DE602004006912T2

DE602004006912T2 - Verfahren zur Verarbeitung eines akustischen Signals und ein Hörgerät

Info

Publication number: DE602004006912T2
Application number: DE200460006912
Authority: DE
Inventors: Hansueli Roeck; Manuela Feilner
Original assignee: Phonak AG
Current assignee: Sonova Holding AG
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: EP1469703A2; EP1469703A3; EP1469703B1; DE602004006912D1; DK1469703T3

Description

Verfahren zur Verarbeitung eines akustischen Signals und ein Hörgerät
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung liegt in dem Gebiet der Verarbeitung von Signalen in oder für Hörgeräte. Genauer bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Umwandlung eines akustischen Eingangssignals in ein Ausgangssignal, auf ein Hörgerät, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Hörgeräts.
Hintergrund der Erfindung
Das Nachhallen stellt bei Personen mit beeinträchtigtem Hörvermögen ein Hauptproblem dar. Der Grund dafür ist, dass zusätzlich zu den fehlenden Spektralreizen für die Sprachverständlichkeit aus der Verbreiterung der Hörfilter (d.h. das verringerte Spektraldiskriminationsvermögen des schwerhörigen Ohrs aufgrund Beeinträchtigungen der äußeren Haarzellen, das zu weniger genau abgestimmten Hörfiltern in dem schwerhörigen Ohr führt) ebenfalls die temporalen Reize durch den Nachhall abgeschwächt werden. Spracheinsätze, -pausen usw. sind nicht länger wahrnehmbar. Somit tritt eine starke Verringerung der Verständlichkeit sowie Komfortbeeinträchtigungen auf.
Von einem technischen Standpunkt aus gesehen ist das Nachhallen eine Filterung (Faltung) des sauberen Signals, z.B. eines Sprachsignals, mit der Raumimpulsantwort (RI-Antwort) von dem Sprecher zu der schwerhörigen Person. Diese Raumimpulsantworten tendieren dazu, sehr lange auszufallen, und zwar in der Größenordnung von mehreren hundert Millisekunden bis zu mehreren Sekunden für große Kirchen oder Hauptbahnhöfe. Die lange RI-Antwort lässt die Sprechpausen daher undeutlich werden.
Die unmittelbare technische Lösung hierfür besteht in der so genannten "Dekonvolution" d.h. der Schätzung und Inversion der RI-Antwort, mit der das an dem Hörgerät eintreffende nachhallende Signal gefiltert und somit perfekt zu dem ursprünglichen sauberen oder "trockenen" Signal wiederhergestellt werden kann. Vom mathematischen Standpunkt aus ist die Dekonvolution oder Inversion einer Filterantwort ein wohlbekanntes Verfahren. Die Probleme bestehen in den folgenden Aspekten:

a.) Dem Umstand, dass die Inversion einer realen RI-Antwort einen akausalen Filter erzeugt, d.h. einen Filter, der in der Zukunft liegende Informationen benötigt. Dies kann prinzipiell nur durch die Einspeisung einer geeigneten Verzögerung in das System beseitigt werden, die somit mindestens mehrere hundert Millisekunden lang sein müsste.
b.) Der Schätzung der korrekten RI-Antwort (oder direkt der umgekehrten Fassung von ihr).
Betreffs Punkt a) wären selbst dann, wenn nur der erste Teil der RI-Antwort (der Teil mit den höchsten Energien) korrigiert werden würde, viel zu lange Verzögerungen für die Zwecke von Hörgeräten notwendig.

Noch wichtiger jedoch ist eine korrekte Schätzung der RI-Antwort (Punkt b), die im entsprechenden Fachgebiet als ein schwierig zu lösendes Problem betrachtet wird, für das bislang keine vollständig zufrieden stellenden und brauchbaren Lösungen vorliegen.
Dieser Gründe halber werden anstatt einer Verwendung von Dekonvolution zum Enthallen andere Ansätze benützt. Eine bekannte Lösung verwendet zum Enthallen des Signals mehrere Mikrophone oder einen Strahlenbündler. Für große Räume, in denen das Schallfeld sehr diffus ist, weist diese Lösung jedoch nur einen begrenzten Nutzen auf.
In einer anderen bekannten Lösung wird versucht, ein Enthallen dadurch zu bewerkstelligen, dass das Signal zuerst in eine cepstrale Domäne transformiert wird, wo die (geschätzte) RI-Antwort einfach subtrahiert werden kann, bevor das Signal zurück in den linearen Zeitbereich transormiert wird. Diese Lösungen sind beide rechenintensiv und benötigen weiterhin eine signifikante Gruppenlaufzeit. Weiterhin sind sie nicht sehr unempfmdlich.
Eine neue Lösung wurde von K. Lebart et al. in Acta Acustica, Vol. 87 (2001), S. 359–366 vorgestellt. Diese Lösung besteht in einem Verfahren auf der Basis der spektralen Subtraktion. Das Prinzip besteht darin, dass die RI-Antwort dahingehend modelliert wird, ein mittelwertzentriertes ("zero mean") Gaußsches Rauschen zu sein, das exponentiell abklingt: h(t) = b(t)·e–ΔT für t ≥ 0 und (1) h(t) = 0 für t < 0
In der obigen Gleichung bezeichnet b(t) eine mittelwertzentrierte Gaußsche Funktion und
wobei T_r die Nachhallzeit ist, d.h. derjenige Zeitraum, nach dem die Nachhallenergie um 60 dB abgeschwächt ist.
