9.2.4.1(2). Inleiding

Geluid is per definitie een trilling in een medium met een frequentie die door een goed functionerend menselijk oor waargenomen kan worden. Omdat de mens in het medium lucht verkeert gaat het vooral om trillingen in lucht. Om die te kunnen horen moeten de trillingen frequenties bevatten die gelegen zijn tussen 20 en 20.000 Hz. Dergelijke trillingen kunnen eventueel componenten of boventonen hebben die buiten dit bereik vallen en dus onhoorbaar zijn. Trillingen die wel aan deze omschrijving voldoen zijn niet altijd en voor iedereen hoorbaar. Dit kan komen doordat de desbetreffende oren aangemerkt moeten worden als niet goed functionerend. De desbetreffende persoon is dan dus niet goedhorend, maar slechthorend.

Het nu volgende hoofdstuk bespreekt de signaalbewerking om geluid waarneembaar en – bij spraak – zo mogelijk verstaanbaar te maken voor iemand met een niet goed functionerend gehoor. Hierbij gaat het primair om het belangrijkste geluid voor de mens: de spraak. Om dit in de signaalbehandeling te kunnen onderscheiden van andere geluiden wordt nagegaan wat de specifieke eigenschappen zijn van een spraaksignaal. Hiervan kan gebruik gemaakt worden om het spraakverstaan in rumoer te verbeteren. Zie in dit verband Hfdst.9.2.6(2), Par.4. Daarnaast wordt besproken hoe de werking van een hoortoestel is en hoe hiermee geluid kan worden aangepast aan de specifieke resterende mogelijkheden van een niet goed functionerend oor. In dit hoofdstuk worden deze onderwerpen besproken voor analoge hoortoestellen.

9.2.4.2(2). Geluid

Geluid heeft drie essentiële kenmerken:

1. Een geluidsniveau of geluidssterkte uitgedrukt in decibel (dB)
2. Een basisfrequentie die als grondtoon kan worden aangemerkt in Hertz
3. Een verloop in de tijd, anders gezegd, een temporeel aspect.

1. De geluidssterkte
   De sterkte van een geluid wordt uitgedrukt in verhouding tot een standaard geluidssterkte op een logaritmische schaal, de decibelschaal, zoals besproken in Hfdst.5.2.2(2), Par.2. Dit houdt in dat bij een geluidssterkte aanduiding in dB altijd de referentie moet worden aangegeven, b.v. dB_A of dB_SPL of dB_HL.
   
   
2. De basistrilling
   De frequentie (of subjectief de toonhoogte) van een geluid wordt uitgedrukt in trillingen per seconde: Hertz. Over het algemeen wordt bij het aangeven van de frequenties, vanwege het grote bereik, een logaritmische schaal gebruikt. Deze wordt ingedeeld in octaven.
   
   
3. Het verloop in de tijd
   Het verloop in de tijd kan vrijwel onveranderd of constant zijn, we spreken dan van een stationair geluid. De meeste geluiden veranderen na verloop van tijd omdat ze kort van duur zijn, of omdat de frequentie of de sterkte tijdens de aanwezigheid verandert. We spreken dan van een kortdurend, of van een in sterkte of frequentie variërend (fluctuerend) geluid.

9.2.4.3(2). Spraak

De techniek en signaalbehandeling in hoortoestellen is voornamelijk gericht op spraak. Spraak is opgebouwd vanuit een grondfrequentie die bepaald wordt door de periode van de sluiting en opening van de stembanden. Deze grondfrequentie of grondtoon heeft vele boventonen die selectief versterkt of onderdrukt worden in de keel- en mondholte met de lippen, samen het ‘aanzetstuk’ genoemd. Door het aanzetstuk van vorm te veranderen wordt de samenstelling van de frequenties in het geluid anders. Dit leidt tot de klankveranderingen die we in de spraak kennen als ‘articulatie’. Op elk moment kan de frequentiesamenstelling van het spraakgeluid zichtbaar gemaakt worden in een zogenaamd spectrogram (zie Hfdst.10.1.2(2), Par.4). Het spectrogram toont het tijdsverloop van de geluidssterkte van de verschillende frequenties.

Het bovenste gedeelte van Fig.1 geeft het tijdsverloop van de momentane geluidsdruk van twee korte zinnen weer.

In het onderste deel van Fig.1 is het spectrogram weergegeven. Rond tijdstip 0.75 s wordt de EE van WEET uitgesproken. Rond tijdstip 2.7 s wordt de AA van MAAR uitgesproken.

