Audiologieboek
Home  |   NVA  |   Print deze pagina  |    |     
 Titel: 9.2.6(2). Digitale signaalbewerking in hoortoestellen - Toepassingen
 Auteur: Walstra
 Revisie: december 2012

Inhoud:

9.2.6.1(2). Inleiding

9.2.6.2(2). Versterking bij gereduceerd dynamisch bereik van een oor

9.2.6.3(2). Eigenruis van hoortoestellen

9.2.6.4(2). Signaalanalyse

9.2.6.5(2). Terugkoppeling (rondfluiten)

9.2.6.6(2). Storing door mobiele telefoontoestellen

9.2.6.7(2). Richtingsgevoelige microfoonsystemen

9.2.6.8(2). Meerbands hoortoestellen


 

9.2.6.1(2). Inleiding

In de voorgaande twee hoofdstukken waarin de analoge en de digitale signaalbewerking werd besproken is de basis gelegd voor de toepassingsmogelijkheden in digitale hoortoestellen. De grote diversiteit van signaalbehandelingstechnieken in digitale hoortoestellen opent de mogelijkheden het geluid gedetailleerder aan te passen aan de resterende verwerkingsmogelijkheden van het niet goed functionerende oor. Dit betreft de meest geschikte geluidssterkte in diverse frequentiebanden maar ook het opscherpen van frequentie gebieden door het toepassen van scherpe filters. Daarnaast kan, door gebruik te maken van karakteristieke signaaleigenschappen, spraak en storend geluid verschillend behandeld worden. Rondfluiten van het hoortoestel door terugkoppeling kan sterk worden verminderd. Dit biedt mogelijkheden voor grotere ontluchtingskanalen. Digitale hoortoestellen blijken minder gevoelig te zijn voor de stoorsignalen van mobiele telefoontoestellen. Het richtinggevoelig maken van het hoortoestel biedt fraaie toepassingsmogelijkheden om het gewenste signaal te bevoordelen boven het storende geluid. In het nu volgende hoofdstuk wordt een aantal van deze toepassingen besproken, zonder daarmee te pretenderen om volledig te zijn.


 


9.2.6.2(2). Versterking bij gereduceerd dynamisch bereik van een oor

De meeste slechthorenden die voor een hoortoestel in aanmerking komen hebben een perceptief gehoorverlies met een gereduceerd dynamisch bereik in de oren. De bedoeling is dan de luidheidsperceptie te herstellen. Dat houdt in dat zachte geluiden net boven de hoordrempel (‘Hearing Threshold Level’ - HTL) worden aangeboden, spraakgeluiden op het ‘Most Comfortabel Level’ (MCL niveau) en harde geluiden beneden het ‘UnComfortable Level’ (UCL niveau).


Pascoe heeft op grond van diverse onderzoeken een relatie gevonden tussen HTL, MCL en UCL die tot gehoorverliezen van 90 dB een goede mate van geldigheid heeft, onafhankelijk van de frequentie (Fig.1).


Fig.1. Relatie, tussen MCL/UCL en drempelverschuiving(dBHL) bij perceptieve gehoorverliezen. Linker figuur ontleend aan Pascoe, 1988. Originele figuur in deze publicatie (nr. 4) gemodificeerd met toestemming van de uitgever.


Op basis van de publicatie van Pascoe kan de verstoorde luidheidwaarneming voor verschillende maten van perceptieve gehoorverliezen worden bepaald. Als voorbeeld zijn in het rechter deel van Fig. 1 en in Tabel I, de HTL, MCL en UCL bepaald voor goedhorenden (zwarte doorgetrokken lijn) en voor slechthorenden met een perceptief verlies van 50 resp. 80 dBHL. Voor elk oor is de subjectieve luidheid, uitgedrukt in dBSL de gewenste waarnemingssterkte.


Waarnemingssterkte Goedhorende Matig perceptief verlies
(50 dBHL)
Groot perceptief verlies
(80 dBHL)
HTL 0 dBSL 0 dBHL 50 dBHL 80 dBHL
MCL 60 dBSL 60 dBHL 80 dBHL 103 dBHL
UCL 100 dBSL 100 dBHL 108 dBHL 123 dBHL

Tabel I. Geluidsniveaus (dBHL) die nodig zijn om de in de linker kolom vermelde waarnemingssterktes (HTL, MCL en UCL) te bereiken, voor de aangegeven gehoorverliezen. Waarden ontleend aan Fig.1.


Op basis van de publicatie van Pascoe kan ook de gewenste versterkingskarakteristiek worden bepaald voor verschillende perceptieve gehoorverliezen. Het hoortoestel moet zoveel versterken dat ingangssignalen op de verschillende niveaus van de goedhorende worden versterkt tot uitgangsniveaus waarop de slechthorende deze met gelijke sensatie waarneemt. Als voorbeeld zijn in het rechter deel van figuur 2 en in tabel II, de versterking bepaald slechthorenden met een perceptief verlies van 50 resp. 80 dBHL.


Fig.2. De gewenste versterkingskarakteristiek bij twee categorieën gehoorverliezen. Linker figuur ontleend aan Pascoe,1988. Originele figuur in deze publicatie (nr. 4) gemodificeerd met toestemming van de uitgever.