Die Nachhallenergie zu jedem Zeitpunkt t kann daher berechnet werden durch: Prr(t, f) = e–2ΔT·Pxx(t – T, f) (2)wobei P_xx(t, f) die Energiespektraldichte eines Signals x(n) ist. T ist eine (arbiträre) Verzögerung. Mit anderen Worten ist die Hallenergie zu jedem Zeitpunkt t gleich zu der Signalenergie des Sprechers zu einem früheren Zeitpunkt t – T, abgeschwächt um den exponentiellen Term e^–2ΔT.
Nun kann das Verhältnis zwischen der derzeit empfangenen Signalenergie und der geschätzten Hallsignalenergie als ein "Signal-zu-Hall-Rauschverhältnis (SNR)" betrachtet werden, wobei daraus eine spektralsubtraktionsfilterartige Verstärkungsfunktion gebildet werden kann. Allerdings können harmonische Rauschartefakte erzeugt werden, die durch zusätzliche Mittel wie einer Durchschnittsbildung oder eine Einstellung eines Spektralsockels vermieden werden müssen.
Ein Algorithmus auf der Grundlage dieser Befunde weist eine geringere Komplexität als das oben angeführte direkte Enthallen oder cepstrale Verfahren auf, jedoch ist er immer noch rechenintensiv. Im Einzelnen ist es schwierig, die Nachhallzeit T_r zu berechnen, welche zur Erzeugung des exponentiellen Terms in der Gleichung (2) für die Schätzung der Hallenergie notwendig ist: Als erstes werden Sprechpausen erfasst (was in einem sehr nachhallenden Signal ziemlich schwierig ist). Während der Sprechpausen entspricht der exponentielle Abfall einer linear negativen Neigung in einem logarithmischen Maßstab. Anschließend werden innerhalb dieser Signalsegmente die Neigung der geglätteten Signalstärke-Hüll kurve auf einem dB-Maßstab durch lineare Regression extrahiert, was ein weiterer, ziemlich rechenintensiver Vorgang ist. Eine weitere Durchschnittsbildung der ermittelten Neigungen wird dazu verwendet, eine verbesserte Schätzung zu ergeben. Aus der Schätzung der Neigung und der bekannten Stichprobenzeit kann T_r extrahiert werden.
Abgesehen von der Rechenintensivität fehlt dem oben beschriebenen Verfahren auch ein gewisses Maß an Unempfindlichkeit. Dies kommt unter anderem durch die Unsicherheiten bei der Erfassung der Sprechpausen zustande.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Unterdrücken des Nachballens, wobei das Verfahren unempfindlich und nicht rechenintensiv ist, und die Nachteile von entsprechenden Verfahren beim Stand der Technik vermeidet. Genauer besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Erhalten eines Ausgangssignals aus einem akustischen Eingangssignal, wobei es das Verfahren bewirkt, dass Nachhallbeiträge zu dem akustischen Eingangssignal in dem Ausgangssignal unterdrückt werden. Das Verfahren sollte nicht rechenintensiv und unempfindlich sein und Nachteile von Verfahren vom Stand der Technik überwinden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst.
Gemäß der Erfindung wird ein Raumimpuls-Dämpfungswert über einen ausreichend langen Beobachtungszeitraum hinweg evaluiert. Dies erfolgt für ein umgewandeltes akustisches Eingangssignal, d.h. für ein Signal, das von einem Wandler bereitgestellt und möglicherweise auch digitalisiert worden ist, und das optional in Frequenzbänder aufgeteilt, geglättet und/oder anderweitig weiterverarbeitet wird. Der Raumimpuls-Dämpfungswert ist ein Wert, der für das umgewandelte Eingangssignal bestimmt wird und ein Maß der maximal negativen Neigung seiner Energie in einem logarithmischen Maßstab ist. Auf dieser Grundlage und auf einer Messung der Signalevaluation wird ein Signal-Hallgeräusch-Verhältnis dadurch berechnet, dass die Signalentwicklung (d.h. seine Dämpfung oder Erhöhung) mit dem Raumimpuls-Dämpfungswert verglichen wird. Dieses Signal-Hallgeräusch-Verhältnis fungiert als Grundlage zur Berechnung einer Verstärkung, die dem umgewandelten Eingangssignal zugeführt wird, um so ein Ausgangssignal zu erhalten.
