Ru / Eng
Сравнение путей передачи звука в заушных слуховых аппаратах и аппаратах с внутриушным телефоном
Одна из постоянных проблем в заушных слуховых аппаратах – это возникновение обратной связи от телефона к микрофону. Производители сурдотехники предлагают различные способы решения этой проблемы. Одно из таких решений – слуховые аппараты с внутриушным телефоном. В данной статье речь пойдет о разнице между передачей звука через звукопроводящую трубочку и прямой отдачей звука через внутриушной телефон, глубоко сидящий в слуховом проходе.
Первые заушные слуховые аппараты вышли на рынок еще в 1950-х годах. А первый аппарат этого типа с внешним внутриушным телефоном появился в 1957 году. В заушных слуховых аппаратах, которые разрабатывались и производились позднее, находились оба преобразователя звука – и микрофон, и телефон. Благодаря значительно уменьшившимся размерам оба они умещались в одном общем корпусе, со всеми вытекающими из этой конструкции проблемами. Помимо относительно длинного звукового пути между телефоном и слуховым проходом, влияющего на полосу пропускания, постоянно возникала проблема акустической обратной связи от телефона к микрофону. Инженерам разных компаний – производителей сурдотехники нужно было найти конструктивные средства, чтобы уменьшить утечку звука из корпуса телефона к микрофону. Вначале вопрос пытались решить креплением обоих преобразователей, которые изолировали бы физический звук, например, с помощью мягких резиновых неопреновых кармашков (Рис. 1). В новых цифровых слуховых аппаратах эта проблема решалась уже с применением электронных средств.

Рисунок 1

Рис. 1. Звуковод заушного слухового аппарата: один из компонентов схемы представляет собой металлическую трубочку (красная стрелка). Длина звуковода варьируется от 65 до 75 мм в зависимости от аппарата и от ушного вкладыша. В черных неопреновых кармашках находятся микрофон и телефон, изолированные от физического звука. У аппарата слева снята крышка корпуса, аппарат справа – в прозрачном корпусе.
 
Достаточно долгое время проблемы создавал слишком длинный акустический путь, ведущий от телефона в слуховой проход. Решить этот вопрос удалось за счет создания заушных слуховых аппаратов с внутриушным телефоном. Вместо звукопроводящей трубочки теперь используется простой электрический провод. После вынесения телефона наружу, в слуховой проход, внутри корпуса аппарата высвободилось пространство, которое использовано для создания еще меньших, фактически незаметных заушных устройств. Попутно была решена проблема обратной связи. В этой ситуации слухопротезиста интересует то, какое влияние оказывают длинные звукопроводящие трубочки на передачу звука.

Общие сведения о передаче звука через трубочку

Звук в воздухе может распространяться с помощью разных волновых форм. Помимо сферических звуковых волн, плоских волн и волн цилиндрических существуют еще и стоячие звуковые волны, которые распространяются в трубе лишь в продольном направлении, при этом труба должна иметь равномерно большое поперечное сечение S и жесткие стенки. Если размеры поперечного сечения такой трубы маленькие по сравнению с длиной волны λ, то волны по-прежнему будут оставаться плоскими. Само распространение звука в решающей степени зависит от окончания трубы. По большому счету нужно различать две ситуации волнового распространения: исходящую из источника звука бегущую волну с уровнем звука p1(t) и отражающуюся от конца трубы откатывающуюся волну с уровнем звука p2(t) (Рис. 2). Когда оба волновых процесса перекрываются, возникает стоячая волна с неподвижным максимумом звукового давления (pmax) и минимумом звукового давления (pmin). На основе обеих величин возникает так называемый коэффициент стоячей волны μ = pmax/pmin.

Рисунок 2

Рис. 2. Распространение звука в трубе, поперечное сечение которой гораздо меньше, чем длина волны λ. Звук, исходящий из источника звука (давление звука р1), в той или иной степени отражается от конца трубы (давление звука р2) в зависимости от ее окончания (в данном случае это вертикальная стенка). При наложении бегущей звуковой волны и откатывающейся волны возникает стоячая волна с неподвижным максимумом и минимумом.

Если конец трубы не является открытым, а также не имеет звуконепроницаемого окончания, а вместо этого закрыт неким материалом с комплексным импедансом Zse, то можно на основе неподвижного максимума и минимума давления звука определить коэффициент отражения r:

r = (μ – 1)/(μ + 1)    (1),

а также коэффициент поглощения звука α:

α = 1 – r2    (2)

материала, которым закрыта труба.

