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Die Erfindung betrifft eine Hörvorrichtung, bei welcher wenigstens ein Mikrofon mit einer Einrichtung zum Verringern eines Mikrofonrauschens gekoppelt ist. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Verringern eines Mikrofonrauschens in einem Eingangssignal einer Hörvorrichtung. Unter dem Begriff „Hörvorrichtung” wird hier insbesondere ein Hörgerät verstanden. Darüber hinaus fallen unter den Begriff aber auch andere tragbare und nicht tragbare akustische Geräte wie Headsets, Kopfhörer und dergleichen.
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Hörgeräte sind tragbare Hörvorrichtungen, die zur Versorgung von Schwerhörenden dienen. Um den zahlreichen individuellen Bedürfnissen entgegenzukommen, werden unterschiedliche Bauformen von Hörgeräten wie Hinter-dem-Ohr-Hörgeräte (HdO), Hörgerät mit externem Hörer (RIC: receiver in the canal) und In-dem-Ohr-Hörgeräte (IdO), z. B. auch Concha-Hörgeräte oder Kanal-Hörgeräte (ITE, CIC), bereitgestellt. Die beispielhaft aufgeführten Hörgeräte werden am Außenohr oder im Gehörgang getragen. Darüber hinaus stehen auf dem Markt aber auch Knochenleitungshörhilfen, implantierbare oder vibrotaktile Hörhilfen zur Verfügung. Dabei erfolgt die Stimulation des geschädigten Gehörs entweder mechanisch oder elektrisch.
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Hörgeräte besitzen prinzipiell als wesentliche Komponenten einen Eingangswandler, einen Verstärker und einen Ausgangswandler. Der Eingangswandler ist in der Regel ein Schallempfänger, z. B. ein Mikrofon, und/oder ein elektromagnetischer Empfänger, z. B. eine Induktionsspule. Der Ausgangswandler ist meist als elektroakustischer Wandler, z. B. Miniaturlautsprecher, oder als elektromechanischer Wandler, z. B. Knochenleitungshörer, realisiert. Der Verstärker ist üblicherweise in eine Signalverarbeitungseinheit integriert. Dieser prinzipielle Aufbau ist in 1 am Beispiel eines Hinterdem-Ohr-Hörgeräts dargestellt. In ein Hörgerätegehäuse 1 zum Tragen hinter dem Ohr sind ein oder mehrere Mikrofone 2 zur Aufnahme des Schalls aus der Umgebung eingebaut. Eine Signalverarbeitungseinheit 3, die ebenfalls in das Hörgerätegehäuse 1 integriert ist, verarbeitet die Mikrofonsignale und verstärkt sie. Das Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinheit 3 wird an einen Lautsprecher bzw. Hörer 4 übertragen, der ein akustisches Signal ausgibt. Der Schall wird gegebenenfalls über einen Schallschlauch, der mit einer Otoplastik im Gehörgang fixiert ist, zum Trommelfell des Geräteträgers übertragen. Die Energieversorgung des Hörgeräts und insbesondere die der Signalverarbeitungseinheit 3 erfolgt durch eine ebenfalls ins Hörgerätegehäuse 1 integrierte Batterie 5.
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Bei den Mikrofonen 2 kann es sich um Kondensatormikrofone handeln. Nachteilig bei diesem Mikrofontyp ist, dass Kondensatormikrofone ein Eigenrauschen produzieren. Dieses Mikrofonrauschen überlagert sich stets dem mittels des Kondensatormikrofons erfassten Schallsignals und kann bei ruhiger Umgebung über den Hörer 4 von einem Benutzer des Hörgeräts als unerwünschtes Artefakt wahrgenommen werden. Wird mittels des Hörgeräts ein Hörverlust durch frequenzselektive Verstärkung eines Eingangssignals ausgeglichen, ist die Wahrscheinlichkeit besonders hoch, dass für die verstärkten Frequenzen das Mikrofonrauschen im Pegel über die Hörschwelle des Hörgerätebenutzers angehoben wird, sodass der Benutzer auch in einer stillen Umgebung stets ein unerwünschtes Rauschen hört. Das Mikrofonrauschen hat einen in der Regel charakteristischen Frequenzgang, der ähnlich demjenigen eines rosa Rauschens ist.
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Um zu vermeiden, dass ein Benutzer das Mikrofonrauschen in einer stillen Umgebung wahrnimmt, wird angestrebt, im Eingangssignal der Hörvorrichtung das Mikrofonrauschen immer dann zu unterdrücken, wenn das Mikrofonrauschen nicht durch ein Signal eines Umgebungsschalls überlagert und hierdurch maskiert oder überdeckt wird. Hierzu ist bekannt, das Eingangssignal einer Hörvorrichtung in Abhängigkeit von einem Pegel des Eingangssignals mittels eines Kompressors zu dämpfen, dessen Kennlinie für Eingangssignale mit kleinem Pegel, wie sie sich typischerweise für das Mikrofonrauschen allein ergeben, eine Dämpfung des Eingangssignals bewirkt. Für Eingangssignale, die einen bestimmten Mindestpegel deutlich überschreiten, weist die Kennlinie des Kompressors dagegen eine Steigung von Eins auf, d. h. Mikrofonsignale mit großem Eingangspegel werden durch den Kompressor nicht beeinflusst. Die Kennlinie des Prozessors kann an einen Typ des Mikrofons angepasst werden, ist aber in der Regel fest vorgegeben.
