искажений. Для одних это является допустимым, для других дискомфорт столь велик, что приводит к неприемлемости использования обработки звука с канальной компрессией. Для таких пациентов возможен лишь бесканальный режим работы слухового аппарата. Пользователи же, для которых наличие указанных нелинейностей не критично могут использовать устройство в режиме канальной компрессии с адаптированной под их слуховой анализатор частотной характеристикой.
Таким образом слуховой аппарат имеет более широкую область применения за счет обеспечения возможности его настройки и адаптации к особенностям, в том числе частотным, слухового анализатора пользователя.
Кроме того, если граница между каналами оказывается близка к частоте, значимой для коммуникации, например, в середине звукового спектра речевого сигнала, то межканальные искажения могут снижать разборчивость ухудшая восприятие речи. В этих случаях предпочтительным для пользователя будет являться выбор бесканальной обработки с положением переключателя, соответствующее соединению цифроаналогового преобразователя с выходом компрессора.
В случае же наличия фона, локализованного по спектру вдали от частот полезного сигнала, действие шумового фона может быт быть сведено к минимуму увеличением компрессии соответствующего канального компрессора при использовании устройства в режиме канального компрессора.
Таким образом, слуховой аппарат обеспечивает более широкую область применения также за счет возможности учета особенностей фоновой звуковой обстановки, в которой обычно используется устройство и соответствующей настройки.
Настройка бесканального и канальных компрессоров осуществляется под конкретного пользователя с учетом условий обычного использования устройства.
В процессе использования устройства свойства слухового анализатора и обычные условия фонового шума могут измениться, и пользователь посредством соответствующего оборудования имеет возможность выбрать другое положение переключателя выбрав наиболее предпочтительную и комфортную для него, обработку звука.
Благодаря использованию цифровой логике слуховой аппарат имеет возможность адаптивно перестраиваться под конкретного пользователя.
Описание содержит конкретные варианты осуществления технического решения, которые являются лишь иллюстративными, и не ограничивают осуществление решения, которое может быть реализовано иными вариантами
Промышленная применимость
Слуховой аппарат может быть выполнен с использованием стандартных элементов и электронных компонентов с применением цифровых и аналоговых микросхем.
Слуховой аппарат может быть осуществлен либо аппаратно с использованием соответствующих дискретных усилителей и других электронных компонентов, либо, с использованием быстродействующего сигнального процессора, работающего под управлением соответствующей программы.