Введение
Снижение слуха является актуальной проблемой в современном обществе. Учитывая постоянное шумовое загрязнение в городах, Всемирная организация здравоохранения прогнозирует, что к 2020 году более 450 миллионов человек в мире будут страдать от умеренных или тяжелых нарушений слуха.
Принципы построения цифровых слуховых аппаратов
Современные слуховые аппараты – сложные цифровые устройства с собственными специализированными процессорами, микрофонами и динамиками. Миниатюризация всех компонентов позволяет создавать небольшие слуховые аппараты – от носимых (карманных) до внутриушных и внутриканальных. Все специализированные устройства обладают примерно одинаковым функционалом и построены на аналогичных принципах.
Основные функции слуховых аппаратов:
- частотно-зависимое усиление;
- компрессия;
- фильтрация и шумоподавление;
- подавление акустической обратной связи.
Параметры СА подбираются индивидуально в зависимости от характера снижения слуха пользователя. Диагностика и определение требуемых параметров проводятся в том числе методом аудиометрии, при которой в звукоизолированных помещениях с использованием специального оборудования пользователю воспроизводятся тональные сигналы определенных частот и фиксируется порог восприятия каждого сигнала. Таким образом формируется аудиограмма для каждого уха, где каждой частоте соответствует значение порога слышимости. В зависимости от величины падения слуха различают степени тугоухости от I до IV.
Аудиограмма позволяет выполнить расчет необходимого (целевого) усиления и выходной мощности, обеспечивающих максимально комфортное для пользователя звучание.
Усиление – увеличение громкости выбранных частот, выполняемое по различным алгоритмам (методам): Berger (Berger et Al), POGO (Prescription Of Gain and Output – предписание усиления и выхода) и NAL-R (National Acoustic Laboratories, Australia – Национальные акустические лаборатории Австралии). Слуховые аппараты реализуют один из алгоритмов, соответствующие коэффициенты усиления настраиваются специалистом – аудиологом в соответствии с параметрами снижения слуха пользователя.
Акустическим усилением называется разность между выходным уровнем звукового давления, создаваемого слуховым аппаратом в имитаторе уха и входным уровнем звукового давления, измеренным в тестовой точке. Величина максимального акустического усиления определяет применимость СА к различным степеням потери слуха.
Компрессия – процесс выравнивания громкости звука в аппарате таким образом, чтобы тихие звуки усиливались в соответствии с заданными параметрами, а громкие оставались на прежнем уровне (без усиления). Таким образом слух предохраняется от усиления громких звуков до неприемлемых значений. Алгоритмы компрессии реализуются только в топовых моделях слуховых аппаратов.
Одним из недостатков компактных и миниатюрных СА является возникающая в них акустическая обратная связь – прием микрофоном аппарата и усиление звука, исходящего из динамика самого аппарата. Для подавления этого эффекта в слуховых аппаратах используются специальные фильтры и алгоритмы, усложняющие процесс обработки звука.
Важными параметрами любого СА являются частота дискретизации и задержка обработки сигнала. Частота дискретизации определяет полосу пропускания аппарата, чем выше частота дискретизации – тем больший диапазон звуков доступен пользователю. В современных цифровых СА полоса пропускания составляет около 10 кГц, так как повышение частоты дискретизации требует больших вычислительных ресурсов и, соответственно, приводит к повышенному энергопотреблению, и разработчикам СА всегда приходится выбирать - увеличивать полосу пропускания или экономить ресурс батарей слухового аппарата.
Задержка обработки сигнала складывается из продолжительности всех этапов обработки звука в СА. Слишком высокая временная задержка приводит к окрашиванию звука собственного голоса. Таким образом, чем меньше задержка обработки сигнала, тем комфортнее звук аппарата для пользователя.
Для обработки используются банки фильтров анализа (БФА) и синтеза (БФС), производится подавление акустической обратной связи, при этом параметры усиления и компрессии подбираются и настраиваются по результатам аудиометрии пользователя.
Реализация принципов построения СА в приложении для смартфонов
Современные мобильные мультимедийные устройства – смартфоны и планшеты, обладают всеми необходимыми ресурсами для создания на их базе цифрового слухового аппарата. Все они оборудованы цифровыми процессорами, микрофонами, имеют возможность подключения наушников и гарнитур, а операционные системы позволяют создавать приложения, использующие аппаратное обеспечение этих устройств.
На основе тех же принципов, которые заложены в цифровые СА, запланирована к реализации линейка приложений Petralex®, включающая в себя настраиваемый слуховой аппарат, мультимедийные проигрыватели и другие приложения для пользователей со сниженным слухом.
Аудиометрия для настройки приложения проводится пользователем самостоятельно с помощью простого алгоритма. В наушники подается тональный сигнал частоты 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 6000 и 8000 Гц, пользователь фиксирует превышение порога слышимости сигнала нажатием на интерфейсную кнопку, а полученные в результате данные используются для расчета параметров усиления. Поскольку тестирование слуха и использование приложения происходят в одних и тех же условиях, неровности в характеристиках используемых наушников упрощенно принимаются аналогичными снижению слуха и так же компенсируются работой алгоритмов приложения.
Для расчета коррекции слуха используется широкополосной способ изменения огибающей спектра при помощи фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ). Частотная характеристика фильтра рассчитывается на основании данных аудиометрии таким образом, чтобы выполнять усиление частот, к которым наблюдается ослабление чувствительности.