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Durch eine Temperaturänderung oder durch Alterung des Mikrofons kann es aber vorkommen, dass das Leistungsdichtespektrum des Mikrofonrauschens sich derart verändert, dass in wenigstens einigen Frequenzkanälen des Kompressors der Pegel des Mikrofonrauschens im Bereich des Übergangs der Kennlinie vom Komprimierenden zu dem neutralen Bereich mit der Verstärkung Eins liegt. Dies führt dazu, dass relative Pegelschwankungen des Mikrofonrauschens durch den dann pegelabhängig auf das Eingangssignal einwirkenden Verstärkungsfaktor des Kompressors im Ausgangssignal des Kompressors verstärkt werden. Damit wird das Rauschen für einen Benutzer des Hörgeräts besonders deutlich wahrnehmbar. Eine Temperaturabhängigkeit des Leistungsdichtespektrums des Mikrofonrauschens und eine Abhängigkeit von einem Alter des Mikrofons können nicht ohne aufwändige zusätzliche Maßnahmen mittels eines Kompressors kompensiert werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2008 055 760 A1 ist ein Verfahren zum Unterdrücken von Mikrofonrauschen in einer direktionalen Mikrofonanordnung bekannt. Mindestens zwei omnidirektionale Mikrofone sind zur Bildung einer Richtwirkung elektrisch miteinander verschaltet. Die Mikrofonsignale werden adaptiv gefiltert, um eine Richtwirkung zu erzielen. Gleichzeitig wird durch die Filterung die Summe von Störleistungen minimiert, wobei der Adaptionsbereich von einem Rauschteppich des Umgebungsrauschens abhängig ist. Dadurch kann die Richtwirkung so gewählt werden, dass das durch die Richtwirkung entstehende, instationäre Mikrofonrauschen durch den stationären Anteil des Hintergrundrauschens maskiert wird.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einer Hörvorrichtung ein Eingangssignal mit einem geringen Mikrofonrauschen bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Hörvorrichtung gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Eingangssignal ein darin enthaltenes Mikrofonrauschen verringert, indem das Eingangssignal mittels eines Wiener-Filters gefiltert wird, falls eine zu dem Eingangssignal ermittelte Rauschleistung kleiner als ein vorbestimmter Grenzwert ist. Falls die Rauschleistung größer als der Grenzwert oder gleich dem Grenzwert ist, wird dagegen das Wiener-Filter deaktiviert.
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Entsprechend ist bei der erfindungsgemäßen Hörvorrichtung vorgesehen, ein Mikrofon mit einer Einrichtung zum Verringern eines Mikrofonrauschens zu koppeln. Diese Einrichtung umfasst ein Wiener-Filter und eine mit diesem gekoppelte, zum Ermitteln eines Schätzwerts für eine Rauschleistung ausgelegte Schätzeinrichtung. Mittels des Wiener-Filters ist dabei ein von der Einrichtung empfangenes Eingangssignal, z. B. ein Mikrofonsignal, mit einer Dämpfung beaufschlagbar, deren Wert auf der Grundlage des Schätzwerts für die Rauschleistung ermittelt wird. Das derart gefilterte Eingangssignal bildet dann ein Ausgangssignal der Einrichtung für die weitere Verarbeitung in der Hörvorrichtung.
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Bei der erfindungsgemäßen Hörvorrichtung ist die Einrichtung zum Verringern eines Mikrofonrauschens zusätzlich dazu eingerichtet, den Schätzwert für die Rauschleistung zu überwachen und das Wiener-Filter zu deaktivieren, falls der Schätzwert größer als ein vorbestimmter Grenzwert ist. Unter der Deaktivierung des Wiener-Filters wird im Zusammenhang mit der Erfindung dabei verstanden, dass dessen Einfluss auf das Eingangssignal vollständig oder zumindest auf ein für die weitere Verarbeitung unwesentliches Maß reduziert wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung weisen den Vorteil auf, dass das Mikrofonrauschen in stiller Umgebung, wenn die in dem Eingangssignal enthaltene Rauschleistung unterhalb des Grenzwerts liegt, mittels des Wiener-Filters sehr flexibel unterdrückt werden kann. Das Wiener-Filter ist aufgrund der zeitabhängigen Ermittlung der Rauschleistung in der Lage, temperatur- oder alterungsbedingten Änderungen des Leistungsdichtespektrums des Mikrofonrauschens zu folgen und so die Dämpfung stets an den aktuellen Verlauf des Leistungsdichtespektrums anzupassen. Durch Deaktivieren des Wiener-Filters bei Erkennen eines Rauschpegels, der den Grenzwert überschreitet, wird zudem wirkungsvoll verhindert, dass durch die Einrichtung zum Reduzieren des Mikrofonrauschens auch Mikrofonsignale ungewollt verändert werden, die nicht vom Mikrofon selbst, sondern von einem Umgebungsschall erzeugt wurden.
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Um das Wiener-Filter dabei rauschleistungsabhängig deaktivieren zu können, sieht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, eine auf das Eingangssignal einwirkende Dämpfung des Wiener-Filters, den sog. „Gain”, mit einem Gewichtungsfaktor zu gewichten, der eine Funktion der ermittelten Rauschleistung ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine an sich aus dem Stand der Technik bekannte Wiener-Filter-Struktur verwendet werden kann, deren Dämpfung oder Gain dann in Abhängigkeit von der Rauschleistung auf das Eingangssignal der Hörvorrichtung einwirkt oder nicht.
