Однако компрессия рождает собственные проблемы. Оказывается, что при неправильном применении компрессия может снижать разборчивость речи. Исследования также показали, что владельцы слуховых аппаратов часто отдают предпочтение меньшей степени компрессии из-за проблем, связанных с качеством звука, несмотря на возможное снижение слышимости и разборчивости речи.
В данной статье описывается новая система компрессии AGILE (Adaptive GuIdance Level Estimator, адаптивно управляемый оценщик уровня), созданная для улучшения сразу нескольких измеримых параметров слуховых аппаратов, таких, как разборчивость речи, комфорт и качество звука. Улучшение достигается путем сочетания медленной и быстрой компрессии в одной системе, которая при необходимости может реагировать быстро, а в других случаях реагирует медленно и действует почти линейно.
Традиционный компрессор
В принципе компрессор состоит из трех компонентов: 1) оценщик/детектор уровня; 2) характеристика компрессора; 3) усилитель (иллюстрация 1). Выходной сигнал компрессора создается за счет усиления входного сигнала на коэффициент, меняющийся во времени, который зависит как от уровня входного сигнала, так и от характеристики компрессора. В принципе характеристика компрессора и усилитель могут мгновенно применять правильное усиление.
Иллюстрация 1. Принцип действия традиционного компрессора по входу. Компрессор по входу оценивает входной уровень и на основе этого определяет необходимую компрессию. Выходной сигнал характеристики компрессии посылается на усилитель, который усиливает сигнал. На схеме показана компрессия в одном канале, но параллельно к ней могут быть добавлены дополнительные каналы.
Feed-forward controlled compressor – компрессор, управляемый по входу
Input – вход
Output – выход
Level Estimator – оценщик уровня
Compressor characteristic – характеристика компрессора
Amplifier – усилитель
Самая противоречивая часть компрессора – оценщик уровня. Он может определить природу входного сигнала только за определенный период времени. Если этот период имеет краткую длительность, компрессор будет быстродействующим, в то время как большая длительность этого периода приведет к созданию медленно действующего компрессора.
Новый компрессор
По сути AGILE имеет те же компоненты, что и традиционный компрессор, показанный на иллюстрации 1. Однако оценщик уровня, имеющий критическое значение, в AGILE улучшен (иллюстрация 2). Его центральный элемент – контроллер разности, который постоянно отслеживает разницу управляемой оценки уровня и быстрой оценки уровня.
Иллюстрация 2. Упрощенная схема работы оценщика уровня в компрессии AGILE. Расположенный в центре контроллер разницы подробно представлен на иллюстрации 3.
Input – вход
Guided Level Estimator – управляемый оценщик уровня
Output Level Estimate – выходная оценка уровня
Difference controller – контроллер разности
Fast Level Estimator – быстрый оценщик уровня
На иллюстрации 3 показано, как контроллер разницы выбирает временные константы, опираясь на разницу оценки. Если разницы между управляемыми и быстрыми оценками уровня небольшие, то будут выбираться большие значения временных констант, и AGILE будет работать как медленно действующая система компрессии. Если разницы большие, компрессия будет быстродействующей. На иллюстрации 3 также показано, что положительные и отрицательные разницы требуют разного отношения к себе; это означает, что времена срабатывания и восстановления отличаются друг от друга.
Иллюстрация 3. Принцип действия контроллера разницы AGILE. На основании разницы между управляемой и быстрой оценкой он выбирает временные константы. Отрицательные разницы означают, что управляемые оценки выше, чем быстрые оценки, и это вызывает необходимость повысить усиление компрессионных систем; положительные разницы требуют снизить усиление.
Estimate difference (dB) – разница оценки
Time constant – временная константа
Very long – очень длинная
Very short – очень короткая
Надписи по стрелкам:
Вверху справа: быстрые изменения временной константы, когда входной сигнал теряет стабильность
Внизу слева: быстрый ответ на падение входного уровня
Внизу в центре: очень медленный ответ на постоянный входной уровень
Внизу справа: очень быстрый ответ на возрастание входного уровня
В принципе AGILE стремится к медленным временным константам. Когда входной сигнал является относительно постоянным, компрессор реагирует медленно и действует почти линейно. При внезапном изменении входного уровня оценщик уровня стремится к новому уровню, близкому к уровню, определенному быстрым оценщиком уровня. Следовательно, в ситуациях, требующих защиты от внезапных изменений уровня, AGILE способен реагировать очень быстро. Аналогичным образом, при внезапном сильном падении входного уровня система быстро прибавит усиление. Таким образом, как эффективное время срабатывания, так и время восстановления компрессора контролируется динамикой входного сигнала, и может изменяться почти мгновенно, принимая значения от нескольких миллисекунд до нескольких секунд.