Het spraaksignaal als geheel is aan veranderingen onderhevig. Dat zijn allereerst variaties in geluidssterkte. Deze variaties in geluidssterkte kunnen zichtbaar gemaakt worden als het verloop van de momentane geluidssterkte van het spraaksignaal (Fig.2, onderste gedeelte).

Een meer impliciete beïnvloedingsmogelijkheid van het spraaksignaal is een verandering van de grondfrequentie van de spraak door de trillingsfrequentie van de stembanden te veranderen. De stemhoogte kan hoger of lager worden bijvoorbeeld onder invloed van emoties.

Voor het herkennen van een geluid als spraak is het allereerst nodig dat het spraakgeluid voldoende luid wordt gehoord om de karakteristieke veranderingen in sterkte waar te nemen. Het geluid moet dus in voldoende mate boven de waarnemingsdrempel van het desbetreffende oor uitkomen. Dit kan betekenen dat voor een niet goed functionerend gehoor het geluid versterkt moet worden. Om het als spraak herkende geluid ook te kunnen verstaan is een goed onderscheidingsvermogen (‘discriminatievermogen’) voor de frequenties in het geluid vereist. Voor een niet goed functionerend gehoor kan het dan nodig zijn het ene frequentiegebied méér te versterken dan het andere. In dit hoofdstuk wordt aandacht besteed aan de verschillende soorten signaalbehandeling van geluidssignalen zodat de gewenste aanpassingen gerealiseerd kunnen worden.

9.2.4.4(2). Analoge en digitale signalen

Geluid wordt door een microfoon omgezet in een analoog elektrisch signaal. De veranderingen van dit elektrische signaal verlopen continu in de tijd. Bij de moderne digitale signaalbewerkingen wordt dit analoge elektrische signaal op vaste tijdstippen bemonsterd (Engels: ‘sampling’). Per monster (‘sample’) wordt de amplitude van het signaal bepaald en omgezet in een binaire waarde, de ‘samplewaarde’. Het aantal malen per seconde dat een monster van het analoge signaal wordt genomen is de ‘samplefrequentie’. De samplefrequentie moet tenminste tweemaal hoger zijn dan de hoogste frequentie in het analoge signaal (Hfdst.9.2.5(2), Par.2).

Doordat het signaal wordt gerepresenteerd als binaire waarden, wordt de amplitude van het signaal in stappen weergegeven (= discrete amplitude). Het aantal bits van deze omzetting bepaalt de minimale stapgrootte en daarmee de nauwkeurigheid van de omzetting (Hfdst.9.2.5(2), Par.2).

Met deze werkwijze wordt een analoog signaal dus omgezet in een getallenreeks waar mee gerekend kan worden bijvoorbeeld met een getal vermenigvuldigd (versterkt) of door een getal gedeeld (verzwakt). In de digitale hoortoestellen wordt daarvan gebruik gemaakt.

9.2.4.5(2). Indeling van hoortoestellen op basis van de signaalbewerking

Op grond van de signaalbewerking zijn drie typen hoortoestellen te onderscheiden:

1. Analoge hoortoestellen
2. Hybride hoortoestellen (digitaal programmeerbaar)
3. Digitale hoortoestellen

1. Analoge hoortoestellen
   In analoge hoortoestellen worden analoge signalen in een analoog werkende versterker bewerkt. Het aantal regelorganen is beperkt. Ze zijn mechanisch van aard (trimmers, potentiometers en schakelaars).
   
   
2. Hybride hoortoestellen (digitaal programmeerbaar)
   In hybride hoortoestellen worden eveneens analoge signalen in een analoog werkende versterker bewerkt. Het aantal regelorganen kan echter groter zijn dan in het analoge hoortoestel en ze zijn voor de afregeling door de aanpasser digitaal van aard. Voor de gebruiker kunnen de regelorganen divers van aard zijn. Er zijn uitvoeringen met meerdere programma’s en met afstandbediening. In feite betreft het technologisch een combinatie van een analoge versterker met digitale schakelingen voor de besturing daarvan.
   
   
3. Digitale hoortoestellen
   Hierin wordt het analoge ingangssignaal omgezet in een digitaal signaal (getallenreeks). Een ‘Digitale Signaal Processor’ (DSP) bewerkt dit signaal. Voor de aanpasser zijn de regelorganen meestal digitaal. De regelorganen voor de gebruiker kunnen divers van aard zijn.
   Met deze techniek is een veel groter aantal instelparameters mogelijk. Bovendien komen nieuwe mogelijkheden voor signaalbewerking beschikbaar zoals:
   • Signaalanalyse, voor ruisonderdrukking
   • Feedback (rondfluit) onderdrukking
   • Scherpe filtering van het signaal, nodig bijvoorbeeld voor skisloop audiogrammen
   • Adaptieve richtinggevoeligheid
   • Spectrale opscherping

9.2.4.6(2). Verschillende vormen van versterkers

In de versterkers wordt het principe van de transistor toegepast. Een transistor bestaat uit drie lagen, de collector, de emittor en daar tussenin de basis. De elektrische polariteiten van collector en emittor zijn gelijk, positief of negatief, afhankelijk van het type transistor. De polariteit van de basis is tegengesteld. Het karakteristieke van de transistor is dat een kleine elektrische stroom tussen basis en emittor vele malen versterkt wordt weergegeven tussen collector en emittor (enkele honderd- tot enkele duizendtallen, aangegeven met de versterkingsfactor α).