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Die im Zusammenhang mit dem Kompressor beschriebene Verstärkung der Fluktuation des Mikrofonrauschens für den Fall, dass dessen Leistung nahe des Grenzwerts liegt, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr einfach mit einer Ausführungsform vermieden werden, bei welcher die Dämpfung des Wiener-Filters in einen graduellen Übergang gedämpft wird, so dass zwischen einer vollständig aktiven Dämpfung und einer vollständig deaktivierten Dämpfung ein Übergang stattfindet. Als besonders geeignet haben sich hierbei ein Übergang gemäß einer Rampenfunktion und einer Tangens-Hyperbolicus-Funktion herausgestellt.
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Des Weiteren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die ermittelte Rauschleistung auf einen vorbestimmten Höchstwert zu begrenzen. Dann ist die Schätzeinrichtung zum Ermitteln der Rauschleistung besonders schnell in der Lage, auch dann einen aktuellen Wert für die Rauschleistung zu ermitteln, wenn das Wiener-Filter eine Zeit lang deaktiviert war und dann wieder in einer stillen Umgebung aktiviert wird. Durch die Begrenzung der Rauschleistung auf den Höchstwert wird hierbei ein Zeitraum, welchen die Schätzeinrichtung zum Konvergieren auf den tatsächlichen Wert der Rauschleistung benötigt, signifikant verringert.
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Die Schätzung der Rauschleistung erfolgt zweckmäßigerweise für einen Signalanteil des Eingangssignals, also für z. B. wenigstens einen Kanal einer Filterbank, durch welche das Eingangssignal spektral analysiert wird, auf der Grundlage dieses Signalanteils selbst. Für die Schätzung der Rauschleistung kann ein statistisches Schätzverfahren verwendet werden, wie es für die Schätzung von Rauschleistungen aus dem Stand der Technik an sich in zahlreichen Varianten bekannt ist.
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Da das Mikrofonrauschen ein dem Mikrofon inhärentes Störsignal ist, das unabhängig vom Umgebungsrauschen erzeugt wird, kann zum Ermitteln der Rauschleistung für wenigstens einen Signalanteil des Eingangssignals auch auf eine Kennlinie des Mikrofons zurückgegriffen werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass in diesem Signalanteil keine mit einer Unsicherheit behaftete Schätzung der Rauschleistung nötig ist. Die Kennlinie kann beispielsweise bei der Herstellung der Hörvorrichtung oder des Mikrofons ermittelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, auch den bereits beschriebenen Grenzwert für das Aktivieren bzw. Deaktivieren auf der Grundlage einer Kennlinie eines Mikrofons festzulegen. Hierdurch lässt sich dann für die unterschiedlichen Mikrofontypen und für einzelne Frequenzbänder sehr genau festlegen, für welche Rauschpegel das Wiener-Filter aktiviert bzw. deaktiviert sein sollte.
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Die Verwendung eines Wiener-Filters zum Dämpfen des Mikrofonrauschens weist den weiteren Vorteil auf, dass auf seiner Grundlage ein prozessiertes Mikrofonrauschen erzeugt werden kann, das keine störenden Fluktuationen aufweist, wie etwa das bekannte Musical-Noise-Phänomen. Hierzu kann das erfindungsgemäße Verfahren einfach dadurch weitergebildet werden, dass eine bei aktivem Wiener-Filter auf das Eingangssignal einwirkende Dämpfung des Wiener-Filters auf einen vorbestimmten Maximaldämpfungswert begrenzt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auch besonders vorteilhaft mit einem Beamformer kombinieren, bei welchem eine Richtwirkung anhand eines Richtparameters einstellbar ist. Hierbei kann es sich um einen beliebigen Typ von adaptivem Beamformer handeln, wie sie im Stand der Technik verfügbar sind. Für die Kombination des Beamformings mit dem erfindungsgemäßen Verfahren müssen auch nicht aufwändig die einzelnen Mikrofonsignale der Mikrofone des Beamformers einzeln prozessiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird stattdessen aus der Mehrzahl von Mikrofonsignalen der Mikrofone mittels des Beamformers zunächst das Eingangssignal für die Einrichtung zum Reduzieren des Mikrofonrauschens gebildet, d. h. es muss nur das (einzelne) Ausgangssignal des Beamformers prozessiert werden. Um das erfindungsgemäße Verfahren dabei an die Signaleigenschaften des Ausgangssignals des Beamformers anzupassen, reicht es aus, beim Ermitteln der Rauschleistung das Eingangssignal, also das Beamformer-Ausgangssignal, zunächst in Abhängigkeit von einem aktuellen Wert des Richtparameters des Beamformers zu skalieren. Hierdurch werden in vorteilhafter Weise sprunghafte Wechsel der Rauschleistungsdichte des im Eingangssignal enthaltenen Mikrofonrauschens, wie sie typischerweise durch den Beamformer beim Einstellen neuer Werte für den Richtparameter verursacht werden, wirkungsvoll kompensiert. Damit kann wieder eine Standard-Schätzeinrichtung für die Schätzung der Rauschleistung verwendet werden.
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Um die derart ermittelte Rauschleistung auch zum Berechnen der Dämpfung des Wiener-Filters zu nutzen, sieht eine Weiterbildung des Verfahrens vor, in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert des Richtparameters die ermittelte Rauschleistung rückzuskalieren. Hierdurch folgt dann der Schätzwert für die Rauschleistung den sprunghaften Wechseln des Mikrofonrauschens im Eingangssignal.
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Zudem ist gemäß einer anderen Weiterbildung vorgesehen, auch die auf das Eingangssignal einwirkende Dämpfung des Wiener-Filters in Abhängigkeit von dem aktuellen Wert des Richtparameters auf einen Höchstwert zu begrenzen. Hierdurch kann eine nahezu flache Leistungsdichteverteilung des prozessierten Mikrofonrauschens erzielt werden, also ein für einen Benutzer weitaus weniger störendes weißes Restrauschen.