На иллюстрации 4 это действие сравнивается с действием традиционного компрессора в ходе измерений времени срабатывания и восстановления согласно стандарту ANSI S3.22. Традиционный компрессор запрограммирован на то, чтобы время срабатывания и восстановления соответственно составляло 5 мс и 320 мс. Компрессор AGILE настроен так, чтобы он имел сравнимые времена срабатывания и восстановления, хотя адаптивное динамическое поведение этого компрессора приводит к тому, что результаты измерений времени срабатывания и восстановления являются для него менее значимыми. Если мы посмотрим на результаты измерений времени восстановления, то мы увидим, что вначале AGILE реагирует быстро, но, как только уровень попадает в определенный диапазон желаемых выходных значений, скорость адаптации резко снижается. В отличие от этого, традиционный компрессор демонстрирует почти постоянное изменение выходного уровня в секунду на протяжении всего времени восстановления.
Иллюстрации 4А-4Б. Измерения времени срабатывания и восстановления для AGILE и СА с традиционным медленно действующим компрессором, проведенные с помощью синусоиды частотой 1600 Гц согласно стандарту ANSI 3.22. Правый график представляет собой увеличенную начальную часть иллюстрации 4а, изображающую время срабатывания. По горизонтали – время (с). По вертикали – выходной сигнал (дБ УЗД). Синий цвет – AGILE. Красный цвет – СА с традиционным компрессором.
На иллюстрации 4б показана увеличенная начальная часть иллюстрации 4а, изображающая время срабатывания обоих компрессоров. И вновь AGILE реагирует гораздо быстрее традиционного компрессора в начале периода срабатывания, но как только он достигает определенного диапазона целевых значений, он замедляется, в то время как традиционный компрессор сохраняет более постоянную скорость, пока не достигнет цели.
Линейное поведение новой системы
Диаграммы на иллюстрациях 5а и 5б показывают кратковременные среднеквадратичные значения входных и выходных сигналов для полосы шириной 1/3 октавы с центром на частоте 2,5 кГц, при использовании временного окна анализа 10 мс. (Аналогичная картина наблюдается и на других частотах). Входной сигнал состоит из непрерывной мужской речи, прерываемой громкими паровозными свистками, которые резко начинаются и обрываются, что облегчает разделение этих двух сигналов. Как AGILE, так и традиционный компрессор были настроены на постоянный коэффициент компрессии 2:1 выше порога компрессии 20 дБ УЗД. Традиционный компрессор был настроен на время срабатывания и восстановления примерно 5 и 320 мс, а AGILE – на примерно одинаковое время срабатывания и восстановления.
На иллюстрации 5а показано, что AGILE действует почти линейно на отрезках входного сигнала "речь" и "паровозный свисток". Традиционный компрессор (иллюстрация 5б) показывает аналогичную тенденцию при обработке этих отрезков, но они не такие линейные, как в случае AGILE.
Иллюстрации 5а-5б. Диаграммы работы AGILE (слева, 5а) и традиционного медленно действующего компрессора (справа, 5б), измеренные на манекене HATS в безэховой комнате. Сигнал предъявлялся с фронтального направления для манекена HATS (азимут 0°) и состоял из непрерывной мужской речи, прерываемой громкими паровозными свистками каждые 2 с. Оба СА были настроены на постоянный коэффициент компрессии 2:1 выше порога компрессии 20 дБ УЗД, и все автоматические функции были выключены. В верхней части диаграммы показаны три линии линейной регрессии: отрезки "речь" и "поезд", а также линия общей регрессии. По вертикали – выходной уровень (дБ УЗД). По горизонтали – входной уровень (дБ УЗД). Speech – речь, Train – поезд, Global – общая регрессия.
Оценка эффективных коэффициентов компрессии дана для обоих компрессоров в таблице 1. Она проведена на основе анализа линейной регрессии кратковременных среднеквадратичных значений, показанных на иллюстрациях 5а-5б. Значения эффективной оценки коэффициентов компрессии для AGILE ниже, чем аналогичные значения для традиционного компрессора, и близки к линейной работе (коэффициент = 1) для обоих отрезков входного сигнала (как речь, так и паровозный свисток). В таблице 1 также видно, что для сигнала в целом AGILE имеет такое оценочное значение эффективного коэффициента компрессии, которое лучше соответствует статичному коэффициенту компрессии, настроенному для обоих компрессоров на "2". Итак, даже если мы рассматриваем AGILE как медленно действующий компрессор, таблица 1 показывает, что в целом он имеет и преимущества быстродействующего компрессора.