Een aantal karakteristieke waarden uit Fig.2 zijn weergegeven in Tabel II.


  Goedhorende Versterking bij matig perceptief
verlies(50 dBHL)
Versterking bij groot perceptief
verlies(80 dBHL)
HTL 0 dBHL 50 dB 80 dB
MCL 60 dBHL 20 dB 43 dB
UCL 100 dBHL 8 dB 23 dB

Tabel II. Versterkingen die nodig zijn om de in de linker kolom vermelde waarnemingssterktes (HTL, MCL en UCL) te bereiken, voor de aangegeven perceptieve gehoorverliezen. Waarden ontleend aan Fig.2.


Bij perceptieve gehoorverliezen is door recruitment bij harder worden van het geluid minder versterking nodig. Dit kan voor verschillende frequenties een ander verloop hebben bijvoorbeeld bij uitgesproken hoge tonen verliezen (skisloop-audiogram). In digitale hoortoestellen is het mogelijk om bovenstaande versterkingskarakteristieken te realiseren in meerdere frequentiebanden, afhankelijk van het karakter van het gehoorverlies in de desbetreffende frequentieband. Daarvoor is een hoortoestel met WDRC (‘Wide Dynamic Range Compressie’) regeling te benutten. Zie Hfdst.9.2.4(2), Par.8.


 


9.2.6.3(2). Eigenruis van hoortoestellen

De eigenruis van hoortoestellen wordt veroorzaakt door:


  • Microfoonruis
  • Kwantificeringsruis
  • Elektronicaruis

  • Microfoonruis
    In Hfdst.9.2.5(2), Par.8 is besproken dat de microfoonruis ongeveer 25 dB SPL bedraagt. Alleen door de microfoon groter te maken kan dit ruisniveau lager worden. In digitale hoortoestellen kan door een verlaging van de versterking bij lage ingangsniveau`s in diverse frequentiebanden de microfoonruis onder de gehoordrempel worden gehouden (de ‘microfoonruisonderdrukking’).


  • Kwantificeringsruis
    Door de woordlengte voldoende groot te maken is de kwantificeringsruis van de A/D-converter in een digitaal hoortoestel zachter te maken dan de microfoonruis. Zie Hfdst.9.2.5(2), Par.8.


  • Elektronicaruis
    Weerstanden en transistoren van de elektronica veroorzaken ruis. In analoge hoortoestellen dragen alle weerstanden en transistoren bij tot het eigenruis niveau van het hoortoestel. In digitale hoortoestellen, wordt het analoge ingangssignaal direct gedigitaliseerd. Zie Hfdst.9.2.5(2), Par.1. De digitale signalen in de DSP zijn niet gevoelig voor ruis. In analoge hoortoestellen kunnen wegens de ruisproblemen slechts enkele duizenden transistoren worden gebruikt, maar digitale hoortoestellen kennen deze beperking niet. Digitale hoortoestellen kunnen daardoor veel complexer zijn en meer mogelijkheden bieden.


 


9.2.6.4(2). Signaalanalyse

In tegenstelling tot analoge signaalbehandeling kan met digitale signaalbehandeling onderscheid gemaakt worden tussen soorten signalen zoals spraak of stoorgeluid. Daarvoor worden drie technieken toegepast:


  1. Detectie van de modulatie van de omhullende
  2. Statistische verdeling geluidsniveaus
  3. Detectie synchrone energie.

  1. Detectie van de modulatie van de omhullende
    Kenmerkend voor spraak zijn de grote fluctuaties in het signaalniveau en de verdeling van de signaalniveaus over de verschillende frequenties. Als het signaal bekeken wordt in frequentie banden blijkt de grootte van de fluctuaties namelijk sterk te verschillen in grootte en in karakter (Fig.3).


    Fig.3. Spraaksignaal “Age sixty to sixty five” opgesplitst in twee frequentiebanden.


    De lage frequentieband is gevuld tijdens het uitspreken van de klinkers. Er zijn grote pauzes. De band van hoge frequenties is doorlopend gevuld, zowel tijdens spreken van klinkers (de boventonen) als van medeklinkers. Hier zijn de pauzes korter. Ook is er verschil in geluidsniveau tussen beide banden in Fig.3. De omhullende van het oorspronkelijke signaal geeft het verloop van het gemiddelde spraakniveau weer. Men noemt dit de modulatie van de omhullende van het spraaksignaal. Er zijn twee karakteristieke factoren:


    1. De grootte van de variaties: de modulatie amplitude
    2. Het aantal variaties per seconde: de modulatie frequentie.

    De modulatie van de omhullende van normale spraak heeft een grootte van circa 30 dB en een frequentie van 3 tot 8 Hertz. Als er een stationair stoorgeluid is zal die als een band de dalen in de modulatie van de omhullende volsmeren. De grootte van de variaties nemen dus af. Bij grotere sterktes van het stoorgeluid zullen ook kleine toppen verdwijnen dus het aantal variaties per seconde neemt dan af. Deze benadering gaat dus vooral op als het stoorgeluid een vrij constant niveau heeft. De methode kan worden verbeterd door niet de amplitude en de frequentie van de modulatie van het totale ingangssignaal te analyseren maar dat in diverse frequentiebanden te doen. Als een band gedurende een tijdsverloop minder pieken bevat en dus mogelijk relatief veel stoorgeluid bevat kan de versterking van die band worden verminderd. In digitale hoortoestellen is die techniek goed te realiseren.