In de hoortoestellen zijn twee soorten versterkers te onderscheiden, de ‘ingangsversterker’ en de ‘eindversterker’. De eindversterker bepaalt het elektrische uitgangsvermogen en dus de via het telefoontje maximaal af te geven geluidssterkte.

De eindversterkers worden in verschillende typen ingedeeld:

• Klasse A eindversterker,
• Klasse B eindversterker
• Klasse AB eindversterker
• Klasse D eindversterker.

• Klasse A eindversterker
  Dit type eindversterker bevat één transistor. De ruststroom is gelijk aan de helft van de maximaal te leveren stroom. Het ingangssignaal moduleert de elektrische uitgangsstroom die door de telefoon loopt en die omgezet wordt in geluid. Als voordelen zijn te noemen de eenvoudige schakeling en de geringe vervorming bij niet te grote ingangssignalen. Nadelenzijn het grote stroomverbruik (de ruststroom is relatief groot en dus ook het batterijverbruik) alsook de vervorming (clipping) bij grote ingangssignalen, omdat de stroom niet negatief kan worden.

• Klasse B eindversterker
  In dit type eindversterker wordt gebruik gemaakt van een balanseindtrap, bestaande uit twee transistoren. Bij afwezigheid van een ingangssignaal staan beide transistoren dicht. Als het ingangssignaal positief is gaat de positieve trap versterken en blijft de negatieve trap dichtgedrukt. Bij een negatief signaal is het omgekeerde het geval. Deze techniek wordt aangeduid als Push-Pull techniek. Als voordelen zijn te noemen het hoge maximale uitgangsvermogen, de kleine ruststroom en dus het lage batterijverbruik. Nadelen zijn de complexere schakeling en de vervorming die optreedt in het uitgangssignaal als de twee trappen niet naadloos op elkaar aansluiten (de ‘cross-over’ vervorming). In tegenstelling tot de peak-clipping vervorming tast de cross-over vervorming het spraakverstaan zeer ernstig aan.

• Klasse AB eindversterker
  Om het gevaar van de cross-over vervorming te reduceren is een zogenaamde AB eindversterker ontwikkeld. Hierin wordt de balanseindtrap zo ingesteld dat er kleine ruststromen door de twee collectoren lopen als het ingangssignaal 0 volt is. De tegengestelde elektrische stroompjes zullen het telefoonmembraan in de nulstand handhaven en bij toename van één van beide stroompjes zal het membraan vanuit die stand gaan bewegen, dus zonder cross-over vervorming. De voordelen ten opzichte van klasse A versterker zijn de kleinere ruststroom, het lagere batterij verbruik en het hoge maximale uitgangsvermogen waarnaast ten opzichte van de Klasse B versterker het gevaar van cross-over vervorming gereduceerd is. Nadelen zijn de complexere schakeling, waardoor het hoortoestel duurder wordt, en de wat grotere ruststroom dan in de klasse B versterker.

• Klasse D eindversterker
  In deze eindversterker wordt aan het ingangssignaal een heel hoogfrequent modulatiesignaal van rond de 100 kHz toegevoegd (Fig. 4).
  
  
  

  Fig.4. Voorbeeld van de werking van een klasse D versterker.

  Dit betekent dat de nuldoorgangen van het hoogfrequente gemoduleerde signaal verschoven komen te liggen, afhankelijk van de grootte van het ingangssignaal. Door vervolgens het gemoduleerde signaalsignaal te clippen gaat dat bestaan uit blokpulsjes die breder zijn op plaatsen waar het ingangssignaal groter was (pulsbreedte modulatie). De energie die de telefoon aangeboden krijgt is het gemiddelde van de blokpulsjes in een verschuivend tijdvenster.

  Als voordelen kunnen genoemd worden het nóg lagere stroomverbruik dan in de klasse B versterker, de lage vervorming bij normale ingangsniveaus en de toepasbaarheid in kleine hoortoestellen (CIC). Nadelen zijn de relatief hogere kosten, de hoge vervorming bij hogere ingangsniveau’s en daarmee dus ook het niet toepasbaar zijn in hoortoestellen die een groot uitgangsvermogen moeten leveren.