Таблица 1. Эффективные коэффициенты компрессии, рассчитанные на основе анализа линейной регрессии кратковременных среднеквадратичных значений, показанных на иллюстрации 5.
| Оценочные коэффициенты компрессии | Общий | "Речь" | "Поезд" |
| AGILE | 1,76 | 1,10 | 1,07 |
| Традиционный компрессор | 1,60 | 1,17 | 1,30 |
Очень быстродействующий компрессор имел бы эффективные коэффициенты компрессии для всех трех линий (общий сигнал, речь, поезд), приближающиеся к статическому коэффициенту (= 2).
Итак, AGILE действует линейно во всех случаях, когда сигнал изменяется лишь до определенной степени. Как только происходит большое изменение уровня, он быстро реагирует в соответствии со статическим коэффициентом компрессии. Такое поведение может реализовать коэффициент компрессии выше 3, и даже приближающийся к 4 (эти значения считаются максимальными коэффициентами компрессии) без заметного ухудшения качества звука. Таким образом, AGILE открывает возможность прямо предписывать характеристики компрессии для глубоких потерь слуха, без всяких компромиссов при настройке временных констант, коэффициентов и порогов компрессии.
Преимущества нового компрессора для потребителей
Разборчивость речи. Боик и Соуза сообщили о том, что значения понимания речи в шуме снижаются при уменьшении коэффициентов компрессии. Вместе с тем, величина коэффициента компрессии не влияет на понимание речи в тишине. Это очень важное наблюдение, позволяющее сделать вывод о том, что в трудных слуховых ситуациях линейное усиление позволяет лучше понимать речь.
Стоун и Мур пришли к аналогичному заключению: в некоторых случаях быстродействующая компрессия отрицательно влияет на понимание речи, в частности, при наличии фонового шума. Это явление частично объясняется со-модуляцией целевого сигнала и конкурирующих голосов на выходе компрессора. Когда люди разговаривают одновременно, усиление в каждый момент определяется на основании самого громкого голоса. Пики этого голоса приводят к снижению выходных уровней других голосов и наоборот, что ведет к потере разборчивости речи. Линейная схема СА или медленно действующая компрессия, такая, как AGILE, не вызывает этого отрицательного эффекта.
Стоит отметить, что быстрая компрессия может увеличивать разборчивость речи для людей, которые способны использовать речевые символы с изменяющейся во времени маскировкой – этот феномен часто называют "погружной слух". Тот факт, что AGILE быстро реагирует на изменения входного уровня, дает возможность владельцам СА слышать во время погружений, т.е. пауз маскировки.
Качество звука. Качество звука – не менее важный параметр оценки слуховых аппаратов. Особенно это относится к новым пользователям, привыкающим к новой обработке сигнала, которая в корне отличаются от того, к чему они привыкли раньше. Нейман, Ван Бурен, Боик и Соуза – все они сообщали об ухудшении субъективных оценок качества звука при возрастании коэффициентов компрессии. Соуза пришел к выводу о том, что клиенты в принципе предпочитают качество звука последнего вида обработки сигнала.
Комфорт. Гейтхаус определил, что медленно действующая компрессия дает больший слуховой комфорт, чем линейная обработка, быстродействующая компрессия, и сочетание быстродействующей и медленно действующей компрессии в низкочастотном и высокочастотном каналах. В случае медленно действующей компрессии владельцы СА обычно прилагают меньше слуховых усилий, особенно при наличии конкурирующего шума.
В акустической обстановке с резкими и громкими переходными звуками AGILE срабатывает почти мгновенно, защищая пользователя от неприятных и потенциально вредных шумов. Далее, предыдущие медленно действующие компрессоры кратковременно отключались и в начале периода восстановления, отчего пользователи теряли ценные речевые символы. Быстрое включение периода восстановления для AGILE позволяет сохранить эти речевые символы.
Некоторые производители СА недавно представили системы подавления кратковременных шумов, которые защищают слух владельцев слуховых аппаратов. AGILE представляет собой встроенную защиту от этих шумов.
Предварительные полевые исследования новой системы
Некоторые пользователи уже опробовали AGILE в опытном образце СА. На иллюстрации 6 показаны средние пороги воздушной проводимости для группы из 10 опытных владельцев СА, принявших участие в предварительных полевых испытаниях новой системы компрессии.
Иллюстрация 6. Средние пороги воздушной проводимости для группы испытуемых (планки погрешностей отображают стандартное отклонение ±1от среднего значения).
Полевые испытания должны были ответить, будет ли новый компрессор улучшать качество звука, разборчивость речи и комфорт. Опытный СА сравнивался с собственными СА испытуемых. Все испытуемые носили современные СА премиального класса. 6 человек носили слуховые аппараты с внутриушным телефоном, 4 человека – заушные СА. Испытуемые были протезированы опытными образцами СА и носили их в течение 2 недель в повседневной жизни. Их просили в первую очередь пользоваться опытными СА, но при необходимости они могли надевать и собственные СА в целях сравнения. Во время двухнедельного испытательного периода и после него испытуемые заполняли анкету, посвященную качеству звука, разборчивости речи и комфорту.