Dieser Ablauf von Vorgängen beruht auf dem Verständnis, dass ein Signal, welches sich mit dem maximalen Abfall der Dämpfungskurve abschwächt, mit hoher Wahrscheinlichkeit durch Nachhallen verursacht wird. Je höher jedoch andererseits die Differenz zwischen der tatsächlichen Dämpfung und dem maximalen Abfall der Dämpfungskurve ausfällt, umso besser ist das Signal-Hallgeräusch-Verhältnis. Bei der Anwendung einer Verstärkungsregel kann dieses Verständnis benützt und das umgewandelte Eingangssignal immer dann unterdrückt werden, wenn das Verhältnis klein ist. Prinzipiell kann die Verstärkungsregel so betrachtet werden, dass sie auf einem Vergleich zwischen der Raumimpulsdämpfung, welche die maximale Dämpfung in der derzeitigen Umgebung ist, und dem tatsächlich beobachteten Zustand basiert.
In diesem Kontext ist ein "Vergleich" eine mathematische Operation, die mit zwei Eingangswerten (oder ihren absoluten Werten bzw. ihren Hüllkurven) arbeitet und einen Ausgangswert erbringt, der die relative Größe einer der Eingangswerte mit Bezug auf den anderen angibt. Beispiele von Vergleichen sind eine Subtraktion, eine gewichtete Subtraktion, eine Division usw..
Die Begriffe "Signalenergie" und "Logarithmus der Signalenergie" bezeichnen allgemein einen Wert, der die Signalenergie oder Signal-"Stärke" bzw. ihren Logarithmus angibt. Ein derartiger Wert kann die physikalische Signalenergie, die Signalhüllkurve, der absolute Wert des Signals usw. sein.
Die Verstärkung als eine Funktion der Raumimpulsdämpfung kann eine monoton zunehmende Funktion sein. Eine monoton zunehmende Funktion g ist eine kontinuierliche oder nicht-kontinuierliche Funktion, wenn sie g(x) ≥ g(y) für alle x > y erfüllt. Beispielsweise kann die Verstärkung maximal ausfallen, wenn das Signal-zu-Nachhall-Rauschverhältnis groß ist, und sie kann klein sein, wenn das Signal-zu-Nachhall-Rauschverhältnis klein ist. Weiterhin kann sie dazwischen als eine Funktion des Signal-zu-Nachhall-Rauschverhältnisses kontinuierlich und monoton zunehmend sein. Alternativ dazu kann die Verstärkung auch eine monoton zunehmende und abgestufte Funktion des Signal-zu-Nachhall-Rauschverhältnisses sein.
Ein Maß der Signalevaluierung kann dadurch erhalten werden, dass die Differenz zwischen der umgewandelten Signaleingangsenergie und der durch eine Verzögerung T der verzögerten umgewandelten Signaleingangsenergie berechnet wird. Im Anschluss kann der Raumimpuls-Dämpfungswert so gewählt werden, dass er die maximale Dämpfung während einer Zeitspanne entsprechend dem Zeitraum T ist, der während eines wesentlich längeren Zeitraums I beobachtet wurde. Mit anderen Worten ist der verwendete Raumimpuls-Dämpfungswert RIatt die maximale negative Neigung, multipliziert mit T. (Die negative Neigung selbst ist nicht erforderlich und muss daher nicht berechnet werden). Während des Zeitraums I können mehrere maximale Werte gemittelt werden, um die Unempfindlichkeit zu steigern.
Die Verzögerungszeit T kann auf einen Wert zwischen 5 ms und 100 ms, und vorzugsweise zwischen 10 ms und 50 ms eingestellt werden.
Der Zeitraum I, in dem der Raumimpuls-Dämpfungswert evaluiert wird, ist zusätzlich zu dem Umstand, dass er länger als die Verzögerungszeit T ist, vorzugsweise ebenfalls wesentlich länger als eine typische Sprechpause. Beispielsweise kann er zwischen 1 s und 20 s liegen. Der Raumdämpfungswert ist nur langsam zeitabhängig und wird regelmäßig aktualisiert. Das Zeitfenster I, in dem die maximale Raumimpulsdämpfung RIatt evaluiert wird, kann alternativ dazu, dass es rechteckig ist, auch exponential oder anderweitig geformt sein, d.h. dass es maximale Werte weniger stark gewichten kann, die weiter in der Vergangenheit liegen als jüngere Maximalwerte. Das Fenster kann auch gleitend statt feststehend beschaffen sein.
Vorzugsweise wird die umgewandelte Eingangssignalenergie geglättet, bevor der Raumimpuls-Dämpfungswert bestimmt wird. Für diesen Zweck können die beim Stand der Technik bekannten Glättungsverfahren verwendet werden. Vorzugsweise sind die Zeitkonstanten für den Glättungsvorgang kleiner als T_r, und zwar mindestens um einen Faktor 2, vorzugsweise jedoch um einen Faktor zwischen 3 und 10. Um sicherzustellen, dass diese Beziehung unabhängig von der tatsächlichen Nachhallzeit ist, kann eine Rückkopplungsfunktion vorgesehen werden. Gemäß dieser Rückkopplungsfunktion wird der bestimmte Raumimpuls-Dämpfungswert bzw. ein daraus abgeleiteter Wert in die Glättungsstufe als ein Filterkonstanten-Stellwert eingespeist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung erweist sich, obgleich die ihm zu Grunde liegenden Prinzipien vergleichbar mit Verfahren vom Stand der Technik sind, überraschend einfach und signifikant weniger rechenintensiv. Es verwendet Werte, die in einem Hörgerät häufig bereits verfügbar sind, wie z.B. die logarithmische Signalenergie usw. Im Vergleich zu dem oben beschriebenen Verfahren von K. Lebart et al. vermeidet es die ausgesprochen komplexe und rechenintensive Schätzung der Nachhallzeit T_r zur Erzeugung des exponentiellen Terms in der Gleichung (2) für die Schätzung der Nachhallenergie.
