Функции слуховых аппаратов. Часть 1. Подавление обратной связи

Часть 1. Подавление обратной связи

Под обратной связью в принципе понимают возвращение выходного сигнала на вход той же самой системы (Рис. 1). При этом следует различать положительную обратную связь и отрицательную обратную связь (Рис. 2).


Для возникновения положительной обратной связи требуются следующие условия:

Если эти условия соблюдаются, то новый входной сигнал становится сильнее, чем старый, и вновь усиливается. Таким образом, система «раскачивается» довольно сильно и входит в состояние самовозбуждения, сопровождаемого всем известным свистом. При этом свист всегда возникает на той частоте, на которой слуховой аппарат имеет максимальное усиление. Выходной уровень свиста обратной связи всегда представляет собой уровень насыщения на данной частоте. В результате система передачи становится нестабильной.
 
При отрицательной обратной связи положение по фазе выходного и входного сигнала является противоположным, сдвиг фазы составляет 180°. При этом входной сигнал уменьшается на величину выходного сигнала обратной связи. Хотя усиление при этом снижается, система передачи становится более стабильной. Если оба сигнала имеют одинаковую величину, то входной сигнал погашается.

Виды самовозбуждения

Причины возникновения самовозбуждения могут быть разными. Для слуховых аппаратов мы знаем следующие причины:

• Акустическое самовозбуждение.
• Механическое самовозбуждение.
• Электромагнитное самовозбуждение.

Акустическое самовозбуждение

Акустическое самовозбуждение – самый известный и чаще всего встречающийся вид обратной связи в слуховых аппаратах. При этом выходной сигнал телефона воздушным путем возвращается на вход микрофона. Если сдвиг фазы равен 0°, а приглушение небольшое или полностью отсутствует, то возникает положительная обратная связь и слуховой аппарат начинает свистеть (Рис. 3).

Механическое самовозбуждение

Его вызывают механические вибрации. Сила, с которой колеблется мембрана телефона, действует на корпус телефона. Опоры приглушают эти колебания. И все же часть их может передаваться на корпус слухового аппарата. В ходе дальнейшего процесса они передаются на микрофон (Рис. 4).

Электромагнитное самовозбуждение

Оно в большинстве случаев возникает при активированной телефонной катушке. Ток, который протекает через телефон и его схему, генерирует электромагнитное поле. Если этот сигнал принимает телефонная катушка, то он попадает в цепь обработки сигнала и тем самым снова усиливается. При этом замыкается цепь обратной связи (Рис. 5).

Методы подавления положительной обратной связи

По мере технологического совершенствования слуховых аппаратов изменялись и возможности подавления обратной связи. Ниже мы рассмотрим следующие методы подавления самовозбуждения с помощью:

• снижения усиления;
• полосно-заграждающего фильтра;
• противофазной нейтрализации;
• сдвига фазы;
• частотного сдвига.

Итак, положительная обратная связь (самовозбуждение) возникает, когда амплитуда выходного сигнала превышает определенную величину. При этом частота свиста всегда располагается в области наибольшего усиления, то есть в наивысшей точке кривой усиления. Когда эта критическая величина превышается, слуховой аппарат начинает свистеть с громкостью уровня звукового давления насыщения. Иными словами, повышение усиления аппарата уже не приводит к дальнейшему увеличению громкости. Когда усиление снижается ниже критического, свист мгновенно прекращается. Таким образом, необходимо следить за тем, чтобы амплитудное значение выходного сигнала не превышало критической величины.

Подавление путем снижения усиления

Подавление путем снижения усиления – простейшая форма устранения акустического самовозбуждения. При снижении усиления слухового аппарата уменьшается величина сигнала обратной связи. Поэтому свист прекращается, когда усиление становится ниже усиления обратной связи. Но так как при этом максимальный пик кривой усиления должен опуститься ниже критического значения усиления, все остальные частоты передачи тоже понижаются. Это приводит к снижению разборчивости речи для пользователей слуховых аппаратов, и они больше не могут достичь оптимального понимания речи.

Подавление с помощью полосно-заграждающего фильтра

Полосно-заграждающий фильтр (notch-filter) приглушает определенный частотный диапазон (Рис. 6). Как ширину фильтра, так и глубину заграждения можно настраивать, так что этот фильтр может использоваться для наивысшей точки кривой усиления. В этом месте можно так настроить приглушение, что усиление не будет достигать критического значения самовозбуждения. Этот метод не влияет на остальной частотный диапазон передачи, который можно оптимально использовать. 

Подавление путем противофазы

Основной принцип этого метода состоит в том, что возникающий сигнал положительной обратной связи нейтрализуется с помощью идентичного, но инверсированного (сдвинутого по фазе на 180°) сигнала (Рис. 7). Существенное преимущество этого метода по сравнению с возможностями, описанными выше, заключается в том, что здесь не возникает потеря усиления. Разборчивость речи и тембр звучания сохраняются почти в полном объеме. И все же этот метод создает принципиальные проблемы, которые слуховой индустрии приходится решать разными способами. Входной сигнал, напоминающий сигнал обратной связи (например, звук флейты), может быть ошибочным образом распознан слуховым аппаратом как положительная акустическая обратная связь. Это приводит к генерированию противофазного сигнала с целью нейтрализации. Когда звук флейты меняется, то сигнал противофазной нейтрализации не может следовать за ним мгновенно, а потому становится слышимым в качестве артефакта. Это означает, что стационарные тональные входные сигналы тоже будут подавляться.

Подавление путем фазового сдвига

Когда система определяет склонность к самовозбуждению, слуховой аппарат выполняет временной сдвиг между входным и выходным сигналом, при этом между обоими сигналами настраивается сдвиг фазы (Рис. 8). Так система не сможет «раскачаться», и свист самовозбуждения не возникает.

Подавление путем частотного сдвига

В этом случае подавление обратной связи происходит путем сдвига выходного сигнала на несколько герц (Рис. 9). При этом между входом и выходом слухового аппарата образуются разные сигналы, что снижает склонность к самовозбуждению.

Вместо заключения

Так как у каждого из этих методов имеются свои достоинства и недостатки, а современные чипы слуховых аппаратов имеют высокую расчетную мощность, производители для надежности обычно используют в своих изделиях даже не один, а несколько методов подавления обратной связи в том или ином сочетании, создавая сложный алгоритм обработки сигнала. Но эти подробности мы оставим за рамками данной статьи. Темой следующего материала станут методы подавления шума в слуховых аппаратах.