В опытных слуховых аппаратах были запрограммированы те же самые параметры усиления, подавления шума, направленности и т.д., как и в их собственных СА, чтобы AGILE мог достоверно стать ключевой переменной при сравнении опытных СА и собственных СА испытуемых. Более того, конструкция корпуса опытных СА и собственных СА испытуемых была идентичной.
На иллюстрации 7 показаны общие оценки предпочтения опытных СА по отношению к собственным СА испытуемых. В общей сложности 7 из 10 испытуемых отдали предпочтение опытным СА по сравнению с собственными СА, а 3 испытуемых не выразили предпочтения.
Иллюстрация 7. Общее предпочтение. Ни один из испытуемых не предпочел собственные СА опытным СА с AGILE. По горизонтали, слева направо: собственный СА гораздо лучше; собственный СА лучше; без разницы; AGILE лучше; AGILE гораздо лучше.
На иллюстрации 8 показаны оценки комфорта, разборчивости речи и качества звука, а также общие оценки. Для трех подгрупп была обнаружена достоверная общая разница (p<0,05) между собственным СА и опытным СА при проведении повторного анализа измерений. Общая оценка тоже оказалась значительно выше в пользу опытного СА, по сравнению с собственными СА испытуемых (p<0,05, t-тесты с двумя ограничениями). Следовательно, в общем испытуемые отдали предпочтение опытному СА по сравнению со своими собственными слуховыми аппаратами.
Иллюстрация 8. Опытные СА показали более высокие средние оценки комфорта, разборчивости речи, качества звука и общие оценки. По вертикали – оценка. Снизу вверх – очень плохо, приемлемо, очень хорошо. По горизонтали, слева направо: комфорт, разборчивость речи, качество звука, общая оценка. Красный цвет – собственный СА, синий цвет – AGILE.
На иллюстрации 9 показаны подробные оценки разборчивости речи в разных слуховых ситуациях. Средние оценки оказались выше для опытного СА во всех ситуациях. Суммирование всех подгрупп разборчивости речи в ходе t-теста дало статистически достоверный результат (p<0,05). Следовательно, пользователи оценили опытные СА выше, чем собственные СА, по такому критерию, как разборчивость речи.
Иллюстрация 9. Оценки разборчивости речи для опытного СА по сравнению с собственным СА. Первый показал более высокие средние оценки во всех речевых ситуациях. По вертикали – оценка. Снизу вверх – очень плохо, приемлемо, очень хорошо. По горизонтали, слева направо: на улице; в автомобиле; в автомобиле сзади; меньше 12 человек; больше 12 человек; в тишине; просмотр телевизора. Красный цвет – собственный СА, синий цвет – AGILE.
На иллюстрации 10 показаны подробные оценки качества звука в конкретных ситуациях. Опытный СА получил более высокие средние оценки в каждой подгруппе по сравнению с собственными СА испытуемых.
Иллюстрация 10. Все оценки качества звука показали более высокие средние значения для опытных СА по сравнению с собственными СА испытуемых. По вертикали – оценка. Снизу вверх – очень плохо, приемлемо, очень хорошо. По горизонтали, слева направо: стук столовых приборов; резкие звуки; музыка; просмотр телевизора. Красный цвет – собственный СА, синий цвет – AGILE.
На иллюстрации 11 показаны подробные оценки комфорта. Во всех подгруппах опытный СА получил более высокие средние оценки, чем собственный СА. Суммирование трех подгрупп дало статистически достоверную более высокую оценку (p<0,05, t-тесты с двумя ограничениями) для опытного СА. Это позволяет сделать вывод о том, что испытуемые предпочли комфортный звук AGILE.
Иллюстрация 11. Оценки комфорта для собственных СА по сравнению с опытными. Во всех трех ситуациях опытные СА имели более высокие средние оценки. По вертикали – оценка. Снизу вверх – очень плохо, приемлемо, очень хорошо. По горизонтали, слева направо: речь на улице; речь в автомобиле; шум уличного движения. Красный цвет – собственный СА, синий цвет – AGILE.
Благодарность
Авторы статьи хотели бы выразить признательность Иоахиму Нойману за большой вклад в создание AGILE. Мы также хотели бы поблагодарить Яна Петерсена и Сигне Фрелунд Альбек за организацию, подготовку и проведение предварительных полевых испытаний AGILE.
Христиан Стендер Симонсен, Томас Беренс
Магистр Христиан Стендер Симонсен – инженер-разработчик датской фирмы Oticon, магистр Томас Беренс – инженер-исследователь Исследовательского Центра Эриксхольм.