  2. Statistische verdeling geluidsniveaus
    Deze analyse is gebaseerd op het gegeven dat in spraak twee pieken in de niveauverdeling van het signaal voorkomen, namelijk van de klinkers en van de medeklinkers. Het niveau van medeklinkers ligt ongeveer 40 dB lager. Stoorgeluid zal veelal een meer stationair karakter hebben en dus niet zo sterk in niveau variëren. Van deze mogelijkheid tot onderscheid wordt gebruik gemaakt door het signaal duizenden malen per seconde te samplen en de statistische verdeling te berekenen d.w.z te bepalen in hoeveel procent van de tijd het signaal een bepaald niveau heeft. Omdat (stationair) stoorgeluid veelal rond een vast geluidsniveau varieert geeft dit een handvat om te beoordelen of het ingangssignaal spraak is of een stoorgeluid. Bij deze, in digitale hoortoestellen toepasbare analyse wordt dus doorlopend de statistische verdeling van de samples van het geluidsniveau berekend. Deze analyse wordt nauwkeuriger als het wordt toegepast op afzonderlijke frequentiebanden van het ingangssignaal. Banden met overwegend stoorgeluid op een bepaald moment kunnen dan minder worden versterkt.


  3. Detectie synchrone energie
    In deze analyse wordt gebruikgemaakt van het gegeven dat het frequentie spectrum van een klinker veel harmonischen (boventonen) bevat. Als het ingangssignaal opgesplitst wordt in frequentiebanden zal bij een klinker geluid in diverse banden tegelijkertijd (synchroon) een signaal aanwezig zijn. Dit geldt ook voor een aantal medeklinkers die in de tijd worden aangehouden zoals de fricatieven (/f/, /s/, /z/,) en ook voor plofklanken (/p/, /b/, /t/, /d/, /k/)


    Bij stoorgeluiden zal een dergelijke synchroniteit zelden voorkomen. Dit geeft een handvat om te beoordelen of in een tijdsinterval het signaal vooral tot de spraak of tot het stoorgeluid moet worden gerekend. Indien er synchrone energie in het signaal wordt vastgesteld kan het hoortoestel worden omgeschakeld van een comfortstand naar een spraakstand.


Wetenschappelijk onderzoek heeft tot nu toe van toepassingen van de signaalanalyse methoden geen grote verbeteringen aangetoond wat betreft het spraakverstaan in stoorgeluid. Wel neemt het hoorcomfort toe in situaties met storend geluid.


Het effect van de signaalanalyse is vooral beperkt als spraak het stoorgeluid is. In die situatie kunnen richtingsgevoelige microfoonsystemen veelal wel leiden tot een verbetering van het spraakverstaan.


 


9.2.6.5(2). Terugkoppeling (rondfluiten)

Bij het dragen van hoortoestellen is het rondfluiten door terugkoppeling een bekend probleem. Er kunnen verschillende oorzaken zijn. Meestal vangt de microfoon een te groot deel van het door de telefoon afgegeven versterkte ingangssignaal weer op waarna dit opnieuw versterkt wordt etc. Dit veroorzaakt een hoge fluittoon tussen 2 en 4 kHz. Als oorzaken van deze externe akoestische terugkoppeling zijn te noemen een te ruim geboord venting kanaal of een niet goed passend oorstuk.


Het rondfluiten kan ook veroorzaakt worden door een interne terugkoppeling ten gevolge van mechanische trillingoverdracht, of een defect slangetje aan de telefoon. Mechanische terugkoppeling wordt tegengegaan door telefoon en microfoon in trillingsabsorberende rubberen laagjes op te hangen. Deze ophanging kan in de loop van jaren hard worden. Mechanische terugkoppeling veroorzaakt een stoorgeluid met een lage frequentie (tot 1000 Hz).


Een derde terugkoppelingsprobleem kan ontstaan bij een vrijwel lege batterij. Het versterken van het ingangssignaal tot een hard geluid vergt een relatief sterke stroom. Een bijna lege batterij kan die niet lang leveren, zonder dat de batterijspanning gaat dalen. Die daling veroorzaakt een lagere versterking en dus een lager uitgangssignaal. Hierdoor wordt het stroomverbruik lager en de batterijspanning zal weer stijgen en daarmee de versterking en het niveau van het uitgangssignaal etc etc. Dit verschijnsel is laagfrequent en wordt ”motorboten” genoemd.


Als vierde oorzaak is magnetische terugkoppeling te noemen. Hierbij wordt het magnetische veld van de spoel in de telefoon van het hoortoestel opgevangen door de luisterspoel van het zelfde hoortoestel in de T-stand. Dit kan tegengegaan worden door de telefoon magnetisch af te schermen en door de luisterspoel zover mogelijk van het telefoontje in het hoortoestel te plaatsen.