  Deze klasse D eindversterker bevat geen transistorschakeling maar CMOS-schakelaars, die worden bestuurd door het pulsbreedte gemoduleerde signaal. Daardoor wordt de batterijspanning met een frequentie van rond de 100 kHz afwisselend in positieve of negatieve richting aan de telefoonspoel aangeboden. Het analoge uitgangssignaal wordt in de vorm van elektrische pulsen naar de telefoon gestuurd. Door de zelfinductie van de telefoonspoel en de massatraagheid van het telefoonmembraan wordt de hoge frequentie niet weergegeven.

9.2.4.7(2). Verschillende typen filters

Vaak is het gewenst dat voor een slecht functionerend oor een hoortoestel het ene frequentie gebied meer versterkt dan het andere. Dit kan op verschillende manieren bereikt worden. Hierbij speelt een rol dat verschillende onderdelen van een hoortoestel geen geheel vlakke frequentiekarakteristiek hebben. Hiervan kan gebruik gemaakt worden. Te noemen zijn:

• De frequentiekarakteristiek van de microfoon
• De frequentiekarakteristiek van de telefoon
• Het toonbochtje of oorhaakje
• De lengte van het oorstukje in de gehoorgang
• De lengte en de diameter van het ontluchtingskanaaltje in het oorstukje
• De vorm van het geluidskanaaltje (diameter, lengte en hoorneffect).

Het vervolg van dit hoofdstuk behandelt de elektrische filters, die in hoortoestellen worden toegepast voor het variëren van de frequentiekarakteristiek. Deze elektrische filters zijn in te delen in passieve en actieve filters.

Afhankelijk van de werking zijn dan weer te onderscheiden:

• Laagdoorlaatfilters (Low Pass)
• Hoogdoorlaatfilters (High Pass)
• Banddoorlaatfilters (Band Pass)
• Bandstopfilters (Bandreject of Notch)

De te gebruiken componenten bij passieve filters zijn:

• Weerstanden al of niet in de vorm van potentiometers en trimmers
• Condensatoren.

Actieve filters bevatten daarnaast ook transistoren.

Fig.5 toont het gedrag van de in- en uitgangsspanning van een passief laagdoorlaatfilter. De uitgangsspanning over de condensator C kan niet instantaan variëren. De condensator C heeft tijd nodig voor het opladen resp. ontladen. Bij lage frequenties kan het uitgangssignaal de amplitudevariaties van het ingangssignaal nagenoeg volgen. Als de frequentie groter wordt, krijgt condensator C onvoldoende tijd om te worden opgeladen resp. ontladen en daalt de uitgangsspanning. Een condensator heeft een hogere impedantie voor lage frequenties dan voor hoge frequenties (Z_C = 1/2πfC). Een dergelijke combinatie van een condensator en een weerstand vormt een eerste orde laagdoorlaatfilter met een steilheid van -6 dB per octaaf.

Als de weerstand en de condensator in Fig.5 worden verwisseld, ontstaat een hoogdoorlaatfilter (Fig.6). Het werkgebied van de filtering (kantelfrequentie) kan ingesteld worden door het regelen van de grootte van beide onderdelen. Voor een laag- of hoogdoorlaatfilter is de kantelfrequentie f_k = 1/2πRC.

De filters kunnen in serie geschakeld worden. Daarbij geldt dat elk filter een verzwakking van 6 dB kan bewerkstelligen (2^e orde filter 12dB/octaaf, 3^e orde filter 18 dB/octaaf). Met een combinatie van een laag- en een hoogdoorlaatfilter is zowel een banddoorlaat als een bandstop filter te construeren.

Het is nuttig passief en actief filteren te vergelijken. Bij passief filteren kan gewerkt worden met een eenvoudige schakeling en is er geen stroomverbruik. Als nadeel geldt dat de filterhelling vast ligt en dat steile hellingen moeilijk te realiseren zijn. Actief filteren heeft als voordelen dat de filtersteilheid naar wens kan worden gerealiseerd tot grote steilheid en dat er complexere frequentieregelingen mogelijk zijn. Een nadeel daarvan is dat meerdere transistoren vereist zijn die enige stroom verbruiken. In moderne analoge hoortoestellen worden alleen actieve filters toegepast.

Filters beïnvloeden niet alleen de frequentiekarakteristiek van het hoortoestel maar ook het faseverschil tussen het in- en uitgangssignaal. Dit kan tot fase vervorming leiden (zie Par.10 van dit hoofdstuk).