Neben der Bereitstellung einer wesentlich einfacheren Lösung für die Schätzung der Nachhallzeit T_r bzw. eines Maßes für letztere ermöglicht das Verfahren gemäß der Erfindung ebenfalls die Implementierung einer einfacheren Verstärkungsregel. Daher ist es recheneffizient. Die Recheneffizienz ist in Hörgeräten immer noch von hauptsächlicher Bedeutung. Indem ebenfalls der fehleranfällige Schritt der Ermittlung von Sprechpausen beseitigt wird, wird die Unempfindlichkeit dementsprechend verbessert.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die Anfälligkeit auf die RIatt-Schätzfehler ziemlich niedrig ausfällt, d.h. dass signifikante Schätzfehler in der Größenordnung von ca. 20–40 % nicht ohne weiteres hörbar sind. Daher kann auch ein vereinfachter Inversionsalgorithmus für eine Berechnung von 1/RIatt für eine Verstärkungsregel benutzt werden, d.h. der Inversionsalgorithmus kann mit einer einfachen Nachschlagtabelle mit nur wenigen Einträgen und möglicherweise sogar ohne eine Interpolation dazwischen implementiert werden.
Die Erfindung bezieht sich neben der Bereitstellung eines Verfahrens zum Unterdrücken eines Nachhallens in einem Hörgerät auch auf ein Hörgerät, das Mittel zum Implementieren des obigen Verfahrens aufweist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Hörgeräts.
Die Begriffe "Hörgerät" oder "Hörvorrichtung" bezeichnen wie hier verwendet einerseits Hörvorrichtungen, die therapeutische Vorrichtungen sind und das Hörvermögen von Individuen hauptsächlich gemäß diagnostischer Ergebnisse verbessern. Derartige Hörvorrichtungen können Außerhalb-des-Ohrs-Hörvorrichtungen oder Im-Ohr-Hörvorrichtungen sein. Andererseits umfassen diese Begriffe auch Vorrichtungen, die das Hörvermögen von Individuen mit normalen Hörvermögen in spezifischen akustischen Situationen wie z.B. in einer sehr lauten Umgebung oder in Konzerthallen verbessern, oder Vorrichtungen, die in Zusammenhang mit einer Fernübertragung oder beim Hören von z.B. durch Kopfhörer bereitgestellten Audiosignalen verwendet werden.
Die Hörgeräte, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, sind sogenannte aktive Hörgeräte, die an ihrer Eingangsseite mindestens einen Wandler von akustischen zu elektrischen Signalen wie z.B. ein Mikrophon und an ihrer Ausgangseite mindestens einen elektrisch-mechanischen Wandler wie z.B. einen Lautsprecher aufweisen, und die weiterhin über eine Signalverarbeitungseinheit zur Verarbeitung von Signalen gemäß den Ausgangssignalen des Wandlers von akustischen zu elektrischen Signalen und zur Erzeugung von Ausgangssignalen zu dem elektrischen Eingang des elektrisch-mechanischen Ausgangswandlers verfügen. Allgemein kann die Signalverarbeitungsschaltung eine analoge, digitale oder hybride Analog-Digital-Schaltung sein und sie kann mit diskreten elektronischen Komponenten, integrierten Schaltungen, oder aus einer Kombination von beiden Anordnungen implementiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden die Prinzipien der Erfindung durch eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen erläutert. Die Beschreibung bezieht sich auf Zeichnungsfiguren, die mit Ausnahme der 1 und 2 alle schematische Zeichnungen sind, wobei in diesen Zeichnungen in:
1 die Signalenergie eines trockenen (nicht nachhallenden) Sprachsignals dargestellt ist, das die nicht-linearen negativen Neigungen in den Sprechpausen zeigt;
2 die Signalenergie eines nachhallenden Sprachsignals gezeigt ist, das die ungefähr linearen negativen Neigungen in den Sprechpausen darstellt;
3 eine beispielhafte Hüllkurve eines nachhallenden Sprachsignals dargestellt ist, wobei die maximalen negativen Neigungen in dickeren Strichen gezeigt sind;
4 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Hörgeräts gemäß der Erfindung dargestellt ist;
5 ein Blockdiagramm eines Teils des Hörgeräts gezeigt ist, das die Signalverarbeitung illustriert;
6a, 6b, und 6c Aufträge von Beispielen von Verstärkungsregeln dargestellt sind; und
7 ein Blockdiagramm eines Teils einer weiteren Ausführungsform eines Hörgeräts gemäß der Erfindung gezeigt ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 stellt in einem logarithmischen Maßstab die Signalenergie eines trockenen (nicht nachhallenden) Sprachsignals als eine Funktion der Zeit dar, wobei die nicht-linearen negativen Neigungen in den Sprechpausen gezeigt sind. In dieser Figur werden die Sprechpausen durch Pfeile verdeutlicht.