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Im Zusammenhang mit der rauschleistungsabhängigen Deaktivierung des Wiener-Filters ist gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, auch den Grenzwert für die Deaktivierung von einem aktuellen Wert des Richtparameters abhängig einzustellen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Mikrofonrauschen auch dann durch das Wiener-Filter unterdrückt wird, wenn es durch eine ungünstige Einstellung des Beamformers soweit verstärkt wird, dass es den Grenzwert ansonsten überschreiten würde.
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Die zu der Erfindung gehörige Hörvorrichtung weist Weiterbildungen auf, die Merkmale umfassen, welche bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wurden. So sieht eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hörvorrichtung etwa vor, dass eine Mehrzahl von Mikrofonen mit der Einrichtung zum Schätzen der Rauschleistung über einen Beamformer gekoppelt ist, der dazu ausgelegt ist, aus den Mikrofonsignalen der Mikrofone ein Eingangssignal für die Einrichtung zu erzeugen. Bei dem Beamformer ist dabei, wie bereits beschrieben, eine Richtwirkung anhand wenigstens eines Richtparameters einstellbar. Die Schätzeinrichtung für die Rauschleistung ist hierbei in der beschriebenen Weise dazu eingerichtet, zum Ermitteln des Schätzwerts für die Rauschleistung das aus den Mikrofonsignalen gebildete Eingangssignal in Abhängigkeit von einem Wert des Richtparameters des Beamformers zu skalieren.
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Da sich die Merkmale der übrigen Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Hörvorrichtungen in ähnlicher Weise aus den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben, werden sie hier nicht noch einmal näher erläutert.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Hinter-dem-Ohr-Hörgeräts,
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2 ein Blockdiagramm zu einer Einrichtung zum Reduzieren eines Mikrofonrauschens, welche sich in einer Hörvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hörvorrichtung befindet,
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3 eine Kennlinie, gemäß welcher eine Dämpfung eines Wiener-Filters der Einrichtung von 2 gewichtet wird,
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4 ein Blockdiagramm zu einer Hörvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hörvorrichtung,
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5 einen Signalflussgraphen zu einem Beamformer wie er in der Hörvorrichtung von 4 eingebaut sein kann,
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6 ein Blockdiagramm zu einer Einrichtung zum Reduzieren eines Mikrofonrauschens, wie sie in der Hörvorrichtung von 4 vorgesehen sein kann,
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7 einen zeitlichen Verlauf eines Schätzwerts für eine Rauschleistung, wie er sich bei einer Rauschleistungs-Schätzeinrichtung der Hörvorrichtung von 4 ergeben kann,
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8 ein Diagramm zu einer Einstellung von Maximaldämpfungswerten, wie sie bei der Hörvorrichtung von 2 und 4 vorgesehen sein kann, und
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9 ein Diagramm zu einer weiteren Einstellung von Maximaldämpfungswerten, wie sie bei der Hörvorrichtung gemäß 4 vorgesehen sein kann.
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Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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In 2 ist eine Hörvorrichtung 10 gezeigt, bei der es sich beispielsweise um ein Hinter-dem-Ohr-Hörgerät oder ein Indem-Ohr-Hörgerät handeln kann. Ein Mikrofon 12 erfasst einen Umgebungsschall und wandelt diesen in ein analoges elektrisches Signal um, das von einer Vorverarbeitungseinrichtung 14 in ein digitales Eingangssignal x mittels einer Analog-Digital-Wandlung gewandelt wird. Bei der Vorverarbeitungseinrichtung 14 kann auch vorgesehen sein, das Signal des Mikrofons 12 beispielsweise mittels einer Filterbank in eine Mehrzahl von Frequenzkanälen aufzuteilen. Das Eingangssignal x umfasst dann eine entsprechende Anzahl schmalbandiger Teilsignale. Aus dem Eingangssignal x wird durch eine Signalverarbeitungseinrichtung 16 ein Ausgangssignal erzeugt, das von einem Hörer 18 in ein Schallsignal umgewandelt und an ein Ohr eines Benutzers der Hörvorrichtung 10 abgestrahlt wird.
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Bei dem Mikrofon 12 kann es sich beispielsweise um ein Kondensatormikrofon handeln. Neben dem aus dem Umgebungsschall erzeugten Nutzsignal (ein gewünschtes Signal sowie ein Umgebungsrauschen umfassend) enthält das analoge Eingangssignal stets auch ein Mikrofonrauschen, das von dem Mikrofon 12 selbst erzeugt wird. In einer Umgebung, in welcher es derart still ist, dass in dem Eingangssignal x, oder zumindest in einem seiner Frequenzkanäle, das Mikrofonrauschen eine deutlich größere Signalleistung aufweist als der von dem Umgebungsschall erzeugte Signalanteil, kommt es dennoch nicht dazu, dass der Benutzer der Hörvorrichtung 10 das Mikrofonrauschen über den Hörer 18 wahrnimmt. Das Mikrofonrauschen wird durch eine Dämpfung W unterdrückt, die in dem in 2 gezeigten Beispiel als multiplikativer, gegebenenfalls frequenzabhängige Dämpfungsfaktor W über einen Multiplizierer 20 auf das Eingangssignal x bzw. seine einzelnen Frequenzkanäle einwirkt. Der Dämpfungsfaktor W wird von einer Einrichtung 22 zum Unterdrücken des Mikrofonrauschens eingestellt. Wenn der Umgebungsschall einen Anteil im Eingangssignal x erzeugt, der groß genug ist, um das Mikrofonrauschen zu maskieren, wird der Dämpfungsfaktor W für diesen Zeitabschnitt und gegebenenfalls für den entsprechenden Frequenzkanal durch die Einrichtung 22 auf einen Wert von Eins oder nahezu Eins eingestellt. Ist der Umgebungsschall dagegen derart leise, dass das Mikrofonrauschen zeitweise über den Hörer 18 hörbar werden könnte, so wird für diesen Zeitraum und gegebenenfalls für den entsprechenden Frequenzkanal der Dämpfungsfaktor W auf einen Wert zwischen Null und Eins eingestellt, so dass sich eine merkliche Dämpfung ergibt. Hierdurch wird dann in dem Eingangssignal x das Mikrofonrauschen entsprechend verringert.