De uiteindelijke frequentiekarakteristiek van een hoortoestel is de productfunctie van de frequentiekarakteristieken van microfoon, versterker met filter, en de telefoon. Omdat deze karakteristieken in de (logaritmische) decibel eenheid zijn weergegeven, betekent het weergeven van dit product dat de karakteristieken moeten worden opgeteld (Fig.7). Het meest grillig blijkt de karakteristiek van de telefoon (in combinatie met de oorhaak, slang en oorstukje ) te zijn door de daarin optredende resonanties. De telefoon is ook de oorzaak van de afval boven 5000 Hz.

De frequentiekarakteristiek van een hoortoestel kan met diverse filters worden beïnvloed. Zo kan in meer-bands hoortoestellen vrijwel elke gewenste frequentiekarakteristiek worden ingesteld (Fig.8).

9.2.4.8(2). Begrenzingsystemen

Het maximale uitgangsniveau van een hoortoestel is uiteraard aan beperkingen onderhevig. Factoren daarbij zijn bijvoorbeeld de maximale geluidssterkte die de telefoon (onvervormd) kan afgeven maar ook de maximale stroomsterkte die de versterker kan produceren en de maximale stroom die de batterij kan leveren. De microfoon zal zelden de beperkende factor zijn.

Meestal is niet de technische begrenzing van de geluidssterkte van een hoortoestel het punt van aandacht maar de drempel van onaangename luidheid van het te ondersteunen oor. Een veilige methode is begrenzing door peak-clipping. Dit houdt in dat de signaalsterkte die de versterker maximaal af mag geven beperkt wordt door een regelbare weerstand (een trimmer). Bij het bereiken van het ingestelde maximale uitgangsniveau snijdt de versterker verdere signaaltoename af. Dit veroorzaakt vervorming die het spraakverstaan kan aantasten. De begrenzing werkt direct zonder in- of uitregeltijd en het hoortoestel behoudt de maximale lineariteit in het toegestane dynamische bereik (Fig. 9).

Het feit dat een eerst (te veel) versterkt signaal vervolgens wordt begrensd zonder dat dit effect heeft op de mate van versterking is uiteraard niet zo efficiënt en zeker niet ideaal. Een mooiere methode is de versterking afhankelijk te maken van de grootte van het ingangssignaal: zwakke signalen meer en sterkere signalen minder versterken. Dit heet ‘compressie’. Bij compressieregelingen zijn vier aspecten te onderscheiden:

• Statische eigenschappen
• Dynamische eigenschappen
• In- en uitgangsafhankelijkheid (AGC-i en AGC-o).
• Frequentieafhankelijkheid
  

• Statische eigenschappen
  Bij instellen van de statische eigenschappen van een hoortoestel een grenswaarde van het ingangssignaal of uitgangssignaal ingesteld (het kniepunt) waaronder het hoortoestel lineair versterkt maar als het signaal die grenswaarde overschrijdt wordt de versterkingsfactor geleidelijk kleiner gemaakt. Dit betekent dat de dynamiek van het signaal iets wordt verkleind. Dit blijft zo tot het niveau waarop het uitgangsniveau wordt gelimiteerd door het ingestelde peak-clip niveau of door de stroom die de versterker maximaal kan leveren. De mate van compressie wordt aangegeven met de compressie verhouding CR = ΔIn/ΔOut. In veel hoortoestellen is zowel het kniepunt als de compressie verhouding instelbaar.
  

• Dynamische eigenschappen
  De variatie van de versterking wordt gerealiseerd d.m.v. een terugkoppelingsregeling (‘feedback’). Uit het uitgangssignaal van de versterker wordt een regelspanning V_regelafgeleid. Deze regelspanning regelt de mate van versterking. Een klein ingangssignaal leidt ook ná versterking tot een lage regelspanning en daarmee een maximale versterking. Een groter ingangssignaal leidt tot een groter uitgangssignaal en daarmee tot een grotere regelspanning die de versterking vervolgens wat reduceert.
  
  Het moge duidelijk zijn dat dit proces (een terugkoppel of feedback proces) even tijd neemt. Dit heet de ‘inregeltijd’. of ‘attack-time’. Net zo zal het proces ook even naijlen als het ingangssignaal plotseling afneemt. Dit is de ‘uitregeltijd’ of ‘release-time’. De inregeltijd is over het algemeen heel kort (enkele milliseconden) en de uitregeltijd langer (tientallen tot duizenden milliseconden).
  
