Подавление импульсного звука
Импульсные звуки – это короткие звуковые явления, которые обладают высоким уровнем звукового давления и широким частотным диапазоном. Примеры – стук захлопнувшейся двери, звон ложки о чайную чашку или удары молотка. Такие сигналы могут быть неприятными для владельцев слуховых аппаратов, если возрастание уровня импульса происходит быстрее времени срабатывания динамической компрессии. Система подавления импульсных звуков должна уметь очень быстро распознавать внезапное возрастание уровня и осуществлять немедленное широкополосное снижение усиления; и все это лишь за короткое время звучания импульса. При этом важно, чтобы система подавления импульсных звуков не снижала важные импульсные компоненты речи, такие, например, как взрывные звуки. Чтобы алгоритм мог распознать некое звуковое явление в качестве импульса, должны быть соблюдены следующие условия:- повышение уровня должно происходить в очень краткий отрезок времени;
- повышение уровня должно быть существенным;
- так как импульсы всегда широкополосные, оба названных выше условия должны наблюдаться одновременно во всех каналах обработки.
На Рис. 1 представлена временная характеристика импульса. Это звук удара ложки об измерительный бокс. Звук обработан находящимся в боксе слуховым аппаратом без функции подавления импульсов. На оси Х отражено время. Все явление длится всего 12 мс. На оси У отмечен уровень от 0 дБ (максимальный) до – 96 дБ (минимальный). Видно, что уровень импульса возрастает в течение примерно 2 мс (белый участок). 4 мс импульс поддерживает свой максимальный уровень, после чего в течение 6 мс затухает. Этот последний отрезок зависит от уровня реверберации помещения. В помещениях с сильной реверберацией импульс может снижаться, но присутствующее эхо вновь будет делать его слышимым. Это также может произойти из-за действия алгоритма и его короткого времени затухания.
Рис. 1. Типичные характеристики импульса.
Система подавления импульсов способна распознавать каждый импульс и соответствующим образом снижать уровень звука. На Рис. 2 показана диаграмма уровень/время записи ударов молотка, обработанных в слуховом аппарате. На первом отрезке система подавления импульсов отключена. Здесь видна большая амплитуда импульсов.
Рис. 2. Действие системы подавления импульсов.
На втором отрезке система подавления импульсов включена. Это позволило снизить амплитуду ударов молотка примерно на 20 дБ. Также можно наблюдать, что некоторые импульсы снижены всего на 3-4 дБ. Предположительно, это происходит из-за небольшой разницы в импульсных сигналах.
Одна из самых сложных ситуаций для этого алгоритма – обработка импульсов во время беглой речи. Необходимо одновременно и снижать амплитуду импульсов, и сохранять речь. На Рис. 3 приведена спектрограмма, показывающая, как слуховой аппарат обрабатывает речь и импульсы. На оси У показаны частоты от 0 до 22 кГц. На оси Х – время до 12 с. Цвета представляют разные уровни: темные – низкие, светлые – высокие. Видно, что слуховой аппарат работает в диапазоне частот примерно до 6 кГц, а импульсы из-за своего широкого частотного диапазона и искажения телефона занимают всю измеренную полосу пропускания. В представленной ситуации становится понятно, что речь при включенной системе подавления импульсов не изменяется, зато амплитуда импульсов снижается. При этом некоторые импульсы остаются нераспознанными и передаются в неизмененном виде.
Рис. 3. Спектрограмма импульсов во время речи.
Подавление шума ветра
Шум ветра возникает при движениях воздуха у головы, ушных раковин и, конечно, микрофонов слуховых аппаратов. Он создает громкий и неприятный звук. Спектр шума ветра расположен в низкочастотном диапазоне. Понимание речи при шуме ветра максимально затруднено из-за маскирующего действия его низкочастотных составляющих. В последнее время все больше производителей слуховых аппаратов разрабатывали алгоритмы для подавления шума ветра. Сейчас его распознавание осуществляется с помощью сравнения сигналов обоих микрофонов одного аппарата. При небольшом расстоянии между микрофонами все сигналы, которые не генерирует ветер, лишь незначительно отличаются друг от друга по уровню звукового давления и форме сигнала (Рис. 4). Этот же принцип используется и в направленном микрофоне.
