Принцип действия направленного микрофона
Хорошо известно, что слуховые аппараты способны различать речевые и шумовые сигналы, руководствуясь степенью модуляции и частотой модуляции. Направленный микрофон – один из элементов этого общего алгоритма. В современных слуховых аппаратах в основном применяются направленные микрофоны с адаптивным действием, которые способны локализовать источники звука с разных позиций. Они делают это посредством сравнительного анализа сигналов из переднего и заднего микрофонов. Так как оба микрофона находятся на некотором расстоянии друг от друга, то сигнал попадает в задний микрофон чуть позже, чем в передний. На основе этой разницы времени можно очень точно рассчитать, под каким углом находится источник сигнала по отношению к слуховому аппарату. Если источник сигнала находится сбоку от владельца аппарата, то разницы во времени не будет. В случае когда источник сигнала находится впереди, то запаздывание в заднем микрофоне будет максимальным. Если же источник сигнала находится сзади, то запаздывание в переднем микрофоне становится максимальным.
При распознавании речевого сигнала с определенного направления характеристика направленного микрофона постоянно изменяется так, чтобы не было приглушения сигнала. В отличие от этого, при распознавании шумового сигнала с определенного направления микрофонная характеристика изменяется так, чтобы сигнал максимально приглушался (Рис. 1).
Рис. 1. Разные направленные характеристики для подавления шума (синяя стрелка – направление шума).
Вначале для микрофона предлагались такие направленные характеристики, которые одинаково действовали во всем частотном диапазоне. Однако впоследствии расчет направленного действия стал зависимым от частоты. Это значит, что, к примеру, в низкочастотном диапазоне может действовать всенаправленная характеристика, а в высокочастотном диапазоне – характеристика в виде суперкардиоиды.
Один из примеров использования такой возможности – имитация природной частотной фильтрации звуков в ушной раковине (эффект пинны). В прошлом этот эффект терялся для заушного слухового аппарата, так как его микрофон располагался выше ушной раковины. В то время протезирование внутриушным аппаратом имело преимущество, так как его микрофон располагался у входа в слуховой проход. В современных заушных слуховых аппаратах естественная частотно-специфичная фильтрация звуков, зависящаяот направления, осуществляется цифровым образом. Это направленное действие можно охарактеризовать посредством Индекса направленности (Directivity Index, DI). Он показывает в децибелах, насколько силен передний сигнал (азимут ноль градусов) по отношению к среднему сигналу со всех остальных направлений (Рис. 2).
Рис. 2. Индекс направленности: ушная раковина (красная линия), всенаправленный заушный слуховой аппарат (черная линия), цифровой эффект ушной раковины (зеленая линия).
Еще одно преимущество частотно-зависимого направленного действия микрофона – одновременное подавление разного вида шумовых помех. Таким образом, можно одновременно приглушить низкочастотный гул мотора, который раздается спереди справа от владельца слухового аппарата, и скрежет тормозов сбоку слева. Адаптация алгоритма к разным источникам шума происходит так быстро, что направленное действие изменяется при движении источников шума, благодаря чему их можно последовательно приглушать. Современные технологии дают возможность генерировать до 48 разных одновременно действующих направленных характеристик во всем диапазоне передачи слухового аппарата (Рис. 3).
Рис. 3. Разные направленные характеристики в зависимости от частоты.
Для особых акустических ситуаций предусмотрена возможность реализовать дополнительные направленные характеристики микрофонов слуховых аппаратов при бинауральном протезировании. Например, предусмотрена возможность понимать речь пассажира, который находится в автомобиле либо позади бинаурально спротезированного водителя, либо рядом с ним. При направленном действии, ориентированном на речь сзади, взаимодействие обоих микрофонов изменится: задний микрофон будет работать как передний, а передний – как задний. Таким образом, цифровое запаздывание теперь будет определяться в схеме переднего микрофона. Можно смоделировать и боковое направленное действие, при этом речевой сигнал, принимаемый предпочтительной стороной, передается по беспроводной связи в другой слуховой аппарат и там уже обрабатывается.
Рис 4. Потоковая передача аудиосигналов между слуховыми аппаратами как средство улучшения направленного действия в боковой плоскости.
Одновременно с этим входные сигналы на противоположной стороне приглушаются. Это значит, что пациенту будет предлагаться речевой сигнал, оптимально обработанный обоими слуховыми аппаратами.
Фолькер Бурмайстер, Тилман Харрис
Журнал «Hörakustik» № 9 за 2014 год