  Er zijn compressieregelingen met een variabele uitregeltijd (‘adaptieve’ release-time). De uitregeltijd is dan afhankelijk van de periode waarover de regeling geactiveerd is geweest. Bij korte geluidspieken is de uitregeltijd dan kort en bij langduriger hoge niveaus langer. Dit is bij spraak belangrijk. Bij een vaste uitregeltijd kan een kort hard geluid de daarop volgende (zachte) spraakklanken geheel onhoorbaar maken. Bij een adaptieve uitregeltijd is na een korte klik de uitregeltijd kort en de volgende (zachte) spraakklank wordt dan nauwelijks gecomprimeerd.
  
  Als bij spraak de pauzes in het spraaksignaal langer duren dan de uitregeltijd van de compressieregeling gaat deze functie telkens in- en uitregelen. Het stoorlawaai in de pauzes wordt daardoor versterkt en het spraakverstaan neemt af. Het wordt waargenomen alsof de versterking continu varieert. Met een variabele uitregeltijd is dit te voorkomen.
  
  Bij een plotselinge zeer grote geluidstoename, zoals een harde knal, kan een compressie schakeling te traag zijn om een korte harde uitschieter van het uitgangssignaal te voorkomen (overshoot). Het is daarom wenselijk een peak-clipping faciliteit als veiligheid achter de compressieschakeling in het hoortoestel beschikbaar te hebben.
  

• In- en uitgangsafhankelijkheid
  Een compressieregeling kan op twee plaatsen in het hoortoestel worden geplaatst, vóór de volumeregelaar of áchter de volumeregelaar. Dit houdt in dat de regeling gestuurd wordt door respectievelijk het ingangssignaal (AGC-i) of het uitgangssignaal (AGC-o).Bij de regeling op ingangsniveau (AGC-i) blijft het compressiekniepunt op het zelfde ingangsniveau liggen, onafhankelijk van de stand van de volumeregelaar. Bij de regeling op het uitgangsniveau (AGC-o) blijft het compressiekniepunt bij variatie van de stand van de volumeregelaar op het zelfde uitgangsniveau liggen (Fig. 10). De AGC-i regeling heeft voordelen als de gehoordrempel varieert, zoals bij Ménière patiënten.
  
  
  

  Fig.10. Invloed van de volumeregelaarstand bij een AGC-i en een AGC-o hoortoestel.

  Het spraakverstaan kan beïnvloed worden door de regeltijden van de compressieschakeling. Een snelle compressieregeling kan een uitregeltijd hebben die korter is dan de snelheid waarmee het niveau van de spraakklanken verandert. Als een krachtige spraakklank wordt uitgesproken en het ingangssignaal abrupt toeneemt, zal de versterker dit doorgeven maar na even begint de compressie te werken en daalt het uitgangsniveau, alhoewel het ingangsniveau onveranderd blijft. Als vervolgens het ingangsniveau gaat dalen blijft de compressie schakeling nog even werken en dus wordt het afgenomen ingangssignaal in eerste instantie relatief weinig versterkt tot de tijdsduur van de uitregeltijd gepasseerd is en de versterking gaat dan toenemen terwijl op dat moment het ingangssignaal niet toeneemt. Kortom er kan een vervormde weergave van het ingangssignaal optreden als de regeltijden niet goed gekozen worden in relatie tot de variatietijden in het ingangssignaal.

  Een snelle compressieregeling zal de dynamiek van de spraak (iets) reduceren en een trage compressieregeling zal bij snel variërende (spraak)signalen het hoortoestel als bijna lineair laten functioneren. De dynamiek van spraak wordt er dan nauwelijks door aangepast.

  Bij compressieregelingen zijn dus enkele keuzen mogelijk:

  • De snelheid van in- en uitregeltijd
  • Het compressiekniepunt
  • De compressieverhouding
  • De plaats van de regeling in het hoortoestel: AGC-i en AGC-o
    
    

  Deze mogelijkheden zijn in verschillende combinaties gerealiseerd. We bespreken er drie:

  1. Automatische Volume (Gain) Controle: AVC of AGC
  Kenmerken van Automatische Volume (Gain) Controle zijn:

  • Lange regeltijden: in 10 tot 50 msec, uit 150 tot 5000 msec
  • Laag compressiekniepunt < 65 dB SPL ingangsniveau
  • Beperkte compressieverhouding 2 tot 4
  • Realisatie zowel als AGC-i als AGC-o
    
    

  De schakeling is geschikt om in wisselende akoestische omstandigheden het (spraak)geluid binnen het dynamisch bereik van het te ondersteunen oor te houden. De normale luidheidopbouw wordt zoveel mogelijk gehandhaafd met behoud van de dynamiek van de spraak. Gebruik van de volumeregelaar is niet of nauwelijks nodig. De schakeling wordt vaak aangeduid met WDRC: ‘Wide Dynamic Range Compressie’, waarbij het kniepunt veelal onder de 40 dB_SPL ingangsniveau gekozen is.