2 stellt den entsprechenden Auftrag von ungefähr dem gleichen Sprachsignal dar, das jedoch nachhallt. In den Sprechpausen sind die ungefähr linearen negativen Neigungen zu sehen. Für Anwender von Hörgeräten kann die Verschleierung der Sprechpausen durch das Nachhallen die Sprachverständlichkeit reduzieren.
Eine wichtige Feststellung der Erfindung besteht darin, dass die maximale negative Neigung, die über eine derartige (auf geeignete Weise vorverarbeitete) Signalhüllkurve hinweg vorliegt, ein guter Indikator für die Nachhallzeit T_r ist. Mit anderen Worten schwächt sich sogar bei sofort erfolgenden Abfällen des (Sprach)-Signals das nachhallende Signal nie schneller ab, als dies durch T_r vorgegeben ist. 3 stellt diese Beziehung dar. Die Energie P_xx eines nachhallenden Sprachsignals in einem Frequenzband f (hier ist f eine diskrete Variable) ist als eine Funktion der Zeit aufgetragen. Die dicken Striche stellen Sekanten (die ungefähr Tangenten sind) an Orten mit maximal negativen Neigungen dar. RIatt (die Raumimpulsdämpfung) ist als diejenige Dämpfung an Orten mit maximal negativen Neigungen während eines Zeitraums T definiert, wie dies in 3 dargestellt ist. Typische Werte für T liegen zwischen 10 ms und 50 ms und beispielsweise bei 20 ms.
RIatt ist die Dämpfung der Raumimpulsantwort über einen kurzen Tonenergieimpuls, der über einen Zeitraum T hinweg auftritt, wenn keine andere signifikante Signalenergie mehr vorliegt, und wird in einem logarithmischen Maßstab bestimmt. Sie steht mit T_r folgendermaßen in Beziehung:
wobei die arbiträre Zeitverzögerung T sowie die tatsächliche Nachhallzeit frequenzabhängig sein können. RIatt ist nur langsam zeitvariabel, sodass der Zeitindex t weggelassen wird, obgleich seine Schätzung regelmäßig aktualisiert wird.
Ein "Signal-zu-Nachhall-Rauschverhältnis (SNR)" in dem Sinne der Gleichung (2) ist definiert als:
Im Allgemeinen werden verwendete logarithmische Signalenergien oder Pegel in einem Hörgerät auch für andere Zwecke wie z.B. die Verstärkungsberechnung benutzt und sind daher einfach verfügbar. Dies ermöglicht eine leichte Berechenbarkeit des obigen Ausdrucks für ein Signal-zu-Nachhall-Rauschverhältnis.
Zu beachten ist, dass die obige SNR-Messung die empfangene Energie P_xx mit der geschätzten Nachhallenergie P_rr vergleicht und daher theoretisch niemals negativ werden kann, wenn RIatt(f) auf die geeignete Weise berechnet wird, d.h. wenn RIatt(f)/T die maximal negative Neigung ist, die während eines ausreichend langen Beobachtungszeitraums festegestellt wird. Mit anderen Worten vergleicht die obige SNR-Messung die (maximale) Dämpfung, die ein Nachhaltsignal aufweisen würde, wenn kein anderes Signal bei der beobachteten Signaldämpfung vorläge (wobei die Dämpfung im Falle einer Signalerhöhung negativ ausfiele): SNRrev(t, f) = RIatt(f) – PXX_dB(t – T, f) – PXX_dB(t, f) (4b)
Das Nachhall-SNR kann zum Einstellen einer Verstärkung gemäß der folgenden geeigneten Verstärkungsregel verwendet werden: Wenn die beobachtete Dämpfung nahe an die maximale Dämpfung herankommt, ist der Anteil des Nachhalls des gesamten Signals hoch, und daher wird das Signal unterdrückt.
Eine Ausführungsform eines Hörgeräts gemäß der Erfindung ist schematisch in 4 dargestellt. Ein Eingangswandler 1 und ein Analog-zu-Digital-Wandler 2 wandeln das akustische Eingangssignal in ein umgewandeltes Eingangssignal S_I um, das ein digitales elektrisches Signal ist. Das umgewandelte Eingangssignal wird von einem digitalen Signalprozessor (DSP) 3 verarbeitet. Das Ausgangssignal So des DSP wird in einen Digital-zu-Analog-Wandler 4 und nach einer möglichen (nicht dargestellten) Verstärkungsstufe in einen Ausgangswandler 5 eingespeist.