В любом месте l трубы (начиная расчет с конца трубы) соотношение давления звука к скорости звука p/v, говоря другими словами, импеданс Zsl, имеет другое значение, которое очень сильно зависит от соотношения l/λ, то есть от длины волны λ = c/f.
Уравнение (3), единицы измерения Н*с/м3:

Уравнение (3)

При этом Z0 = ρc представляет собой акустический импеданс среды, которая находится в трубе и в которой распространяется звук. Для воздуха с температурой 20° C этот импеданс равен 408 Н*с/м3.

Это уравнение можно преобразовать в реальную и мнимую составляющие, что приведет к образованию сложного числового выражения. Гораздо проще для понимания этого уравнения посмотреть на диаграмму Смита (Рис. 3), которая позволяет без труда определить импеданс Zsl для каждого места трубы, проводящей звук. Для этого нужно всего лишь определить коэффициент стоячей волны μ в трубе с помощью специальных измерений. Если же диаметр трубки имеет размеры всего несколько миллиметров, как, например, в случае слухового аппарата, то добиться этого весьма трудно. Однако это теоретическое рассмотрение дает важный результат: импеданс в трубе претерпевает скачкообразные изменения в зависимости от четверти длины волны λ/4, то есть система переходит от инерционного поведения к упругому. Все это, в свою очередь, оказывает заметное влияние на свойства акустической передачи вплоть до конца ушного вкладыша. На частоте, например, 2 кГц четверть длины волны составляет всего 42,8 мм.

Рисунок 3

Рис. 3. Диаграмма Смита для графического определения коэффициентов импеданса в соответствии с уравнением (3) при проведении звука в трубе. Это можно осуществить и с помощью технических измерений: см. измерительный аппарат (Z-g-Диаграф) вверху слева.

Система проведения звука со встроенным телефоном, рожком и ушным вкладышем

На Рис. 4 показан заушный слуховой аппарат с системой звукопроведения, которая начинается на выходе встроенного телефона, продолжается через рожок и заканчивается в слуховом проходе при помощи ушного вкладыша, где она закрывается импедансом оставшейся части наружного слухового прохода, включая барабанную перепонку. Общая длина этого звукового канала составляет, в зависимости от типа заушного аппарата и ушного вкладыша, от 65 до 75 мм. Эта длина соответствует длинам волн λ/4 для частот от 1143 до 1319 Гц. 

Это именно те частоты, на которых любое изменение длины трубочки будет хорошо заметным не только в измеримой частотной полосе передачи (Рис. 5), но и на слух. Именно поэтому при разработке заушных слуховых аппаратов конструкторы всегда ставили перед собой задачу расположить телефон как можно ближе к слуховому проходу, а еще лучше в нем самом.

Рисунок 4 Рисунок 5
Рис. 4. Заушный слуховой аппарат с системой проведения звука и ушным вкладышем в наружном слуховом проходе, который заканчивается импедансом барабанной перепонки. 

Рис. 5. Воздействие длины трубочки между телефоном и камерой связи на частотную полосу передачи телефона (рисунок вверху). На нижнем рисунке показано воздействие внутреннего диаметра трубочки на полосу передачи. Удлинение трубочки сдвигает кривую передачи в область более низких частот. Сдвиг в том же направлении наблюдается и при уменьшении внутреннего диаметра трубочки.


Как известно, объективное измерение характеристик передачи проводится в камере связи объемом 2 см3. На Рис. 6 ушной вкладыш выходит прямо внутрь измерительной камеры связи. При измерении традиционных заушных слуховых аппаратов между рожком и камерой связи обычно находится дополнительный звуковой канал, который состоит из фланцевой трубы длиной 25 мм и имитации ушного вкладыша длиной 18 мм и располагается прямо перед камерой связи.

Рисунок 6

Рис. 6. Схематичное изображение аппарата с трубчатым соединением, которое тянется вплоть до ушного вкладыша и подключенной камеры связи объемом 2 см3 (qK - звуковой поток (v/S), NK - податливость объема камеры связи, RK - сопротивление трения в камере связи).

Объем V камеры связи объемом 2 см3 с акустической точки зрения образует конечный нагрузочный импеданс всей цепочки проведения звука, начиная с телефона. Главными составными частями этого импеданса являются податливость NK и сопротивление трения RK внутри камеры связи. В уравнении (4) ρ_ означает плотность спокойного воздуха, p_ означает статическое воздушное давление, а κ – показатель адиабаты. Уравнение (4):

Уравнение (4)

Передача звука в заушных слуховых аппаратах с внутриушным телефоном

Если слуховой проход закупорен глубоко вложенным в него внутриушным телефоном, то остается лишь относительно небольшой остаточный объем Vо, в котором при наличии звука возникает определенное звуковое давление р, зависящее от разных факторов (Рис. 7). 