  2. Compressie Limiting: CL
  Kenmerken van Compressie Limiting zijn:

  • Korte regeltijden: in < 5 msec, uit 50 tot 100 msec
  • Hoog compressiekniepunt (> 80 dB_SPL ingangsniveau)
  • Hoge compressieverhouding (> 5)
  • Realisatie als AGC-o
    
    

  De schakeling wordt toegepast om het uitgangssignaal te begrenzen zoals bij peak-clipping maar dan zonder vervorming. Bij zachte en normale ingangsniveaus werkt de schakeling lineair.
  Bij eerste aanpassingen kan de regeling ook gebruikt worden om de slechthorende geleidelijk te laten wennen aan hardere geluiden door het kniepunt geleidelijk wat te verhogen.

  3. Syllabische Compressie: SC
  Kenmerken van Syllabische Compressie zijn:

  • Korte regeltijden: in < 5 msec, uit 10 tot 50 msec
  • Laag compressiekniepunt < 60 dB_SPL ingangsniveau
  • Beperkte compressieverhouding 2 tot 4
  • Realisatie als AGC-i
    
    

  De schakeling vermindert de dynamiek van het (spraak)ingangssignaal. Dit kan voor slechthorenden met recruitment gewenst zijn. Het spraakverstaan wordt ondersteund door het accentueren van zachte fonemen.

• Frequentie-afhankelijke compressie
  Een compressieregeling kan voor verschillende frequenties andere effecten hebben. Dat kan bewust ontworpen zijn of een ongewenst bijeffect zijn van in het hoortoestel toegepaste filters. Aan de ingang van het hoortoestel kan een hoogdoorlaatfilter worden toegepast als préfilter. De lage frequenties worden dan verzwakt doorgegeven aan de compressieregeling. Bij meting van de frequentie karakteristieken met een glijdende zuivere toon (‘zwieptoon’) zullen, bij hogere ingangsniveaus, de hogere frequenties het kniepunt van de compressieregeling eerder overschrijden dan de (verzwakte) lagere frequenties. Daardoor worden de hogere frequenties vanaf een lager ingangsniveau gecomprimeerd dan de lagere frequenties.
  
  Bij een bandfilter aan de ingang geldt hetzelfde, zowel voor de lage als de hoge tonen die in eerste instantie verzwakt waren door het pré(band)filter. Dit wordt het ‘Ballooning effect’ genoemd. Als het ingangssignaal niet een glijdende zuivere toon is maar een breedbandig signaal zal het totale signaalniveau de compressieregeling activeren. Die werkt dan in gelijke mate voor alle frequenties. Het “Ballooning-effect” treedt daarbij niet op.
  
  Nu kan ook in de terugkoppellus van de compressieregeling een filter worden geplaatst. Een hoogdoorlaatfilter zal dan bewerkstelligen dat lage frequenties pas bij grotere uitgangniveaus de regeling activeren en het uitgangssignaal zal dus relatief meer laag gaan bevatten. Het overeenkomstige geldt bij toepassing van een laagdoorlaatfilter in de terugkoppellus dan worden de hoge frequenties bevoordeeld.
  
  Een andere methode om de compressieregeling frequentieafhankelijk te maken is het opsplitsen van het ingangssignaal in meerdere frequentiebanden. In de afzonderlijke frequentiebanden kunnen dan compressieregelingen worden toegepast met eigen instellingen (b.v. AVC of CL of SC). Bij toepassing van afzonderlijke compressieregeling in verschillende frequentiebanden, spreken we van (compressie) kanalen.

9.2.4.9(2). Niet-lineaire hoortoestellen

Een hoortoestel met een constante versterking over een groot bereik van het ingangssignaal wordt lineair genoemd. Compressiehoortoestellen zijn dus niet-lineair. Zij worden ook ASP (Automatic Signal Processing) hoortoestellen genoemd. In deze categorie zijn diverse soorten te onderscheiden:

• Fixed Frequency Response hoortoestellen
  In deze hoortoestellen is de frequentiekarakteristiek niet afhankelijk van de compressieregeling. Besproken zijn al de CL (Compression Limiting) en de WDRC (Wide Dynamic Range Compression) hoortoestellen.