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Zum Einstellen des Dämpfungsfaktors W weist die Einrichtung 22 eine Einrichtung 24 zum Berechnen des Leistungsdichtespektrums (PSD – Power Spectral Density) des Eingangssignals x und ein Wiener-Filter 26 zum Berechnen eines Gains W' auf. Der Gain W' wird von dem Wiener-Filter 26 aus der Leistungsdichte PSD des Eingangssignals x und einem Schätzwert für die Rauschleistung NPSD (Noise Power Spectral Density) gemäß einer Funktion f berechnet. Die Einrichtung 24 kann beispielsweise einen einfachen Quadrierer zum Ermitteln eines Amplitudenquadrats des Eingangssignals x oder einen Quadrierer sowie eine nachgeordnete Glättungseinrichtung zum Berechnen eines zeitlichen Mittelwerts umfassen. Es ist hier auch jede andere Einrichtung zum Berechnen eines Leistungsdichtespektrums verwendbar. Die Funktion f zum Berechnen des Gains W' kann ebenfalls eine aus dem Stand der Technik an sich bekannte Berechnungsvorschrift für eine Dämpfung einer in einem Signal enthaltenen Rauschleistung sein. Durch die Funktion f ergibt sich ein Gain W' mit einem Wert zwischen Null und Eins, wobei der Wert um so mehr gegen Eins strebt, je größer das in 2 dargestellte Verhältnis PSD/NPSD ist. Die Funktion f kann auch eine Schätzung eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR – Signal-to-noise-ratio) umfassen.
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Die Rauschleistung NPSD wird von einer Schätzeinrichtung 28 für eine in dem Eingangssignal x enthaltene Rauschleistung sowie aus einer Kennlinie 30 ermittelt, welche zu dem Mikrofon 12 die typische spektrale Rauschleistungsdichte des Mikrofonrauschens dieses Mikrofontyps beschreibt. Die Kennlinie 30 kann beispielsweise während der Herstellung der Vorrichtung 10 durch Messungen erstellt worden sein. Bei der Schätzeinrichtung 28 handelt es sich um eine an sich aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtung zum Ermitteln einer Rauschleistung in einem Signal.
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Bei der Einrichtung 22 wird über einen Begrenzer 32, einen Schalter 34 und eine Ausblendeinrichtung 36 bewirkt, dass der Dämpfungsfaktor W nur auf diejenigen Signalanteile des Eingangssignals x einwirkt, bei denen ein Pegel derart gering ist, dass es sich bei den Signalanteilen mit hoher Wahrscheinlichkeit ausschließlich oder nahezu ausschließlich um das Mikrofonrauschen des Mikrofons 12 handelt.
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In Abhängigkeit von der Schalterstellung des Schalters 34 wird dem Wiener-Filter 26 und der Ausblendeinrichtung 36 entweder eine feste (frequenz-abhängige) Schätzung der Rauschleistung zugeführt, die auf Grundlage der Kennlinie 30 ermittelt wurde, oder eine tatsächliche Schätzung der Rauschleistung aus der Schätzeinrichtung 28. Für den Fall, dass die Schätzeinrichtung 28 verwendet wird, wird die Schätzung der Rauschleistung NPSD durch den Begrenzer 32 auf einen vorbestimmten Höchstwert begrenzt. Für die folgenden Erläuterungen sei angenommen, dass der Höchstwert 40 dB betrage. Bei der hier und im Folgenden verwendeten Angabe von Dezibel handelt es sich um Dezibel für den Schalldruckpegel (SPL – Sound Pressure Level). Der Höchstwert für die Rauschleistungsschätzung kann aus der Kennlinie 30 abgeleitet werden, wobei auf den Kennlinienwert noch ein Offset von beispielsweise 25 dB aufaddiert wird.
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Durch die Kombination der Schätzeinrichtung 28 und des Begrenzers 32 wird insgesamt eine Rauschleistungsschätzung gebildet, die ausschließlich innerhalb der Pegelregion des Mikrofonrauschens arbeitet. Hierdurch wird bewirkt, dass für die Funktion f ein Wert für den Gain W' durch den Wiener-Filter 26 berechnet wird, der automatisch gegen Eins strebt, wenn das Eingangssignal x eine spektrale Leistungsdichte PSD aufweist, die signifikant größer als der Höchstwert des Begrenzers 32, also in diesem Beispiel größer als 40 dB ist. Auch bei der unmittelbaren Verwendung der Kennlinie 30 als Schätzung für die Rauschleistung, wie es durch entsprechendes Schalten des Schalters 24 erreicht werden kann, ergibt sich diese automatische Deaktivierung des Wiener-Filters 26.