De externe akoestische terugkoppeling is, bij een goed werkend hoortoestel, de belangrijkste oorzaak van rondfluiten. De vraag is hoe deze terugkoppeling voorkomen of onderdrukt kan worden. In de praktijk ontstaat het rondfluiten bij die frequentie die door het hoortoestel het meest versterkt wordt en in de terugkoppeling het minst gedempt wordt. In de frequentiekarakteristiek van een hoortoestel is te zien dat de grootste versterking meestal rond 3000 Hz ligt en daar zal dan de frequentie van de fluittoon liggen. Hierbij geldt dat het teruggekoppelde signaal in fase met het ingangssignaal in de microfoon binnen moet komen want bij tegenfase terugkoppeling zal die frequentie juist verzwakt worden.


In digitale hoortoestellen worden twee verschillende methoden voor terugkoppelings-onderdrukking toegepast:


  1. Versterkingsbegrenzing en -vermindering
  2. Elektronische tegenkoppeling.

  1. Versterkingsbegrenzing en –vermindering
    In digitale hoortoestellen kan de versterking niet alleen frequentie afhankelijk zijn (verschillend per frequentieband) maar kan ook afhankelijk van de grootte van het ingangssignaal gekozen worden. Dit is besproken bij de WDRC hoortoestellen in Par.2 van dit hoofdstuk. Omdat de grootste versterking daarbij geleverd wordt voor relatief zachtere ingangssignalen zal het fluitprobleem daar optreden. Veelal wordt deze methodiek in twee stappen toegepast. Tijdens het aanpassen van het hoortoestel wordt de maximaal toegestane versterking bepaald. Tijdens het dragen van het hoortoestel kan de versterking eventueel automatisch worden verminderd.


    • Statische maximale versterkingsbegrenzing
      Bij het aanpassen van een hoortoestel kan de terugkoppeling getoetst worden door in een stille omgeving de versterking per frequentieband langzaam te laten toenemen. Zodra het hoortoestel gaat rondfluiten is de zogenaamde terugkoppelingsgrens overschreden in de betreffende frequentieband. Door het digitale hoortoestel zo te programmeren dat deze terugkoppelingsgrens in geen van de frequentiebanden wordt bereikt, wordt het rondfluiten door terugkoppeling voorkomen. Het gevaar bestaat dan echter dat door minder versterking van de hogere frequenties (rond 3000 Hz) het spraakverstaan wordt verminderd.


    • Dynamische versterkingsvermindering
      Bij het dragen van een hoortoestel kan de demping door het oorstukje veranderen bijvoorbeeld door kaak- en kauwbewegingen en ook door reflecterende oppervlakken dicht bij het oor waar het hoortoestel gedragen wordt (b.v. een telefoonhoorn). Een hoortoestel met signaalanalyse (Par.4 van dit hoofdstuk) kan deze situatie herkennen en de versterking in de betreffende frequentieband iets verminderen.


  2. Terugkoppelingsonderdrukking door elektronische tegenkoppeling
    Rondfluiten door terugkoppeling kan alleen ontstaan als het teruggekoppelde signaal in fase is met het oorspronkelijke ingangssignaal. Door elektronisch een actieve terugkoppeling te maken die net zo groot is als de ongewenste akoestische terugkoppeling maar wel in tegenfase is (‘ tegenkoppeling’) kan het fluitprobleem theoretisch worden onderdrukt. Omdat de ongewenste akoestische terugkoppeling niet constant is zal deze actieve terugkoppeling uit twee componenten moeten bestaan:


    • Een statische (tijdens de hoortoestelaanpassing)
    • Een dynamische (tijdens het dragen).

    • Statische terugkoppelingsonderdrukking door elektronische tegenkoppeling
      Bij het testen van de statische terugkoppeling wordt aan het uitgangssignaal van de versterker een sterk breedbandig testsignaal toegevoegd (zie figuur 4). Met een correlatieschakeling wordt dit testsignaal gecorreleerd aan het ingangssignaal. Als er geen akoestische terugkoppeling is, zal er geen samenhang zijn tussen het testsignaal en het ingangssignaal van het hoortoestel. De correlatie is dan nul.


      Fig.4. Principe van terugkoppelingsonderdrukking door een elektronische tegenkoppeling.


      Als de correlator wél een terugkoppeling meet, betekent dit dat een deel van het uitgangssignaal (inclusief testsignaal) is teruggekomen als ingangssignaal in de versterker. De correlator is zo gebouwd dat de terugkoppeling in elk van de frequentiebanden van het hoortoestel gemeten kan worden. De correlator stelt vervolgens de elektronische tegenkoppeling zo in dat de ongewenste akoestische terugkoppeling wordt gecompenseerd. De ongewenste akoestische terugkoppeling is dus geëlimineerd. Het sterke testsignaal dat bij deze methode wordt gebruikt is wel hoorbaar in het uitgangssignaal en dus is deze instelmethode alleen toepasbaar tijdens het aanpassen van het hoortoestel.