Рис. 4. Ветра нет: небольшая разница сигнала между обоими микрофонами.
Если в слуховой аппарат попадает ветер, то движения воздуха создают в обоих микрофонах сильно отличающееся звуковое давление, а временная характеристика сигналов в каждом микрофоне становится случайной. Таким образом, входные сигналы обоих микрофонов заметно отличаются друг от друга и соответственно распознаются как ветер (Рис. 5).
Рис. 5. Ветер: большая разница сигнала между обоими микрофонами.
Для решения этой проблемы производитель выбирает одно из следующих решений:
- усиление в низкочастотном диапазоне понижается;
- микрофон автоматически переключается во всенаправленный режим. Это значит, что в каждом слуховом аппарате будет работать только один микрофон. Соответственно, воздушную турбулентность будет принимать также только один микрофон, что приведет к снижению уровня шума;
- низкочастотный сигнал со стороны, обращенной к ветру, «вырезается» и заменяется более «выигрышным» аудиосигналом с безветренной стороны;
- в отдельных каналах постоянно измеряется уровень. При повышении входного уровня из-за ветра усиление уменьшается до тех пор, пока уровень не примет первоначальное значение (без ветра).
Мероприятия, изменяющие частоту с помощью особых алгоритмов
Сильные высокочастотные потери слуха нередко создают проблемы при традиционном протезировании. Причинами этого могут быть:- мертвые зоны, т.е. полная потеря работоспособности волосковых клеток в определенных частях внутреннего уха, преимущественно у основания улитки;
- ограниченная частотная избирательность улитки;
- потеря временного разрешения улитки (утрата способности распознавания рисунка речи);
- предел мощности телефона слухового аппарата.
Производители слуховых аппаратов решают вышеперечисленные проблемы разными способами. Цель всех алгоритмов – перенести звуки из высокочастотной области, восприятие в которой у конкретного пациента невозможно, в функционирующую низкочастотную область. Остановимся на некоторых алгоритмах подробнее.
Частотная компрессия
Здесь, начиная с определенной граничной частоты, высокие частоты обрабатываются с помощью частотной компрессии с настраиваемым коэффициентом. При этом высокие частоты переносятся в область низких частот, не приводя к наложению частотных диапазонов (Рис. 6).
Рис. 6. Частотная компрессия.
Частотный сдвиг или перенос
В этом случае с определенной граничной частоты высокочастотные звуки переносятся в низкочастотный диапазон. Ширина диапазона различается у разных производителей (Рис. 7, 8, 9).
Рис. 7. Сдвиг доминирующей части сигнала на одну октаву.
Рис. 8. Копирование, сжатие и сдвиг целевой области.
Рис. 9. Копирование и сдвиг спектральной доли согласных.
Завершая наш обзор функций слуховых аппаратов, подведем некоторые итоги
Во-первых, нельзя не признать тот факт, что современные слуховые аппараты представляют собой высокотехнологичные устройства, которые в подавляющем большинстве акустических ситуаций помогают людям с нарушенным слухом.
Во-вторых, слуховые аппараты способны максимально оперативно реагировать на изменяющиеся условия окружающей среды, беспрестанно оптимизируя их под особенности слуха своего владельца.
В-третьих, вне всякого сомнения, слуховые аппараты уже давно являются важной частью жизни многих людей и ежедневно повышают качество их жизни. Однако технический прогресс не стоит на месте. Какие инновационные решения могут появиться в этих маленьких устройствах для коррекции слуха в ближайшем будущем – нам еще только предстоит узнать.