Wie in 5 dargestellt umfasst der Signalpfad in dem DSP eine Verstärkungseinheit 11 zum Zuführen einer Nachhall-SNR-abhängigen Verstärkung zu dem Signal. Er kann weitere Signalverarbeitungsstufen 12 aufweisen, die stromauf von einer Verzweigungsstelle A für Verstärkungsevaluationsmittel zwischen der Verzweigungsstelle A und der Verstärkungseinheit 11 vorgesehen werden können, wie dies in der Figur schematisch dargestellt ist, und/oder die stromab von der Verstärkungseinheit 11 angeordnet werden können. Die weiteren Signalverarbeitungsstufen können jegliche Signalverarbeitungsalgorithmen aufweisen, die für Hörhilfen bekannt sind bzw. zukünftig erfunden werden. Da sie keinen Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden, werden sie hier nicht weiter beschrieben werden.
Das Verstärkungsevaluationsmittel 13 weist eine logarithmische Energieberechnungsstufe 14 auf, die vorzugsweise Glättungsmittel umfasst. Für die Glättung der Hüllkurve können sogenannte "Dual-Slope-Mittler" (DSAs) (oder Dual-Slope-Filter) verwendet werden, die unterschiedliche Parameter für die Einschwing- und Abfallzeitkonstanten enthalten. Die DSAs können besser als normale Mittler der natürlichen Form einer Signalhüllkurve folgen. Typische Einschwingzeiten für die Evaluation von Sprachsignalen liegen in der Größenordnung von 5–10 ms, und die typischen Abfallzeiten liegen in der Größenordnung von 50 ms. Die Berechnung der logarithmischen Signalenergie, der Glättung sowie weitere Schritte werden vorzugsweise in begrenzten Frequenzbändern durchgeführt, was nachstehend ausführlicher erläutert werden wird.
Anstatt durch das umgewandelte Signal S_I gespeist zu werden, kann die logarithmische Energieberechnungs- und Glättungsstufe 14 stattdessen mit einem bereits verfügbaren logarithmischen Energiesignal versorgt werden. Das geglättete logarithmische Energiesignal wird zu einem Verzögerungselement 16 geführt. Das derart erhaltene verzögerte logarithmische Energiesignal sowie das geglättete logarithmische Energiesignal werden in einen ersten Addierer 17 eingespeist, wo das verzögerte logarithmische Energiesignal von dem logarithmischen Energiesignal subtrahiert wird. Tatsächlich ist diese Differenz ein Dämpfungswert (oder sie kann als ein Signalenergie-Entwicklungswert betrachtet werden). Sie wird in eine Evaluationseinheit für die Raumimpulsdämpfung 15 eingeleitet, wo über einen bestimmten Zeitraum I hinweg die maximale Dämpfung RIatt während der Verzögerung T berechnet wird. Der berechnete Raumimpuls-Dämpfungswert RIatt kann in einem temporären Speicher abgespeichert und kontinuierlich von der Evaluationseinheit für die Raumimpulsdämpfung 15 ausgegeben werden. Durch einen zweiten Addierer 19 wird der Wert von RIatt zu dem tatsächlichen Dämpfungswert, der von dem ersten Addierer erhalten wurde, dazu addiert. Gemäß Gleichung (4) ist der derart erhaltene Wert ein Signal-zu-Nachhall-Rauschverhältnis SNR. Dieses SNR wird in eine Verstärkungsregeleinheit 18 eingespeist, die auf der Basis des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und einer Verstärkungsregel eine Verstärkung für die Verstärkungseinheit 11 berechnet. Bevor sie in eine Verstärkungsregeleinheit eingespeist wird, kann die berechnete Verstärkung zurück in die lineare Domäne umgewandelt werden, um auf das Signal S_I oder ein daraus abgeleitetes Signal angewendet zu werden, was in der Figur durch eine Umwandlungseinheit 20 dargestellt ist.
Eine "Verstärkungseinheit" bezieht sich in diesem Kontext auf eine Einheit, die das einlaufende Signal auf eine Weise ändert, die von dem Nachhall-SNR abhängig ist, beispielsweise, indem sie das Signal mit einem von dem Nachhall-SNR abhängigen Faktor multipliziert oder verstärkt.
Ein Beispiel für eine einfache, aber effektive Verstärkungsregel ist in 6a dargestellt. Die Verstärkung als eine Funktion des Nachhall-SNR nimmt linear zu, wenn das Nachhall-SNR kleiner als RIatt ist (d.h. wenn die Signalenergie konstant ist oder wenn sie sich verringert), und die Verstärkung hält einen konstanten maximalen Wert aufrecht, wenn die Signalenergie als eine Funktion der Zeit abnimmt. In der Figur ist der maximale Wert 0 (in einem logarithmischen Maßstab).
Als eine Gleichung ausgedrückt lautet die Verstärkungsregel wie folgt:
was vereinfacht werden kann zu:
Diese Gleichung enthält die Inversion von RIAtt(f), die mit der gleichen langsamen Taktrate wie RIAtt(f) selbst berechnet werden kann und daher ebenso wenig berechnungsintensiv ist. Ähnlich dazu kann sie durch ein Verfahren mit einer Ablaufsnachschlagtabelle genähert werden. Weiterhin ist zu beachten, dass die Max(.) Operation nur für die Unempfindlichkeit durchgeführt wird, d.h. für negative Werte von SNR_rev(t, f), die trotzdem nicht auftreten sollten. Die Min(.) Operation begrenzt die Verstärkungen auf negative Werte, d.h. Dämpfungen, sodass keine positiven Verstärkungen auf Nicht-Nachhallsignale angewendet werden können.