    • Dynamische terugkoppelingsonderdrukking door elektronische tegenkoppeling
      Tijdens het dragen moet de elektronische terugkoppeling dus anders werken. Daarvoor wordt het ingangssignaal naar een statistische analysator geleid. Hiermee kan in beperkte mate een oscillerende component door de terugkoppeling worden gedetecteerd. Het temporele karakter moet onderscheid bewerkstelligen tussen geluid van een oscillatie, een fluitketel en een muziekinstrument. In geval van een oscillatie kan de elektronische tegenkoppeling functioneel corrigeren.


      Het grote voordeel van terugkoppelingsonderdrukking door een elektronische tegenkoppeling is dat een ‘extra’ versterking van 10 tot 15 dB mogelijk is. Dit in tegenstelling tot de methode van versterkingsbegrenzing en –vermindering.



 


9.2.6.6(2). Storing door mobiele telefoontoestellen

De mobiele telefoontoestellen van vóór 1994 waren analoog van aard. Ze zonden een continu elektromagnetisch signaal uit waarvan hoortoestellen geen hinder ondervonden. Alleen het aan- en uitzetten veroorzaakte een storing in een hoortoestel in de directe omgeving van die telefoontoestellen. De huidige mobiele telefoontoestellen zenden echter 217 keer per seconde een puls van 0,6 ms uit met een zeer hoge frequentie (900, 1800 of 1900 MHz). Dit aan- en uitschakelen van het elektromagnetische signaal veroorzaakt een stoorsignaal. De bedrading en printbanen in analoge hoortoestellen werken als antennes voor dit stoorsignaal. Het kort houden daarvan vermindert de storing. Met kleine condensatoren kan in analoge hoortoestellen het hoogfrequente stoorsignaal onderdrukt worden. Ook kan een elektrisch geleidende bekleding in het kastje van het hoortoestel een afscherming bieden maar dat werkt dan ook ten nadele van de luisterspoel gevoeligheid. Concluderend kan gesteld worden dat met passende maatregelen de gevoeligheid in analoge hoortoestellen voor mobiele telefoonsignalen aanzienlijk te verminderen is.


In digitale hoortoestellen is alleen het signaal van de microfoon en de A/D-converter analoog en daarmee gevoelig voor storing door mobiele telefoontoestellen. Verder is het signaal in dit type hoortoestel digitaal en nauwelijks gevoelig voor storing door mobiele telefoontoestellen.


In de IEC 118-13 norm wordt de methode voor het meten van de storingsgevoeligheid van hoortoestellen voor mobiele telefoontoestellen beschreven, de IRIL (‘Input Related Interference Level’). Dit is een maat voor de hinder die een slechthorende kan hebben van een mobiel telefoontoestel op 2 meter afstand. Globaal kan gesteld worden dat het equivalente ingangsstoorniveau bij het zelf telefoneren met een mobiel telefoontoestel ongeveer 30 dB hoger is dan de opgegeven IRIL-waarde. Dit komt omdat de afstand tussen hoortoestel en mobiel telefoontoestel dan veel kleiner is dan de 2 m die in het IEC-meetprotocol wordt aangehouden.


Ten aanzien van gebruik van mobiele telefoontoestellen zijn enkele adviezen te formuleren:


  • Een digitaal hoortoestel is te prefereren boven een analoog hoortoestel, omdat digitale hoortoestellen veel minder storingsgevoelig zijn.
  • Gebruik tijdens telefoneren met een mobiel telefoontoestel niet de luisterspoel want die is meer storingsgevoelig. Bovendien is het magnetische signaal van een mobiel telefoontoestel zwak.
  • De storing is minder als de afstand tussen het mobiele telefoontoestel en het hoortoestel groter is. Dat kan met een hands-free kit met toepassing van:
    • Inductielus of inductieoorhanger, welke wordt aangesloten op het mobiele telefoontoestel.
    • Oortelefoon, welke met de draadloze Bluetooth technologie verbonden is met het mobiele telefoontoestel.
  • Het mobiele telefoontoestel kan dan gedragen worden aan de broekriem of op het lichaam.
  • Het stoorgeluid verschilt per type mobiel telefoontoestel. Controleer daarom tijdens de hoortoestelaanpassing de storingsgevoeligheid voor uw mobiele telefoontoestel.
  • Toets vóór aanschaf van een mobiel telefoontoestel de storing op uw hoortoestel.

 


9.2.6.7(2). Richtingsgevoelige microfoonsystemen

De traditionele richtingsgevoelige microfoon heeft twee geluidsingangen. De gewone toegang voor geluid is via de vóóringang. Het horizontaal ingespannen microfoonmembraan wordt door dat signaal vanaf de bovenkant aangedreven. De tweede ingang is ook boven in het hoortoestel geplaatst maar aan de achterzijde.


Door de achterste ingang kan het geluid via een mechanische vertraging het microfoonmembraan van de onderzijde in beweging brengen (Fig.5). Het membraan beweegt door het drukverschil boven en onder het membraan. Als de beide signalen in fase zijn wordt de beweging van het membraan verminderd. Als de beide signalen in tegenfase zijn ondersteunen ze elkaar in het bewegen van het microfoonmembraan.


Fig.5. Principe van de traditionele richtingsgevoelige microfoon.