• Level Dependent Frequency Response hoortoestellen
  Bij deze hoortoestellen is de frequentiekarakteristiek afhankelijk van de signaalsterkte en verandert dus met het uitgangsniveau. Voorbeelden:
  • BILL: ‘Bass Increases at Low Levels’. Dit betreft méér lage tonenversterking bij lage ingangsniveaus. Bij hogere ingangsniveaus krijgt het hoortoestel een meer hoge-tonen karakter. Dit kan gunstig zijn bij toename van laagfrequent achtergrondlawaai.
  • TILL: ‘Treble Increases at Low Levels’. Dit betreft méér hoge tonenversterking bij lagere ingangsniveaus. Bij hogere ingangsniveaus wordt de extra versterking van de hoge tonen minder. Dat kan gunstig zijn voor oren met een hogetonenverlies gepaard met recruitment.
  • PILL: ‘Programmable Increase at Low Levels’. Dit is een combinatie van BILL en TILL regelingen. Hier is, indien gewenst, extra lage of hoge tonen versterking bij lagere ingangsniveaus te bewerkstelligen.

9.2.4.10(2). Vervorming

We spreken van vervorming in de weergave als de vorm van het uitgangssignaal niet gelijk is aan de vorm van het ingangssignaal. Vervorming kan leiden tot vermindering van spraakverstaan, tot een minder goede klank van het hoortoestel en wellicht mede door deze verschijnselen tot hinder, irritatie en vermoeidheid.

Er zijn verschillende typen vervorming te onderscheiden:

• Lineaire vervorming
• Niet-lineaire vervorming:
  • Harmonische vervorming
  • Intermodulatie vervorming
  • Fase vervorming
  • Transiënte vervorming
• Ruis

• Lineaire vervorming
  We spreken van lineaire vervorming als de frequentiekarakteristiek van een hoortoestel niet geheel vlak is. In feite is dit nooit het geval omdat de microfoon en telefoon geen echt vlakke frequentiekarakteristiek hebben. Met een toonregeling wordt welbewust voor een lineaire vervorming gekozen. Pieken in de frequentiekarakteristiek moeten vermeden worden omdat hierdoor de klankweergave aangetast wordt.
  
  
• Harmonische vervorming
  Bij het aanbieden van een zuivere toon kan het voorkomen dat niet alleen de aangeboden frequentie maar ook hogere harmonischen worden weergegeven. Men spreekt dan van harmonische vervorming. In hoortoestellen zijn het met name de tweede en derde harmonischen die problemen veroorzaken want hogere harmonischen worden nauwelijks weergegeven. De even harmonischen zijn minder hinderlijk dan de oneven harmonischen. De hinder is groter bij muziek luisteren dan bij spraakverstaan. Deze vervorming is waarneembaar vanaf 2% en wordt hinderlijk vanaf 10%.
  
  
• Intermodulatie vervorming
  Als twee zuivere tonen f1 en f2 worden aangeboden kan het uitgangssignaal naast deze twee frequenties ook combinaties bevatten zoals f1 + f2; f1 – f2; 2f1 – f2; 2f2 – f1, etc.
  Wanneer dit optreedt wordt van intermodulatie vervorming of mengtoon vervorming gesproken. Deze vervorming is hinderlijker dan harmonische vervorming en wordt waarneembaar vanaf 1% en is nog acceptabel bij 2%.
  
  
• Fase vervorming
  Door tijdvertragingen kunnen ingangs- en uitgangssignaal van een hoortoestel in fase verschillen. De invloed daarvan op het spraakverstaan is niet bekend, maar het kan effect hebben bij richtinghoren als slechts op één oor een hoortoestel gebruikt wordt en mogelijk ook bij tweezijdige aanpassingen met niet identieke hoortoestellen.
  
  
• Transiënte vervorming
  Deze vervorming kan optreden bij een plotselinge sterkte verandering in het aangeboden signaal die niet instantaan en onvervormd door de membranen van microfoon en telefoon en door de elektronica kan worden weergegeven. Een microfoon gaat problemen geven bij ingangssignalen vanaf 100 dB_SPL. Een batterij zal bij grote uitgangssignalen problemen kunnen krijgen met de energieafgifte. Transiënte vervorming ontstaat ook door in- en uitregelverschijnselen van een compressieregeling. Ook in versterkers kan door de karakteristiek van de transistoren en bij balans eindtrappen (klasse B versterker met Cross-over verschijnselen) transiënte vervorming optreden.
  
  
• Ruis
  De ideale versterker voegt niets toe aan het ingangssignaal maar elke versterker en elektronische schakeling heeft enige eigen ruis. Dit geldt ook voor de microfoon met voorversterker (microfoonruis = circa 25 dB_A). De thermische bewegingen van de elektronen veroorzaken een ruis die minder effect heeft als de signaalsterkte groter wordt. In een hoortoestel dient vooral de voorversterker ruisarm te zijn.

Auteurs

Walstra

Revisie

2007