Anschließend wird die berechnete Verstärkung entweder mit anderen Verstärkungen kombiniert, die für andere (in 5 nicht dargestellte) Anordnungen berechnet wurden, oder sie wird unabhängig zurück in die lineare Domäne umgewandelt, um an dem Signal S_I oder einem daraus abgeleiteten Signal angewendet zu werden.
Statt der oben erwähnten Verstärkungsregel können andere Verstärkungsregeln angewendet werden. Die 6b und 6c zeigen Beispiele von weiteren möglichen Verstärkungsregeln. Die Verstärkungsregel gemäß 6b schneidet das Signal einfach ab, wenn das Nachhall-SNR unter einem Schwellwert SNR_THR. liegt. "Abschneiden" bedeutet in diesem Zusammenhang eine Dämpfung durch einen maximalen Abfall der Dämpfungskurve MaxAtt. Wenn das Nachhall-SNR über dem Schwellwert liegt, wird das Signal nicht abgeschwächt (die Verstärkung beträgt in einem logarithmischen Maßstab 0). Andere differenzierter abgestufte Funktionen umfassen eine Mehrzahl von Schritten, die ebenfalls durchgeführt werden können. Die Verstärkungsregel gemäß 6c ist neben derjenigen von 6a ein weiteres Beispiel für eine Verstärkungsregel, bei der die Verstärkung eine kontinuierliche Funktion des Nachhall-SNR ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die logarithmische Signalenergie (bzw. der Signalpegel) sowie der Term RIatt in einer Mehrzahl von Frequenzbändern berechnet, woraufhin ein Verstärkungsfaktor in jedem Band berechnet wird. Die Gleichungen (1) bis (5) sind dann alle als frequenzabhängig zu lesen, wie dies durch die Variable f angegeben ist.
Filterbänke auf Zeitdomänen- oder Transformationsbasis mit gleichförmiger oder ungleichförmiger Verteilung der Frequenzbandbreite für die einzelnen Bänder können dazu verwendet werden, das umgewandelte Eingangssignal in einzelne Signale für jedes Frequenzband aufzuteilen. Beispiele von Filterreihen auf der Transformationsbasis umfassen, ohne sich jedoch darauf zu begrenzen, FFT, DCT, und Filterreihen auf Wavelet-Basis. 7 stellt sehr schematisch diejenige Ausführungsform dar, in der ein Verstärkungsfaktor in jedem Frequenzband berechnet wird. Das umgewandelte Eingangssignal wird in die Filter 21 der Filterbank eingespeist, wodurch sich eine Mehrzahl von Eingangsuntersignalen S_I(f) ergibt. In jedem Frequenzband berechnet ein Verstärkungsevaluationsmittel 13 von der oben beschriebenen Art einen Verstärkungsfaktor für eine Verstärkungseinheit 11. Es können individuelle Parameter für die Glättungsfilter für jedes Frequenzband verwendet werden. Solche individuellen Parameter für die Glättungsfilter können an einen frequenzbandspezifischen Raumimpuls-Dämpfungswert in jedem Fre quenzband angepasst werden.
Die in jedem Frequenzband erhaltenen Ausgangsuntersignale S_O(f) werden zur Bereitstellung eines Ausgangssignals S_O durch eine Additionsstufe 22 addiert (bzw. invers transformiert). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Anzahl an Frequenzbändern jedoch als zwischen 10 und 36 liegend ausgewählt. Die Erfindung arbeitet mit jeder beliebigen Zahl von Frequenzbändern. Die Frequenzbänder können so gewählt werden, dass sie in einem logarithmischen Maßstab gleichförmig zueinander angeordnet sind.
Als nächstes werden unterschiedliche Möglichkeiten zum Erhalt der RIatt-Werte erläutert. Gemäß einer ersten Ausführungsform werden die folgenden Schritte verwendet: Während eines Zeitraums I wird der Wert Att(t, f) = PXX_dB(t – T, f) – PXX_dB(t, f) (7)zu jeder Zeiteinheit T gemessen. Der erste gemessene positive Wert von Att(t, f) wird in einem temporären Speicher abgespeichert. Jeder nachfolgend gemessene Wert von Art (t, f) wird mit dem abgespeicherten Wert verglichen. Ist er größer, wird der gespeicherte Wert durch den gemessenen Wert ersetzt. Der in dem Speicher verbleibende Wert nach Ablauf des Zeitraums I wird als RIatt definiert. Dieses Vorgehen wird regelmäßig wiederholt (wobei die Wiederholrate des Vorgehens in dieser Beschreibung manchmal als die "Taktrate" bezeichnet wird), und jedes Mal wird RIatt neu berechnet.
Dieses Vorgehen beruht auf der Annahme, dass das Energiesignal in einem Zeitmaßstab glatt ausfällt, der T entspricht. Mit anderen Worten müssen die Zeitkonstanten der Filter der Glättungsstufen so ausgewählt werden, dass sie in dem Bereich von T liegen oder größer als dieser sind. Alternativ dazu kann der Wert Alt (t, f) das Ergebnis einer Durchschnittsbildung von nachfolgenden Differenzwerten sein.