In de navolgende beschrijving gaan we uit van een afstand tussen de 2 microfooningangen van 10 mm. Bij een voortplantingssnelheid van het geluid van 340 m/sec, resulteert dit in een vertragingstijd van 29,4 µs. Als het tijdvertragende elementje ook een vertragingstijd heeft van 29,4 µs, ontstaat de navolgende situatie:


  • Geluid vanaf de voorzijde bereikt de bovenzijde van het membraan zonder vertraging. Het geluid bereikt de onderzijde van het membraan vertraagd door de langere afstand die afgelegd moet worden en door het tijdvertragende elementje (totaal 58,8 µs). Daardoor is er een faseverschil tussen het geluid boven en onder het membraan en beweegt dit.


  • Geluid van de achterzijde bereikt het membraan met een vertraging van 29,4 µsec via zowel de achterste als de voorste microfooningang door het tijdvertragende elementje resp. de langere afstand. Doordat de 2 geluiden nu in fase zijn zal het membraan niet bewegen. Geluiden van de achterzijde worden gedoofd.


Dit resulteert in een richtingsdiagram met een cardioïde (hartvormig) vorm. Zie Fig.6.


Fig.6. Verschillende vormen van microfoonkarakteristieken


Door een andere tijdsvertraging te kiezen kan het richtingsdiagram van de microfoon worden gekozen bijv. supercardioïde (vertraging 16,8 µs), hypercardioïde (vertraging 10 µs) of bidirectioneel (vertraging 0 µs).


In de praktijk is het richtingsdiagram niet precies volgens figuur 6, er zijn afwijkingen ten gevolge van toleranties in onderdelen, vooral in het tijdvertragende elementje. Belangrijker en groter is echter het effect van de hoofdschaduw. Door het hoofd wordt aan het rechter oor het geluidsaanbod vanaf de linkerkant verzwakt en geluiden vanuit de rechterkant worden door reflecties tegen het hoofd versterkt. Een hoortoestel dat op het rechter oor wordt gedragen heeft daardoor niet de maximale gevoeligheid in de richting recht van voren maar in de richting die daarvan iets naar rechts afwijkt. Deze effecten zijn bovendien frequentieafhankelijk.


Fig.7. De richtingsgevoeligheid van een op het rechter oor gedragen hoortoestel is frequentieafhankelijk.


Een monaurale aanpassing met een richtingsgevoelig hoortoestel op het rechter oor kan een vervelend effect hebben bij het converseren met een gesprekspartner die rechts naast zich een druk pratende persoon heeft zitten. Immers bij recht aankijken van de gesprekspartner en het optimaal benutten van het lipbeeld wordt de buurman vooral goed gehoord dank zij de optimale gevoeligheid van de richtingsgevoelige microfoon in die richting. Bij het richten van de optimale gevoeligheid op de gesprekspartner moet het hoofd iets naar links gedraaid worden en het lipbeeld is dan alleen met ogen in de ooghoeken waar te nemen. Bovendien is dit ogenschijnlijk een wat weinig attente luisterhouding.


Bij een binaurale aanpassing met twee richtingsgevoelige hoortoestellen zal het linker hoortoestel zijn maximale gevoeligheid hebben voor geluiden iets links van het midden en het rechter hoortoestel zijn maximale gevoeligheid voor geluiden iets rechts van het midden. Bij een goed gebalanceerde aanpassing resulteert dit een maximale gevoeligheid voor geluiden van recht voor.


In de hiervoor beschreven cardioïde richtingsgevoelige microfoon is er een tijdsverschil van 58,4 µs tussen het geluid boven en onder het membraan voor geluiden uit frontale richting. Het faseverschil tussen de geluiden boven en onder het membraan zijn echter mede afhankelijk van de frequentie (Δφ = 2 π f Δt). Bij lagere frequenties is het faseverschil kleiner dan bij hogere frequenties. Door het kleinere faseverschil worden lagere frequenties van recht voor gedempt. Een richtingsgevoelige microfoon krijgt daardoor een oplopende frequentiekarakteristiek met een helling van 6 dB/octaaf. De frequentiekarakteristiek is derhalve verschillend in de omnidirectionele stand en in de richtinggevoelige stand.


De richtingsgevoeligheid van een microfoon wordt uitgedrukt in de ‘Directivity Index’ (DI) in dB. Dit is de verhouding van het uitgangsniveau bij alleen aansturing door een geluid recht van voren, ten opzichte van het uitgangsniveau van de microfoon bij aansturing door geluiden uit alle richtingen. Deze verhouding (DI) wordt in dB’s uitgedrukt en is dus het verschil tussen de dB waarden. Een cardioïde en een bidirectionele microfoon hebben beide een DI van 4.8 dB. Zoals gezegd is een richtingsdiagram frequentieafhankelijk en dus een DI ook. Daarom wordt bij een DI de frequentie aangegeven waarvoor die geldt.