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Um zusätzlich die Audioqualität des Schallsignals des Hörers 18 im Bereich von Pegeln des Eingangssignals x nahe der durch den Begrenzer 32 bewirkten Begrenzung zu erhalten, wird durch die Ausblendeinrichtung 36 zusätzlich ein gradueller Übergang geschaffen. Die Funktionsweise der Ausblendeinrichtung 36 wird im Folgenden anhand von 3 näher erläutert. In 3 ist dazu ein Diagramm gezeigt, welches die Abhängigkeit eines Gainfaktors GF von einem aktuellen Wert für die Rauschleistung NPSD darstellt. Anhand des Gainfaktors GF wird durch die Ausblendeinrichtung 36 festgelegt, inwieweit der Dämpfungsfaktor W aus dem Gain W' berechnet wird. Ein Gainfaktor mit dem Wert Eins bedeutet W = W'. Ein Gainfaktor mit dem Wert Null bedeutet W = 1, d. h. der Wiener-Filter 26 ist in Bezug auf seinen Einfluss auf das Eingangssignal x deaktiviert.
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Der Dämpfungsfaktor W ist eine Funktion der Rauschleistung NPSD. Für einen Wert der Rauschleistung NPSD < 20 dB gilt: W = W'. Für eine Rauschleistung NPSD ≥ G = 30 dB gilt W = 1.
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Dazwischen ist durch die Ausblendeinrichtung 36 ein Übergang 38 gebildet, der beispielsweise gemäß einer Rampenfunktion 40 oder einer Tangens-Hyperbolicus-Funktion 40' verlaufen kann. Der Wert G stellt einen Grenzwert für die Aktivierung bzw. Deaktivierung des Wiener-Filters dar.
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Zur Veranschaulichung der Funktionsweise der Einrichtung 22 sind in dem Diagramm noch die durch die Kennlinie 30 ermittelte zu erwartende Rauschleistung 42 sowie der durch den Begrenzer 32 festgelegte Höchstwert 44 dargestellt. Anders als hier dargestellt wird der Höchstwert 44 zweckmäßigerweise gleich dem Wert G eingestellt.
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Auf der Grundlage der Messung des Mikrofonrauschens wird durch die Ausblendeinrichtung 36 insgesamt eine rauschpegelabhängige Limitierung des Gains W' durchgeführt. Je näher die Schätzung der Rauschleistung NPSD an den Grenzwert G kommt, desto mehr wird die Dämpfung reduziert. Dies stellt sicher, dass Signalanteile, die nicht von Mikrofonrauschen dominiert werden, unbedämpft bleiben. Hierdurch wird verhindert, dass die Einrichtung 22 mit weiteren signalverarbeitenden Algorithmen in der Signalverarbeitungseinrichtung 16 wechselwirkt. Zugleich wird die Möglichkeit bereitgestellt, die Einrichtung 22 zum Unterdrücken des Mikrofonrauschens unabhängig von den weiteren Algorithmen zu parametrieren, z. B. indem eine stärkere maximal durch den Gain W' bewirkte Dämpfung auf das Mikrofonrauschen ausgeübt wird als auf ein Umgebungsrauschen durch die Signalverarbeitungseinrichtung 16.
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In 4 sind von einer Höreinrichtung 46 Mikrofone 48, 50, Filterbänke 52, 54, ein Beamformer 56, eine Einrichtung 58 zum Reduzieren eines Mikrofonrauschens und ein Multiplizierer 60 gezeigt. Durch den Beamformer 56 werden jeweils separat in einzelnen Frequenzkanälen der Filterbänke 52, 54, die digitalisierten Mikrofonsignale der Mikrofone 48 und 50 zum Erzielen einer Richtwirkung zusammengefasst. Bei dem Beamformer 56 kann es sich um einen an sich aus dem Stand der Technik bekannten Beamformer handeln. Beispielhaft ist hierzu in 5 eine mögliche Struktur des Beamformers 56 gezeigt, wie sie zur Verarbeitung eines einzelnen Kanals der Filterbänke 52, 54 bereitgestellt sein kann. Durch Verzögerungsglieder mit einer Verzögerungszeitkonstante T0 werden die Mikrofonsignale der Mikrofone 48, 50 verzögert und anschließend zu gerichteten Signalen über Addierer kombiniert, sodass sich ein Kardioid-Signal und ein Anti-Kardioid-Signal ergibt.
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Mittels eines Multiplizierers wird eines der Signale mit dem Wert eines Richtparameters a gewichtet, bevor die beiden Signale zu einem gerichteten Beamformer-Signal x' mittels eines weiteren Addierers kombiniert werden. Die beschriebene Anordnung weist eine deutlich wahrnehmbare Hochpasscharakteristik auf. Aus diesem Grund werden tiefe Frequenzen durch einen Verstärker 62 verstärkt, um die darin enthaltenen Audioinformationen wieder für den Benutzer hörbar zu machen. Diese Verstärkung wirkt auch auf ein in dem gerichteten Signal x' enthaltenes Mikrofonrauschen aus, welches durch die beiden Mikrofone 48, 50 verursacht wird. In dem Eingangssignal x für die Hörvorrichtung 46, welches der Verstärker 62 erzeugt, weist das Mikrofonrauschen aufgrund der Verstärkung eine andere spektrale Leistungsdichteverteilung auf, als das ursprüngliche Mikrofonrauschen der Mikrofone 48, 50 selbst. Hinzu kommt, dass durch Ändern des Wertes des Richtparameters a die spektrale Leistungsdichte des Mikrofonrauschens im Eingangssignal x mit der Zeit verändert wird. Bei der Hörvorrichtung 46 sind diese Eigenschaften des Mikrofonrauschens im Eingangssignal x bei der Berechnung einer Dämpfung W berücksichtigt, sodass ein Benutzer der Hörvorrichtung 46 auch bei einem mit der Zeit veränderlichen Wert des Richtparameters a kein störendes Mikrofonrauschen wahrnimmt.
