.
Профессионализм специалистов является одной из составляющих успеха помощи людям с нарушенным слухом.
Взаимодействие с сурдологами, лор-врачами, сурдопедагогами - важнейшее направление нашей деятельности.
Это позволяет быть «на острие» проблем и своевременно предлагать специалистам необходимые решения.
Направленность в современном слухопротезировании

Направленность в современном слухопротезировании

Направленные микрофоны используются в слуховых аппаратах много лет. Но как именно они работают? В этой статье раскрываются основные принципы их действия. Информация представлена доступно и наглядно. Некоторые сложные технические моменты упрощены, чтобы материал был интересен и понятен широкому кругу читателей, не имеющему специальных технических знаний. Статья содержит подробные разъяснения, которые будут полезны специалистам в их повседневной практике, а пользователям продемонстрируют реальные преимущества направленности слуховых аппаратов.

В предлагаемой вашему вниманию статье мы покажем, как реализована система направленных микрофонов в слуховом аппарате Арго – лучшем на сегодняшний день предложении российских разработчиков и производителей техники для людей с нарушенным слухом. Микрофон является неотъемлемой частью любой электроакустической системы. Он служит первичным звеном в цепочке звукоусиления. Чтобы разобраться в вопросах направленности, необходимо ознакомиться с типами микрофонов, которые используются в слуховых аппаратах.

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 Рис. 1, имеет два звуковых входа (порта), которые расположены с разных сторон мембраны микрофона. В соответствии с этим, на корпусе слухового аппарата располагаются два микрофонных входа: один – спереди (фронтальный), другой – сзади (тыловой).

Направленный микрофон с двумя входами.
Рис. 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. 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. В тыловом входе устанавливается специальный акустический фильтр, который задерживает поступающий в него звук.
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). Рассмотрим это явление на следующем примере: если два человека начнут открывать дверь вместе, их усилия суммируются, и дверь откроется легче, чем если бы это делал один человек. И наоборот, если два человека будут толкать дверь с двух противоположных сторон, она останется на месте, несмотря на то, что прикладывается двойное усилие.

Все дело в разности фаз! В первом случае усилия, направленные в одну сторону, находятся в одной фазе друг с другом, поэтому они складываются и усиливаются. Во втором случае усилия находятся в противофазе, поэтому они нейтрализуют друг друга, и суммарное воздействие на дверь равно нулю.

В направленном микрофоне роль «двери» выполняет мембрана. Чем сильнее она раскачивается под действием воздушных колебаний, попадающих на нее через микрофонные входы, тем больше электрический сигнал, выходящий из микрофона, и тем громче будет звук, который слышит пользователь слухового аппарата.

На Рис. 2 (слева) видно, что, когда звук приходит спереди, на тыловом входе образуется задержка ∆t1, равная сумме естественной задержки (со знаком «+») и искусственной задержки (за счет акустического фильтра). Эта задержка обеспечивает сложение воздействий с фронтального и тылового входа на мембрану (как будто два человека давят на дверь в одну сторону), в результате она раскачивается с большей силой, и суммарный электрический сигнал, выходящий из микрофона, получает увеличение амплитуды. То есть, сигнал, пришедший спереди, будет слышаться громче.

На Рис. 2 (справа) видно, что, когда звук приходит сзади, на тыловом входе образуется задержка ∆t2, равная сумме естественной задержки (но со знаком «-») и искусственной (за счет акустического фильтра). Она отличается от задержки ∆t1. Из-за того, что величина ее другая, она, наоборот, обеспечивает вычитание воздействий с фронтального и тылового входа на мембрану (как будто два человека давят на дверь с разных сторон). В результате чего мембрана практически не раскачивается, и суммарный электрический сигнал получает уменьшение амплитуды. То есть сигнал, пришедший сзади, будет почти не слышен.

Сложение усилий, воздействующих на мембрану микрофона с фронтального и тылового входа
Рис. 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).
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, разработчики слуховых аппаратов добивались разной степени ослабления сигнала, приходящего сзади или с боков.

Диаграмма направленности

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

Полярная система координат
Рис. 3. Полярная система координат.
Полярная диаграмма – это круговой график в полярной системе координат (Рис. 3), в которой каждая точка на плоскости определяется двумя числами – полярным углом и полярным радиусом (расстоянием от центральной точки). Диапазон угловой шкалы составляет от 0 до 360 градусов. Нулевое значение угла может располагаться как в верхней, так и в крайней правой точке. Если в такой системе координат изобразить чувствительность микрофона в зависимости от направления, с которого пришел звук, то получится диаграмма направленности (Рис. 4). Чем дальше от центра лежит линия, тем громче будет звук, идущий с данного направления.
Диаграмма направленности для правого уха манекена со слуховым аппаратом
Рис. 4. Диаграмма направленности для правого уха манекена со слуховым аппаратом. Три вида линий показывают работу аппарата на разных частотах: 1 кГц, 2 кГц и 4 кГц.
Для исследования направленных микрофонов используется специальный манекен – мужская голова и торс (Рис. 5), который называется KEMAR (Knowles Electronic – название фирмы, Manikin – манекен для, Acoustic – акустических, Research – исследований).