Рисунок 7

Рис. 7. Внутриушной телефон, сидящий глубоко в слуховом проходе.
а) Внутриушной телефон.
b) Внутриушной телефон в слуховом проходе – схематичное представление.
Характеристики барабанной перепонки человека:
Толщина: примерно 0,1 мм.
Диаметр: от 8,5 до 9,2 мм.
Площадь S: от 60 до 70 мм2.
Масса: от 15 до 20 мг.
Податливость: примерно 1,5 мм/Н.
Наклон: примерно 45°.

Это пространство нельзя напрямую сравнивать с акустической камерой нагнетания, которая известна, например, под названием «пистонфон» и применяется для калибровки микрофонов. И все же уравнение пистонфона может быть полезно для лучшего понимания представленного здесь соотношения (уравнение (5)):

Уравнение (5)

где pstat - статическое или атмосферное давление воздуха (нормальное давление 1013 гПа);
κ - показатель адиабаты (примерно 1,40 для воздуха и других двухатомных газов);
амплитуда хода поршня от вершины к вершине- амплитуда хода поршня от вершины к вершине (Рис. 8);
S - площадь поршня;
Vо - объем спокойного воздуха в камере нагнетания.

Рисунок 8

Рис. 8. Камера нагнетания, которая применяется для калибровки микрофонов (пистонфон).

Если мы заменим колеблющийся поршень пистонфона колеблющейся мембраной внутриушного телефона, который располагается глубоко в слуховом проходе (Рис. 7), при этом между телефоном и барабанной перепонкой в слуховом проходе заключен остаточный объем воздуха Vо, то уравнение (5) можно упростить следующим образом (уравнение (6)):

Уравнение (6)

Как показывает это математическое выражение, давление звука р, которое возникает перед барабанной перепонкой, при одинаковом отклонении мембраны в телефоне тем больше, чем меньше остаточный объем Vо.

В отличие от заушных слуховых аппаратов с встроенным телефоном и последующей передачей звука через трубочку, для заушных аппаратов с внутриушным телефоном достаточно небольшого электрического проводка, тянущегося от усилителя, чтобы производить такой же уровень звукового давления у барабанной перепонки. Любое воздействие пути проведения звука на частотную полосу передачи при этом отсутствует.

Интерес представляет процесс колебаний барабанной перепонки, который, если пренебречь потерями трения, при средней массе m примерно 17,5 мг и податливости n величиной 1,4 мм/Н (подпись к Рис. 7) дает резонансную частоту fres , равную 1016,8 Гц или примерно 1 кГц. Уравнение (7):

Уравнение (7)

Это приводит к тому, что наш слуховой проход в диапазоне выше нескольких кГц уже нельзя рассматривать как однородную акустическую проводящую трубку и, разумеется, это влияет на пространство, образующееся перед барабанной перепонкой.

В заключение нужно сделать еще одно примечание к понятию «импеданс»: все импедансы, рассмотренные в статье, представляют собой абсолютные акустические величины, измеряемые в Н*с/м3. В аудиологии используется еще один метод измерений, который тоже связан с импедансом барабанной перепонки. В нем определяются только изменения импеданса, т.е. относительные величины, и на их основе делаются диагностические выкладки о подвижности барабанной перепонки и слуховых косточек. В сущности, это импедансометрия и тимпанометрия.

Профессор Ивар Вейт

Профессор Ивар Вейт высшее образование получил в Университете г. Ильменау (Тюрингия, Германия).
В разное время работал на руководящих должностях в НИИ, на производстве и в вузах,
также работал в Siemens, в Академии акустики СА в Любеке.
Автор более 230 публикаций и книг, посвященных аудиологии.


Статьи для специалистов

TRI: технологии, решения, инновации
В начале 2018 года ГК «Исток-Аудио» получила регистрационное удостоверение на систему дентальных имплантатов и компонентов TRI Dental Implants (Швейцария) и стала эксклюзивным дистрибьютором продукции компании TRI на российском рынке. Абсолютно все компоненты системы TRI произведены в Швейцарии, с ними хорошо знакомы специалисты в 45 странах мира. Теперь оценить достоинства систем дентальных имплантатов TRI® смогут и российские врачи, специализирующиеся на челюстно-лицевой хирургии и стоматологии.