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Das Eingangssignal x und der Richtparameter a bilden Eingangswerte für die Einrichtung 58. Durch die Einrichtung 58 wird, vergleichbar mit der Einrichtung 22, ein Dämpfungsfaktor W berechnet, der über den Multiplizierer 60 auf das Eingangssignal x der Hörvorrichtung 46 wirkt. Durch den Dämpfungsfaktor W wird in gleicher Weise wie bei der Hörvorrichtung 10 erreicht, dem Eingangssignal x das Mikrofonrauschen reduziert wird, ohne dass dabei ein durch einen Umgebungsschall hervorgerufener dominierender Anteil in dem Eingangssignal x ebenfalls von dem Dämpfungsfaktor W beeinflusst wird.
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In der 6 ist für die Erläuterung der Funktionsweise der Einrichtung 58 diese noch einmal genauer dargestellt. In 6 sind Komponenten, die in ihrer Funktionsweise Komponenten entsprechen, die in 2 dargestellt sind, mit den selben Bezugszeichen versehen wie in 2. Sie sind in Zusammenhang mit 6 nicht noch einmal erläutert.
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Die von dem Wert des Richtparameters a bewirkte Veränderung der spektralen Leistungsdichte des Mikrofonrauschens in dem Eingangssignal x wird kompensiert, indem die Veränderung des Leistungsdichtespektrums durch eine Berechnungseinrichtung 64 in Form eines Wite-Noise-Gains WNG berechnet wird und durch einen Dividierer 66 in Form einer Skalierung des Eingangssignals x berücksichtigt wird. Die durch die Schätzeinrichtung 28 aus dem skalierten Eingangssignal x/WNG berechnete Rauschleistung NPSD wird mittels eines Multiplizierers 68 und des Werts für den Wide-Noise-Gain WNG zu einer rückskalierten Rauschleistung NPSD' rückskaliert. In Zusammenhang mit dem in 5 gezeigten Beamformer 56 ergibt sich als Skalierungswert WNG für eine Frequenz mit der normierten Mittenfrequenz Ω der Filterbänke 52, 54 folgende Rechenvorschrift, bei welcher Ω = 2·π·f·Ts und Ts die Abtastzeit des Analog-Digital-Wandlers der Hörvorrichtung 46 ist: WNG(Ω) = [a2 + 1 + 2a·cos(Ω·T0/Ts)]/[1 – cos(2·Ω·T0/Ts)].
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Anhand von 7 ist im Folgenden für eine einzelne Frequenzkomponente des Eingangssignals x dargestellt, welche Schätzwerte für die Rauschleistung sich in der Einrichtung 58 ergeben können.
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Dazu ist in dem in 7 untersten Diagramm gezeigt, wie der Wert für den Richtparameter a mit der Zeit t in einem Zeitraum von 14 Sekunden stufenweise verändert wird, sodass sich zu Beginn eine omnidirektionale Richtcharakteristik des Beamformers 56 ergibt und anschließend stufenweise durch ein Null-Steering eine Kerbe (Notch) in der Richtcharakteristik in unterschiedliche, in 7 angegebene Winkelrichtungen ausgerichtet wird, um anschließend wieder ab der zwölften Sekunde auf eine omnidirektionale Richtcharakteristik umgeschaltet zu werden. Zu den entsprechenden Werten des Richtparameters a ist in dem darüber liegenden Graphen der entsprechende Wert des Wide-Noise-Gain WNG in Dezibel dargestellt. Für das der 7 zugrunde liegende Beispiel sei angenommen, dass das Mikrofon in einer stillen Umgebung betrieben werde, sodass das Eingangssignal x in der in 7 gezeigten Frequenzkomponente ausschließlich das stationäre Mikrofonrauschen aufweist. Durch die stufenweise Veränderung des Wide-Noise-Gains WNG ergibt sich allerdings ein Verlauf des Betragsquadrats |x|2 des Eingangssignals x, wie er in dem obersten Diagramm von 7 gezeigt ist. Auf Grundlage dieses Verlaufs wäre die Schätzeinrichtung 28 aufgrund ihrer Trägheit nicht in der Lage, die Rauschleistung an den Sprungstellen (z. B. bei Sekunde 2) korrekt nachzuvollziehen. Durch die Skalierung mittels des Dividierers 66 ergibt sich als Eingangssignal für die Schätzeinrichtung 28 allerdings ein im Verlauf stationäres Eingangssignal x/WNG. Zu diesem skalierten Eingangssignal x/WNG berechnet die Schätzeinrichtung 28 eine entsprechende korrekte Rauschleistung NPSD. Durch die Rückskalierung mittels des Multiplizierers 68 ergibt sich dann eine entsprechende korrekte Schätzung NPSD' für die tatsächliche in dem Eingangssignal x enthaltene Rauschleistung. Diese wird dazu benutzt, eine für die wirkungsvolle Dämpfung des Mikrofonrauschens geeigneten Gain W' mittels des Wiener-Filters 26 zu berechnen.
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Bei der Einrichtung 58 können noch die weiteren, im Zusammenhang mit 2 erläuterten Komponenten zum Deaktivieren des Wiener-Filters 26 mittels eines Begrenzers, eines Schalters und einer Ausblendeinrichtung vorgesehen sein. Diese Komponenten sind in 6 der Übersichtlichkeit halber nicht noch einmal dargestellt.