Китаина Е.В. и KEMAR

Рис. 5. С «другом» KEMARом.

Обязательным условием при проведении исследований является подача звука с разных сторон, для которого необходимо круговое расположение динамиков.

Расположение динамиков для исследования функции направленности

Рис. 6. Расположение динамиков для исследования функции направленности.

Измерительная камера Имитатор уха
Рис. 7. Измерительная камера Имитатор уха.
В центре круга размещается манекен KEMAR с одетым слуховым аппаратом (Рис. 6). Из динамиков поочередно подаются сигналы, которые воспринимаются и обрабатываются слуховым аппаратом. На выходе из аппарата сигналы измеряются с помощью акустической камеры Имитатор уха (Ear Simulator), встроенной в ухо манекена (Рис. 7). Данные измерений отображаются на графике полярной системы координат. В результате получается диаграмма направленности, изображенная на Рис. 4.

Фиксированная направленность
Диаграммы направленности бывают разных типов (Рис. 8): ненаправленная (круговая); субкардиоида (широкая кардиоида); кардиоида (получила свое название от греческого  – сердце); суперкардиоида, гиперкардиоида, восьмерочная (двуполярная или двунаправленная). На Рис. 8 можно увидеть идеально правильные формы диаграмм, что не совпадает с реальностью, где имеют место переотражения от тела и головы, а также эффект «тени головы» (голова создает препятствие звукам, приходящим сзади и со стороны, противоположной слуховому аппарату). Примеры реальных диаграмм направленности представлены на Рис. 4.

Типы диаграмм направленности

Рис. 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 форма диаграммы направленности зависит от суммарной задержки, заложенной в конструкцию аппарата при его разработке и производстве. 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 неперспективным решением и навсегда остался в прошлом.

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 используют систему направленных микрофонов, состоящую из двух, а иногда даже из трех отдельных микрофонов.

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 искусственная, или внутренняя, задержка на тыловом микрофоне реализована уже не с помощью акустического фильтра, как в одном микрофоне с двумя входами, а несколько по-другому. Звуки, поступившие на тыловой микрофон, после их преобразования в цифровой код подвергаются электронной задержке (Рис. 9). 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.

Система направленных микрофонов, состоящая из двух ненаправленных микрофонов
Рис. 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! Какую выгоду получает от этого пользователь слухового аппарата?

Существует важный параметр (коэффициент), определяющий работу системы направленных микрофонов, который называется Beta (β) – 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.
  • 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.
  • 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). Однако, все описанные выше типы диаграмм направленности хотя и разные, но фиксированные, то есть остающиеся неизменными в любой акустической обстановке. Фиксированная направленность, безусловно, работает, но в этом случае пользователя слухового аппарата в сложной акустической обстановке нужно все время просить, как в известной сказке: «Повернись ко мне передом, а к лесу задом!». И он должен разворачивать голову вместе с аппаратом в сторону говорящего. При этом, для достижения нужного эффекта, шум должен все время находиться сзади пользователя. А это не всегда возможно!

Адаптивная направленность
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. Для решения этой проблемы была разработана система направленных микрофонов (состоящая из двух, а иногда даже трех отдельных микрофонов), способная 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 называется адаптивной направленностью. 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 (Рис. 10).


Пример изменения диаграмм направленности в режиме адаптивной напрвленности
Рис. 10. Пример изменения диаграмм направленности в режиме адаптивной напрвленности. Динамик – полезный сигнал, трактор – источник шума.
Использование в тихой обстановке функции направленности не приносит пользы, потому что в этом случае человек будет слышать не все, что происходит вокруг него, а только то, что спереди и частично с боков. К тому же система направленных микрофонов, наряду со своими неоспоримыми достоинствами, имеет недостаток.

Чтобы понять, в чем он заключается, рассмотрим сначала естественную направленность, которую дает ушная раковина нормально слышащему человеку. По своей форме она более открыта спереди, чем сзади. Поэтому звуки, приходящие сзади, встречают препятствие на пути к слуховому проходу в виде затылочной части головы и тыльной стороны ушной раковины. Люди действительно сзади слышат хуже, чем спереди! Но это ухудшение распространяется не на все звуки, а только на средне- и высокочастотные. Почему? Рассмотрим эффект дифракции звуковых волн – их способность огибать препятствия или просачиваться через щели. Звуковые волны (как, впрочем, и другие волны тоже) легко огибают препятствия, если длина их волны больше размера препятствия, которое они пытаются обойти. Если же длина волны сравнима с размером препятствия, звуковые волны отражаются от препятствия и рассеиваются. Длина волны определяется как скорость звука, равная 340 м/сек, деленная на частоту. Длина волны, равная размеру головы (около 17 см) соответствует частоте 2 кГц. Поэтому естественная направленность работает на частотах выше 2 кГц. На более низких частотах длина волны больше размера головы, и тем более, ушной раковины, поэтому низкочастотные звуки, идущие сзади, свободно огибают голову и попадают в слуховой проход без помех.