De bepaling van een DI kan gecombineerd worden met het meten van de verbetering van het spraakverstaan in rumoer. De verbetering van de richtingsgevoeligheid van een microfoon levert daar immers een belangrijke bijdrage aan. Voor het meten van het spraakverstaan in rumoer kan gebruik gemaakt worden van de Articulatie Index (AI – voor beschrijving zie Hfdst.5.5.1) of van de ‘Speech Intelligibility Index’ (zie o.a. Hornsby, 2004 en Rhebergen and Versfeld, 2005). Mueller en Killion hebben in 1990 een methode geïntroduceerd om de Articulatie Index te schatten, de ‘Count-The-Dots’ methode. In 2010 hebben deze auteurs deze methode enigszins aangepast teneinde Speech Intelligibility Index te bepalen. In beide gevallen worden, uitgaande van het toonaudiogram, in het gebied van het dynamisch bereik van het goed functionerende oor dat gebruikt wordt voor het waarnemen van spraak met normale sterkte, honderd punten geplaatst. Elk van deze punten levert een bijdrage van 1% aan het spraakverstaan (Fig.8).


Fig.8. Indeling van het spraakgebied in delen door een toedeling van punten, die ieder afzonderlijk staan voor 1% spraakverstaan. Gericht op de bepaling van de Speech Intelligibility Index (SII). Figuur ontleend aan Killion en Mueller, 2010.


De 100 punten zijn in de diverse banden van een derde octaaf breed geplaatst en wel vanaf 5 dB boven de drempel. Het dynamisch bereik van de spraak is op 30 dB gesteld. Elk van de punten staat voor 1% spraakverstaan. Hoe meer punten in een band liggen, hoe groter de bijdrage van die band aan de SII. In het geval van een gehoorverlies vermindert het aantal ‘dots’ dat meetelt.


Nu wordt de specifieke waarde van de richtingsgevoelige microfoon ten opzichte van een rondom gevoelige microfoon gekarakteriseerd door de Directivity Index per frequentieband. Door de twee indices per frequentieband te vermenigvuldigen en de uitkomsten van de afzonderlijke banden te sommeren, wordt een maat verkregen voor de verbetering van het spraakverstaan als gevolg van een verbeterde richtingsgevoeligheid van de microfoon. Dit levert de ‘Articulatie Index gewogen Directivity Index’ (AI-DI), c.q. de ‘Speech Intelligibilitye Index gewogen Directivity Index’ (SII-DI),  


Kortom: verschillen van microfoons komen naar voren in verschillen in de DI’s per frequentieband. De betekenis voor het spraakverstaan volgt dan door de vermenigvuldiging met het desbetreffende Articulatie Index percentage. Om het verschil tussen microfoons te bepalen moeten dan de verschillen in de diverse frequentiebanden gesommeerd worden.


Er zijn analoge hoortoestellen ontwikkeld met twee onafhankelijke rondom gevoelige microfoons. De uitgangssignalen kunnen met tegengestelde polariteit in de versterker worden ingevoerd. Deze benadering lijkt veel op de al besproken traditionele richtingsgevoelige microfoon. Het verschil is echter dat naar wens nu de achterste microfoon kan worden uitgeschakeld, b.v. met afstandsbediening. Daardoor kan het hoortoestel worden omgeschakeld van richting naar rondom gevoelig. De twee microfoons moeten uiteraard zoveel mogelijk identiek zijn.


Bij digitale hoortoestellen leveren twee microfoons extra mogelijkheden, want nu is het niet nodig een mechanisch tijdvertragend element te gebruiken. De vertraging van het signaal van de achterste microfoon kan in de bewerking van het digitale signaal worden verzorgd. De digitale tijdvertraging biedt grote voordelen:


  • De nauwkeurigheid is groot.
  • Er is geen frequentie afhankelijkheid.
  • Er is geen verandering door vuil, veroudering of beschadiging van het vertragingselement.
  • De vertraging is variabel te maken en daarmee een variabele richtingsgevoeligheid.

Door de vertragingstijd goed te kiezen kan een rondomgevoelige, een cardioïde, een supercardioïde, een hypercardioïde, een bidirectionele richtingskarakteristiek tot stand gebracht worden (zie figuur 6) of een tussenvorm daarvan. De wijziging van de vertragingstijd kan automatisch en adaptief in de luistersituatie worden geregeld maar het kan ook vast ingesteld zijn in de vorm van verschillende programma’s van het hoortoestel, waaruit d.m.v. een programmaschakelaar door de gebruiker voor elke situatie de meest geschikte instelling kan worden gekozen.


Bij adaptieve richtingsgevoeligheid wordt in het hoortoestel het binnenkomende geluid van beide microfoons steeds geanalyseerd. Bij detectie van een lawaaibron wordt de richtingsgevoeligheid zo ingesteld dat de richting met de laagste gevoeligheid naar die bron is gericht. Deze richting wordt een ‘notch ’ genoemd.


Uitgangspunt in de toepassing van twee microfoons is dat ze identiek zijn. Kleine verschillen in gevoeligheid of frequentiekarakteristiek kunnen grote gevolgen hebben. Zie Fig.9.


Fig.9. Invloed van kleine gevoeligheidsverschillen tussen de twee microfoons op het richtingsdiagram.


Bij de productie van analoge hoortoestellen met twee microfoons worden de paren zorgvuldig uitgezocht (gematched). Dit impliceert dat als een van beide microfoons stuk gaat beide moeten worden vervangen. Als de eigenschappen van een van beide wat verandert ontstaan er afwijkingen in de richtingsgevoeligheid (Fig.9). In digitale hoortoestellen kunnen verschillen van de microfoons worden gecompenseerd door een aangepaste signaalbehandeling.