Поскольку все мобильные устройства используют стерео-гарнитуры и наушники, в приложении реализована схема бинауральной коррекции слуха по результатам аудиометрии, проведенной отдельно для левого и правого уха.
Благодаря мощности процессоров смартфонов и наличию перезаряжаемого аккумулятора возможно использование частоты дискретизации. 44,1 кГц с полосой пропускания до 16-20 кГц, что значительно превышает параметры обычных цифровых СА.
Степень компрессии (слабая, средняя или сильная) и применяемый алгоритм расчета усиления в приложении могут быть выбраны пользователем самостоятельно, исходя из субъективных предпочтений и окружающих условий.
В отличие от перманентных настроек цифровых СА, приложение может быть настроено пользователем для различных условий и окружающей обстановки с сохранением настроек в виде «профиля». Оказавшись в том же или аналогичном окружении, владелец приложения может загрузить сохраненный профиль и пользоваться слуховым аппаратом Petralex® без дополнительной настройки. В интерфейсе приложения также доступен ряд регулировок, таких как усиление микрофона и общая громкость звука в наушниках, все кнопки и регулировки имеют большой размер и легко могут использоваться людьми с нарушениями моторики.
Особенностью реализации функций СА на мобильной платформе является также возможность выбора используемого микрофона – встроенного в аппарат или микрофона гарнитуры. Микрофон аппарата имеет лучшее соотношение сигнал/шум и может использоваться в качестве направленного микрофона для усиления звука от удаленного источника или прослушивания звуков в диапазоне, превышающем возможности микрофона гарнитуры, например звуков природы. В то же время микрофон гарнитуры удобен для постоянного использования, поскольку в этом случае аппарат может находиться в кармане пользователя, оставляя его руки свободными. Следует отметить, что использование гарнитуры не ассоциируется у окружающих с какими-либо нарушениями слуха и не вызывает психологического дискомфорта, что также является важным преимуществом приложения по сравнению с обычным СА.
Результаты апробации приложения.
Процедура аудиометрии проводится с подключенными наушниками или гарнитурой. Пользователю подается тональный сигнал каждой из 8 частот (125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 6000 и 8000 Гц) с нарастающей громкостью. Как только сигнал становится слышимым, пользователь фиксирует полученное значение нажатием на соответствующую кнопку.
Тестирование проводилось на основе аудиограммы пользователя с I степенью тугоухости.
Чтобы качественно оценить результат работы приложения, выполнялось упрощенное моделирование потери слуха, в результате которого получался сигнал, воспринимаемый пациентом с ослабленным слухом. Использовалась упрощенная система моделирования потери слуха отражающая только явление увеличения порога слышимости. Для этого по данным аудиограммы рассчитывался КИХ-фильтр.
Как видно из иллюстрации, обработанный сигнал, пропущенный через систему моделирования потери слуха превосходит по характеристикам исходный необработанный сигнал, пропущенный через ту же систему. Субъективно комфортность восприятия достигается за счет суженного динамического диапазона (нет слишком тихих и слишком громких звуков) и за счет сохранения высокочастотных компонент речи, которые вносят большой вклад в разборчивость речи.
Особенно следует отметить обработку фрагмента речевого сигнала, отвечающего шипящему звуку "с". Значительное усиление этого звука обусловлено тем, что его основная его энергия лежит в верхней части частотного диапазона, который плохо воспринимается людьми, страдающими тугоухостью. По тем же причинам значительное усиление получил взрывной звук "п".
По результатам теста, на смартфоне iPhone 5 со штатной гарнитурой полное акустическое усиление составляет 30 дБ.
Суммарная задержка обработки составляет не более 6,3 – 15,7 мс в зависимости от модели устройства.
Интерфейсы приложения
Пользователь может выбрать метод расчета целевого усиления и степень компрессии в соответствующих настройках приложения.
Пользователь может выбрать используемый профиль и микрофон – встроенный в устройство (а) или микрофон гарнитуры (б), отрегулировать степень усиления сигнала от микрофона и общую громкость выходного сигнала.
Заключение
В статье рассматриваются основные принципы построения слуховых аппаратов и реализация этих принципов и методов в приложении для мобильных мультимедийных устройств – смартфонов и планшетов.
Апробация приложения на базе устройства iPhone под управлением iOS 7 убедительно показывает существенное улучшение параметров выходного звукового сигнала, обработанного приложением.
В приложении, функционирующем на базе смартфона удалось реализовать гибко настраиваемый цифровой слуховой аппарат, соответствующий топовой категории цифровых слуховых аппаратов. Обработка сигнала с минимальной временной задержкой, рядом дополнительных функций и настроек выгодно отличают его от обычного СА.
Кроме того, используемая частота дискретизации значительно превосходит параметры лучших цифровых слуховых аппаратов, создавая пользователям возможности восприятия увеличенного диапазона звука, а применяемые алгоритмы компрессии предохраняют слух пользователей от слишком громких звуков.
Приложение Petralex® на базе широко распространенных мобильных устройств и операционных систем в состоянии заменить носимый слуховой аппарат для пользователей с I и II категорией тугоухости, не вызывая при этом никаких психологических неудобств, так как для его работы используются стандартные гарнитуры или наушники.