При разработке систем направленных микрофонов специалисты стремятся добиться эффекта направленности на средних и высоких частотах, подбирая расстояние между входами микрофонов и электрическую задержку для тылового микрофона. По отношению к длинным волнам эти задержки, рассчитанные для более коротких волн, будут слишком малы для создания направленности, их воздействие на низкие частоты заключается лишь в понижении усиления на низких частотах. В трехмикрофонных системах направленность фокусируется более узким «лучом», подчеркивая преимущества направленного режима, однако понижение усиления на низких частотах выражено еще сильнее, чем в двухмикрофонных. Это и есть недостаток направленных систем. Одно из решений проблемы – увеличение усиления на низких частотах с целью компенсации – имеет оборотную сторону: собственный шум аппарата усиливается. В новейших разработках зарубежных производителей предлагается решение этой проблемы в виде «разделенной» направленности, когда на средних и высоких частотах направленность есть, а низкочастотные звуки передаются в ненаправленном режиме без потери усиления.

Таким образом, направленный режим рекомендуется использовать строго по назначению, то есть только в шумной обстановке!

Автоматическая направленность
Включать и выключать направленность можно вручную, однако это не всегда удобно. Чтобы еще больше облегчить общение человека в часто меняющейся акустической обстановке, в современных цифровых аппаратах существует функция автоматической смены направленного и ненаправленного режима, которая называется автоматической направленностью. Аппараты, имеющие эту функцию, отслеживают уровень окружающего шума и сами принимают решение, включать или выключать направленность. Если при этом направленный режим реализован в форме адаптивной направленности, мы получим не просто автоматическую, а автоматическую адаптивную, то есть автоадаптивную направленность. Примеры разнообразных диаграмм направленности, которые могут иметь место в автоадаптивном режиме, показаны на Рис. 11.

Примеры диаграмм направленности в автоадаптивном режиме

Рис. 11. Примеры диаграмм направленности в автоадаптивном режиме.

Акустическую обстановку «Речь в шуме» можно описать количественно с помощью соотношения сигнал/шум, выраженного в дБ. Эта величина называется SNR (signal-to-noise ratio) и означает, на сколько дБ полезный сигнал превышает шум. Нормально слышащие люди способны понимать речь даже при небольшом отрицательном соотношении SNR, то есть когда шум на несколько дБ превышает полезный сигнал. При сенсоневральных нарушениях эта способность ухудшается и тем сильнее, чем больше потеря слуха. Из этого следует, что людям с потерей слуха необходимо гораздо лучшее SNR для понимания речи в шуме, чем нормально слышащим.

Для чего нужна функция направленности в слуховых аппаратах?
Улучшение SNR всего лишь на 1 дБ повышает разборчивость речи на 10%! Естественная направленность (без  слухового аппарата) улучшает SNR примерно на 6 дБ. Для направленных систем существует понятие – индекс направленности. Он показывает, на сколько дБ улучшается SNR при использовании направленных микрофонов. Таким образом, цель системы направленных микрофонов улучшить SNR, а значит – повысить разборчивости речи в шуме.

Технология направленных микрофонов в Арго

Серийный выпуск слуховых аппаратов Арго – это новая ступень в производстве высокотехнологичных отечественных аппаратов. Арго обладает направленной микрофонной системой, состоящей из 2-х микрофонов. За счет регулируемой величины задержки сигнала тылового микрофона можно получить различные диаграммы направленности: круговую, субкардиоиду, кардиоиду, суперкардиоиду, гиперкардиоиду или двуполярную (восьмерочную) диаграмму. В слуховых аппаратах Арго реализованы три режима направленных микрофонов:
  • Фиксированная направленность. В этом режиме устанавливается постоянная во времени суперкардиоидная диаграмма.
  • Адаптивная направленность. Диаграмма направленности определяется акустической ситуацией и может принимать различные формы (Рис. 10 и 11).
  • Автоматическая адаптивная направленность. В любой звуковой обстановке Арго сам принимает решение о включении того или иного режима в зависимости от акустического окружения. Этот режим позволяет уменьшить текущее потребление тока источника питания за счет автоматического переключения в тихой обстановке в ненаправленный режим.
Использование системы направленных микрофонов в слуховых аппаратах означает переход на новую технологическую ступень, позволяющую достичь более высокого уровня удовлетворения потребностей людей с нарушенным слухом. Это важная веха на пути повышения качества их жизни.

Ведущий специалист по слухопротезированию «Исток-Аудио»
Е.В. Китаина

 

ВКонтакт Facebook Одноклассники Twitter Яндекс Livejournal Liveinternet Mail.Ru



<-Назад в раздел




Оптовые поставки оборудования Доступная среда
Создание доступной среды

Контактная информация

141195 , г. Фрязино, МО
Заводской проезд, д.3а

+7 (495) 792-02-10