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In 8 und 9 sind zwei alternative Möglichkeiten dargestellt, die Audioqualität des mittels des Multiplizierers 20 bzw. 60 prozessierten Eingangssignals x noch weiter zu verbessern. Die Diagramme sind dabei für den Fall erstellt, dass ein Beamformer, wie der Beamformer 56, verwendet wird. Die Rauschleistung des Mikrofonrauschens, insbesondere für tiefe Frequenzen, kann in Abhängigkeit von dem Wert für den Richtparameter a im Verhältnis zum ursprünglichen Mikrofonrauschen der Mikrofone 48, 50 durch den Beamformer 56 signifikant verstärkt sein. In 8 und 9 ist hierzu für mehrere Kanäle C der Filterbänke 52, 54 der Pegel des Mikrofonrauschens für einen bestimmten Zeitpunkt und eine bestimmte Einstellung des Parameters a vor der Dämpfung mittels des Multiplikators 60 (als Balkendiagramm |x|2) und nach der Dämpfung (als Balkendiagramm |x|·W2) dargestellt. Um eine Fluktuation des Pegels des Mikrofonrauschens nicht durch die zeitvariante Dämpfung W zu verstärken, ist die Dämpfung W auf einen Maximaldämpfungswert NF begrenzt, der hier im logarithmischen Maßstab in dem in 8 gezeigten Beispiel NF = – 10 dB beträgt. Entsprechend bleiben im tieffrequenten Bereich (hier insbesondere die Kanäle 0 bis 6) auch nach der Dämpfung für einen Benutzer gegebenenfalls wahrnehmbare Signalanteile des Mikrofonrauschens in dem Eingangssignal erhalten. Diese weisen allerdings aufgrund der Begrenzung der Dämpfung auf den Maximaldämpfungswert NF eine wenig störende Modulation auf.
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Für die übrigen Kanäle (Kanäle C = 6–47) ergibt sich eine derart starke Dämpfung des Mikrofonrauschens, dass für den Benutzer selbiges nicht mehr wahrnehmbar ist. Das Mikrofonrauschen hat nach der Prozessierung zudem das stationäre Verhalten, das es auch vor der Prozessierung durch den Beamformer aufgewiesen hat.
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Um auch bei der Festlegung des Werts für die Maximaldämpfung NF zu erreichen, dass das Mikrofonrauschen auf einen komfortablen Pegel reduziert wird, kann zusätzlich die Beamformercharakteristik z. B. in Form des Werts des Richtparameters a mitberücksichtigt werden. So kann mittels des White-Noise-Gains WNG eine frequenzabhängige Maximaldämpfung NF(C, a) festgelegt werden. Ziel ist es hierbei, ein gedämpftes Mikrofonrauschen zu erhalten, bei dem die Kanäle C einen nahezu gleichen Pegel des Mikrofonrauschens aufweisen und dieser Pegel unabhängig von einer momentanen Einstellung des Beamformers, d. h. des Werts für den Richtparameter a, ist.
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Eine solche frequenzabhängige Einstellung der Maximaldämpfung NF(C, a) ist in 9 in dem rechten Diagramm gezeigt. Die Werte für die Maximaldämpfung NF(C, a) sind frequenz- und auch zeitabhängig und stellen eine Funktion des Werts des Richtparameters a dar. In dem linken Diagramm ist gezeigt, wie durch eine derartige Maximalbegrenzung NF(C, a) ein spektral nahezu flacher Verlauf des Mikrofonrauschens erzielt wird. Die Begrenzung der Dämpfung auf eine Maximaldämpfung kann z. B. innerhalb des Wiener Filters 26 durchgeführt werden. Zu beachten ist hierbei, dass eine Begrenzung der Dämpfung bedeutet, dass der Wiener-Gain W' nicht kleiner als ein der Wert NF bzw. NF(C, a) entsprechender Wert wird. Durch die Begrenzung des Dämpfungsfaktors W zu kleinen Werten hin ergibt sich in dem prozessierten Eingangssignal ein sog. Rauschteppich (Noisefloor).
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Auf der Grundlage des Werts für den Richtparameter a kann auch der Grenzwert G für die Ausblendeinrichtung 36 eingestellt werden, wenn diese in der Einrichtung 58 bereitgestellt ist. Hierdurch wird dann verhindert, dass das Wiener-Filter allein deshalb deaktiviert wird, weil durch den Beamformer 56 ein Pegel des Mikrofonrauschens resultiert, der größer als der aufgrund der Kennlinie 30 zu erwartende Pegel des Mikrofonrauschens ist.
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Zusammenfassend ist festzustellen, dass auch bei einem Beamformer mit einstellbarer Richtcharakteristik eine effiziente Reduktion des Mikrofonrauschens auf einen komfortablen Pegel möglich ist. Zusätzlich weist der gezeigte Ansatz den Vorteil auf, dass sog. „Noise-Flags” (Rauschfahnen) vermieden werden, welche ansonsten typischerweise in einem Signal eines Beamformers verursacht werden. Solche Rauschfahnen können auf ein Signal einer externen Klangquelle, wie beispielsweise einen Sprecher, folgen, wenn diese Klangquelle verstummt und dann für den Benutzer der Hörvorrichtung das Mikrofonrauschen hörbar wird, weil es nicht schnell genug gedämpft wird. Die schnelle Anpassung ist bei den gezeigten Ansätzen u. a. durch den Begrenzer 32 ermöglicht, der die Schätzung der Rauschleistung des Mikrofonrauschens NPSD auf einen Pegel festhält, der bereits sehr nahe dem tatsächlichen Mikrofonrauschen liegt.
