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第14章 助听器的声学处理技术(2)

这样,对于听阈为50dB的感音神经性聋患者,若放大25dB,小声觉得舒适,中声已觉得响;对于听阈为70dB的感音神经性聋患者,若放大30dB,小声觉得较轻,中声已觉得太响。动态范围并未放大,而且大声时的失真也很大。

为了提高感音神经性聋的动态范围,保证助听器能适应各种声学环境,压缩放大技术被采用了。压缩放大就是对小声放大倍数大,对大声放大倍数小,把有用的信号压缩到耳聋患者变窄的动态范围中。它将整个言语动态范围按比例均匀地压缩到患者的动态范围内。宽动态压缩的拐点有两个:模拟助听器的压缩阈值一般可以从45dB开始,数字助听器的压缩阈值一般可以从30dB开始。

2.宽动态压缩与压缩限幅的比较

在大输入声时,宽动态压缩与压缩限幅区别不大;在小输入声时,宽动态压缩由于压缩阈值较低,比压缩限幅具有更大增益,因而一般情况下有更好的言语可懂度。

由于宽动态压缩在中声时输出较小,对听力损失较重的患者来说,他们更喜欢中声时输出较大的压缩限幅。

5.3.3压缩技术特性

1.静态压缩特性

静态压缩特性是指与时间无关的参数,即压缩阈值、压缩范围、压缩比率,这些参数体现在输入-输出曲线和输入-增益曲线。

(1)增益

由于增益随着输入声强度的变化而变化,为避免电路饱和,一般以50dBSPL输入声压级来测量增益。为了更好地描述压缩电路的增益特性,ANSI‐1987使用输入-输出曲线,ANSI‐1992及IEC118‐2使用一组在不同声压级下测得的增益频响曲线。输入在40dBSPL以下,增益为44dB;输入为60dBSPL,增益为35dB;输入为80dBSPL,增益为26dB。

(2)压缩阈值

压缩阈值(CK)是指助听器从线性放大刚转入压缩放大时的输入声压级,称为“拐点”。

(3)压缩范围

压缩发生的输入范围称为压缩范围,即压缩上限减去压缩阈值。

(4)压缩比率

在压缩状态下,压缩比率(CR)=Δ输入声压级/Δ输出声压级。

2.动态压缩特性

压缩电路通过反馈环路来监测信号的电压或电流,判别信号是否超过压缩阈值,从而决定助听器是否应进入压缩放大状态。

压缩电路工作状态的启动与恢复都需要时间,称为启动时间与恢复时间。

(1)启动时间

启动时间也称上升时间,IEC118‐2中定义为:当输入信号声压级突然增加到所规定的分贝数的瞬间,到助听器输出声压稳定在已提高后的稳态声压级,其偏差在±2dB内的瞬间的时间间隔。它反映了压缩电路对信号强度增加的反应速度。

(2)恢复时间

在IEC118‐2中,将恢复时间定义为:当输入信号从规定的声压级突然降低到较低声压级的瞬间,到助听器输出声压再次稳定到较低的稳态声压级,其偏差在±2dB内的瞬间的时间间隔。

它反映了压缩电路对信号强度降低的反应速度。

(3)压缩启动时间与恢复时间的设定

如何设定启动时间与恢复时间,一直是听力学研究人员与助听器厂家所探讨的问题。经过长时间的研究,大多数学者认为快压缩(5~10ms的启动时间)是一个较佳的选择。

然而恢复时间长短的优劣,加上信号的千变万化,目前尚无一种最佳的选择。下面进行详细讨论。

1)长恢复时间

当音节中包含一个元音和一个辅音,同时元音与辅音的时间间隔很短,只有几十毫秒时,因元音的声压级较高,辅音的声压级较低,压缩助听器对元音起压缩放大作用。如果恢复时间大于元音与辅音的时间间隔,则对辅音仍采用压缩放大,那就会导致放大后的辅音无法听见,从而导致言语分辨率的下降,比线性放大助听器还差。而采用短恢复时间,压缩助听器对元音采取压缩放大,对辅音采取线性放大,因线性放大的放大倍数较高,元音与辅音均能听得清楚,言语分辨率得以提高。但是,压缩助听器输出的元音与辅音声压级差值较输入时小,有可能导致某些言语声的可懂度下降。长恢复时间适用于短时程、高强度信号,一般大于50ms。