De besproken benadering is uiteraard verder uit te breiden door b.v. méér dan twee microfoons te gaan toepassen. Een tweede orde systeem heeft drie rondom gevoelige microfoons en daarmee 4 notches in het richtingdiagram. Hiermee is een sterker recht naar voren gerichte gevoeligheid te verkrijgen. Er is een hogere DI te bereiken. Het nadeel is dat de gevoeligheid voor lage frequenties afneemt in een hogere orde richtingsgevoelig microfoonsysteem.


 


9.2.6.8(2). Meerbands hoortoestellen

Met digitale technologie zijn meerbands hoortoestellen eenvoudig te maken. Dit leidt tot de vraag wat de voordelen van meerbands hoortoestellen kunnen zijn.


Eerst moet een onderscheid worden gemaakt tussen de toegepaste signaalbewerking techniek. Bij FFT hebben alle discrete frequenties dezelfde afstand in Hertz, dus met een lineair verloop op de frequenties as (zie Hfdst.9.2.5(2), Par.3. Het tijdsvenster moet zo worden gekozen dat er een voldoende resolutie is bij de lage frequenties. Omdat onze toonhoogtewaarneming logaritmisch verloopt, lijkt het alsof de discrete frequenties bij de hogere frequenties heel dicht bij elkaar liggen. Vaak worden daarom bij de hogere frequenties een aantal discrete frequenties gecombineerd, zodat een meer logaritmisch verloop op de frequentieas wordt verkregen.


Met digitale filters kunnen filters met iedere gewenste middenfrequentie, bandbreedte en flanksteilheid worden gerealiseerd. Daardoor zijn minder frequentiebanden nodig dan bij FFT. De voordelen van meerbands hoortoestellen hebben betrekking op:


  1. Frequentieregeling
  2. Aanpassing bij gereduceerd dynamisch bereik
  3. Signaalanalyse
  4. Terugkoppelingsonderdrukking.

  1. Frequentieregeling
    Door de versterking van de afzonderlijke frequentiebanden regelbaar te maken, kan de frequentie karakteristiek van het hoortoestel beter worden afgestemd op het gehoorverlies van de slechthorende. Een groter aantal frequentiebanden, of een beperkt aantal frequentiebanden met instelbare scheidingsfrequenties, geeft meer flexibiliteit. Dit is bijvoorbeeld belangrijk bij skisloop verliezen.


  2. Aanpassing bij gereduceerd dynamisch bereik
    Bij de meeste vormen van slechthorendheid is het dynamisch bereik bij de lagere frequenties groter dan bij de hoge frequenties. Door in de verschillende frequentiebanden afzonderlijke compressieregelingen op te nemen, kan het dynamisch bereik van het ingangssignaal beter worden afgestemd op het gereduceerde dynamische bereik van het slechthorende oor.


  3. Signaalanalyse
    Het onderscheidt tussen spraak en stoorgeluid is beter te maken als de analyse in meerdere frequentiebanden plaats vindt. Zie Par.4 van dit hoofdstuk.


  4. Terugkoppelingsonderdrukking
    Het rondfluiten door terugkoppeling treedt veelal op rond de 3000 Hz. Door het toepassen van meerdere frequentiebanden kan nauwkeuriger worden vastgesteld of terugkoppeling dreigt op te treden. Als terugkoppeling optreedt, kan deze selectiever worden bestreden.



Argumenten voor beperking van het aantal frequentiebanden betreffen:


  • Meer frequentiebanden vereisen een grotere en complexere digitale schakeling. Dit kan resulteren in een hoger stroomverbruik en een hogere prijs.


  • Spraak kenmerkt zich door snelle temporele en spectrale variaties. Toepassing van een groot aantal onafhankelijke compressieregelingen kan resulteren in versmering van deze temporele en spectrale variaties, waardoor de spraakverstaanbaarheid verminderd. Dit gevaar kan worden verminderd door de compressieregelingen onderling te koppelen. Dit wordt toegepast in diverse geavanceerde digitale hoortoestellen.


Literatuur


  1. Hornsby BWY. The Speech Intelligibility Index: What is it and what’s it good for? The Hearing Journal 2004;57:10-17.
  2. Killion MC, Mueller MG. Twenty years later: A New Count-The-Dots method. The Hearing Journal 2010;63:10-15.
  3. Mueller HG, Killion MC. An Easy Method for calculating the Articulation Index: The Hearing Journal 1990;43:14-17.
  4. Pascoe DP. Clinical measurements of the auditory dynamic range and their relation to formulas for hearing aid gain. Proceedings 13th Danavox Symposium, October 1988, Faaborg, Denmark. Editor J. Hartvig Jensen. ISBN 87-982422-2-9. The Danavox Jubilee Foundation.
  5. Rhebergen KS, Versfeld NJ. A Speech Intelligibility Index-based approach to predict the speech reception threshold for sentences in fluctuating noise for normal-hearing listeners. J Acoust Soc Am 2005;117:705-723.2181-2192.

© NVA leerboek 2000-2017 Privacy | Disclaimer | Copyright | Statistieken | Webredactie