2)短恢复时间

当音节间隔时间较长时,压缩助听器对元音压缩放大后,很快恢复为线性放大状态。一般来讲,此时的增益较线性放大助听器为大,那么原来听不到的音节间的语音基底信号,恰好被听到,感觉像呼吸声或噪声等。解决的办法有两种:一是降低总体增益,二是增加恢复时间。临床上,一般助听器的启动时间与恢复时间不可调,那只有降低总体增益。短恢复时间适用于长时程、中等强度信号,一般小于50ms。

3)自适应恢复时间

因恢复时间的长短在各种环境下各有优缺点,为了求得更佳的压缩效果,自适应恢复时间随之诞生了。它的恢复时间随输入信号强度、时程的变化而变化。日常生活中多数声信号需要长恢复时间。

3.有效压缩比率

影响有效压缩比率的因素很多,如线性放大区域的增益、输入信号中的峰-谷比、输入信号的平均声压级、启动时间与恢复时间、峰信号的间隔等。静态压缩比的测试是以纯音信号为基础的,纯音信号是一种稳定的信号,但言语信号与纯音信号不同,在强度上有波动起伏,所以在现实生活中不一定都能体现静态压缩所显示的增益的改变。一般来讲,对言语信号产生的压缩比会小于按照纯音信号定义产生的压缩比。这使得有效压缩比率与静态压缩比率不同,即便是自适应恢复时间的压缩电路也如此。市场调查表明,自适应恢复时间的有效压缩比率接近于1。这与日常生活中多数声信号需要长恢复时间有关。

4.峰值探测与平均探测

所有的压缩系统都需要有强度探测器,一般有峰值探测和平均探测等方法,用于探测聆听者周围的环境并调整系统的增益。强度探测电路一般通过测试变化的电压来改变增益,它通常包括信号整流及平滑。系统的起效和恢复时间与这种平滑有关。上面讲的启动时间与恢复时间的探测器均是峰值探测器,启动时间与恢复时间是根据信号的峰值作出反应的。现在部分助听器使用了平均探测器,它是对信号幅值的均方根值作出反应。使用峰值探测的压缩放大电路,由于对起伏比较大的信号(如言语信号),增益变化很快,因而经峰值探测压缩放大后的输出信号起伏就较小,从而降低了言语理解能力。而使用平均探测的压缩电路,由于对起伏比较大的信号(如言语信号),增益变化较慢,因而经平均探测压缩放大后的输出信号起伏就较大,与输入声信号类似,从而有利于言语理解能力的提高。在平均探测电路中,有探测到信号的均方根值所产生的控制电压,它通过阻容低通滤波器探测到的电压来完成。它的起效和释放时间并不彼此独立,与平滑电路的部分参数有关。

迄今为止,平均探测在压缩电路中是一种较好的探测方式。

5.3.4多通道压缩

由于听力损失曲线的多样性,单通道压缩很难准确地匹配患者各频率的听力损失,而多通道压缩具有更强的针对性。

单通道压缩中只要信号整个频率范围中的某个频率的强度超过压缩阈值,压缩放大即启动,信号中不同频率分量的响度差不变。多通道压缩把信号分成几个频带,当某个频带的强度超过压缩阈值,该通道的压缩被启动,而其他频带的信号仍为线性放大。因此,该频带信号与其他频带信号的强度差被改变。因此,多通道压缩当设置不当时,言语可懂度比单通道压缩更差。

5.3.5压缩电路中的滤波器

在压缩助听器中,滤波器可根据滤波器在压缩电路中所处的位置分为前滤波器、后滤波器、内滤波器三种形式。

1.前滤波器

前滤波器处于反馈环路之前,它的频率响应特性可影响反馈环路的启动。如果滤波器是高通滤波器,由于低频被衰减,输入声要达到较高的水平压缩才启动。因此,低频的压缩阈值提高了,高频的压缩阈值不变。

2.后滤波器

后滤波器处于反馈环路之后,它的频率响应特性不会影响反馈环路的启动。高低频的压缩阈值均不会变化。

3.内滤波器

内滤波器处于反馈环路之中,只有在反馈环路启动时,它才会起作用。它实际的压缩阈值同前滤波器。

由此可见,滤波器在压缩电路中所处的位置不同,不可避免地导致助听器压缩特性的变化,从而影响助听器的输入输出特性。因此,助听器实际的动态特性不能依赖于助听器技术指标中给出的输入输出特性,而需要在多个输入声强下,测出一组输入输出曲线,才能了解助听器的动态特性。

5.3.6压缩技术放大助听器的优缺点与适用性

1.压缩放大助听器的优点

压缩放大助听器的优点包括:

①压缩放大助听器最大的优点是佩戴舒适。它避免了线性放大助听器在大声时的不适,同时也减小了线性放大助听器在大声时谐波失真,患者更愿意使用。

②压缩放大助听器比线性放大助听器在中小声时具有更大的增益,言语可懂度提高了。线性放大助听器为了避免大声时的不适,被迫降低增益,包含言语信号的中小声的增益也被降低到了所需的增益以下。而压缩放大助听器在小、中、大声时的增益可灵活调节,适合患者,言语可懂度自然比线性放大助听器大。这在临床上已得到证实。

2.压缩放大助听器的缺点

压缩放大助听器的缺点包括:

①压缩放大助听器虽然谐波失真较小,但却改变了波形,带来了另一种失真,特别是当压缩阈值设置不当时。线性放大助听器虽然在大声时失真较大,但在中小声时失真却很小,不会应压缩产生信号变形而降低言语可懂度。

②压缩放大助听器的输出较小。对重度耳聋患者来讲,一般更喜欢线性放大助听器的高输出的音质。

③目前,数字助听器采用其他方式降低噪声,以提高信噪比。

3.压缩放大助听器的适用性

压缩放大助听器的适用性包括:

①压缩限幅更适用于重度耳聋患者或习惯于线性放大助听器音质的患者。

②宽动态压缩助听器对轻中度耳聋患者较合适。

③宽动态压缩结合压缩限幅和削峰效果更好。对中小声采用宽动态压缩,对大声(一般指80dB以上)采用压缩限幅,对100dB以上的噪声则采用削峰或数字削峰。

5.4移频助听技术

移频助听技术是指将言语信号中一定带宽的高频部分移至低频部分的技术,适用于高频有耳蜗死区的患者。

5.4.1传统助听器的缺陷及产生原因

1.传统助听器的缺陷

言语理解指数(SII)显示在日常的交流中27%的重要信息分布于3150Hz以上,即使是无意义的语音内容,高频部分的信息也可高达31%(1997)。以/s/音为例,/s/音的最低谱峰由于发音者的性别差异,通常分布在2900Hz到8900Hz间。因此,若中重度听力损失人士希望高质量地听辨/s/音,那么其所选配的助听器必须在5000Hz至9000Hz间给予较高的听力补偿,而事实上该需求完全超过了传统助听器所能提供的频宽。

2.导致传统助听器存在缺陷的原因

导致传统助听器存在缺陷的原因包括:

(1)助听器的放大局限性

通常而言,传统助听器的信号处理是采用振幅压缩放大原理的,而采用该原理的助听器振幅放大量和频带宽度往往会受到麦克风以及受话器性能的限制,导致助听器的高频增益输出尤其是2000Hz以上的增益输出量受限。

(2)辅音信号的声学物理特性

就辅音信号的声学物理特性而言,清辅音中绝大部分的中心频率位于4000Hz以上,其中超过35%的重要言语信息分布在2000Hz以上的频谱范围之内。而日常主要声音信号的声强范围则在5dBHL至40dBHL之间,平均为30dBHL。因此,一旦听障人士4000Hz以上的听力损失超过60dB时,按1/3补偿原则,其只有获得至少20dB以上的高频增益才可能有效地感知高频辅音。而事实上,传统助听器在4000Hz以上频率产生20dB的增益几乎是不可能的。另外,即使助听器能够在物理能量上补偿高频听力损失部分所需的增益量,但若听觉系统并不能得益于这些放大信号或是整体信噪比依然偏低,那么助听器佩戴者言语理解能力的改善仍是一项难题。

(3)声学中向上掩蔽特性的影响

向上掩蔽是声谱信号中低频信号更易对高频信号产生掩蔽作用的声学物理现象,同时由于语言音素中元音的声谱多数分布在低频,辅音的声谱则多数分布在高频,因此,如果助听器仅在中低频段有足够的增益而高频段增益不足,就会导致输出信号中的元音对辅音产生掩蔽。国外研究同样证明,当听障人士的高频听力损失超过70dB时,传统助听器的输出是不足以满足其对言语辨别的需求的。

在很多时候,传统助听器的调试是通过不断放大高频增益,以期能够满足听障人士对高频的需求的,然而事实上经临床观察研究发现,听障人士的高频听力损失一旦超过70dB,即意味着其高频频段的内耳毛细胞功能已几乎损失殆尽。因此,盲目地追求高频信号的放大,不仅无法改善听障人士的言语听辨能力,反而会产生严重的失真、不舒适感以及反馈啸叫等其他负面影响。

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