Eine Alternative zu der obigen Berechnung über Zeiträume I hinweg besteht darin, dass RIatt kontinuierlich aktualisiert wird. Jeder Wert von Au (t, f), der gemäß Gleichung (7) berechnet wurde, wird wie bei dem obigen Vorgehen mit dem gespeicherten Wert verglichen. Wenn der gemessene Wert größer als der abgespeicherte Wert ist, wird der abgespeicherte Wert durch den gemessenen Wert ersetzt. Der gespeicherte Wert wird jedoch ständig durch einen inkrementellen Wert verringert, so dass sich das System nicht aufhängen kann, wenn der Dämpfungswert hoch ist, und dass es sich an eine Konstellation anpassen kann, bei der der Hörgeräteanwender in eine Situation kommt, in der sich das Nachhallen erhöht.
Es können weitere Prozeduren zum Aktualisieren des Raumimpuls-Dämpfungswertes ersonnen werden.
Die Zeitkonstanten der Filter (Mittler) der Glättungsstufe können an den aktuellen Wert von RIatt bzw. über die Gleichung (3) an den Wert von T angepasst werden. In 5 wird dies durch gestrichelte Linien dargestellt, die eine Rückkopplungsfunktion illustrieren. Genauer können beispielsweise die Zeitkonstanten der Filter so ausgebildet werden, dass sie proportional zu T_r sind und beispielsweise zwischen 1/2 und 1/20 des Werts von T_r liegen, und vorzugsweise zwischen 1/3 und 1/10 des Werts von T_r. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden Dual-Slope-Mittler verwendet, wobei die Zeitkonstanten für die Dual-Slope-Filter in Ansprechen auf den Raumimpuls-Dämpfungswert anpassungsfähig gemacht werden.
Obgleich diese Erfindung bezüglich einer digitalen Signalverarbeitung beschrieben worden ist, kann sie ebenso unter Verwendung analoger Techniken implementiert werden.

Claims

Bin Verfahren zur Umwandlung eines akustischen Eingangssignals eines Hörgerätes in ein Ausgangssignal, welches die Schritte der Umwandlung des akustischen Eingangssignals in ein umgewandeltes Eingangssignal und der Verstärkung des umgewandelten Eingangssignals, um das Ausgangssignal zu erhalten, aufweist, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte der Bestimmung eines umgewandelten Signalstärkenwertes aus dem umgewandelten Eingangssignal, der Bestimmung eines Raum-Impuls-Dämpfungswertes, welcher ein Maß einer maximalen negativen Neigung des Logarithmus eines umgewandelten Signalstärkenwertes in Funktion der Zeit ist, der Durchführung einer Verstärkungsberechnung auf der Grundlage dieses Raumimpuls-Dämpfungswertes, aus welcher Berechnung diese Verstärkung des umgewandelten Eingangssignals hervorgeht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei diese Verstärkungsberechnung die Schritte der Evaluation eines Signalstärken-Entwicklungswertes, welcher ein Maß der effektiven Dämpfung der Verstärkung des umgewandelten Eingangssignals oder der Zunahme der Signalstärke ist, der Evaluation eines Verhältnisses des Signals zum Hallgeräusch aus dem Signalstärken-Entwicklungswert und dem Raum-Impuls-Dämpfungswert aufweist, sowie der Berechnung dieser Verstärkung gemäß einer Verstärkungsregel aus diesem Verhältnis des Signals zum Hallgeräusch.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Verstärkungsregel derart ist, dass die Verstärkung monoton in Abhängigkeit von diesem Verhältnis des Signals zum Hallgeräusch zunimmt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Verstärkung maximal ist, wenn die Differenz zwischen der akustischen Eingangssignalstärke und der um eine Verzögerungszeit T verzögerten akustischen Eingangssignalstärke positiv ist und kontinuierlich in Abhängigkeit des Verhältnisses des Signals zum Hallgeräusch zunimmt, wenn die Differenz zwischen der akustischen Eingangssignalstärke und der um eine Verzögerungszeit T verzögerten akustischen Eingangssignalstärke negativ ist.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4, wobei dieser Wert der Raum-Impulsdämpfung der absolute Wert dieser maximalen negativer Neigung multipliziert mit einer Verzögerungszeit T ist, und wobei dieses Verhältnis des Signals zum Hallgeräusch die Summe dieses Wertes der Raum-Impulsdämpfung und der Differenz zwischen dem akustischen Eingangssignal und dem durch die Verzögerungszeit T verzögerten akustischen Eingangssignals ist.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der umgewandelte Eingangssignalwert in einer Reihe von Frequenzbändern bestimmt und verarbeitet wird, wobei ein Wert der Raum-Impulsdämpfung in mindestens einem von diesen Frequenzbändern berechnet wird, und wobei daraus ein Verstärkungsfaktor in mindestens einem von diesen Frequenzbändern berechnet wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Frequenzbandsignale in den einzelnen Frequenzbändern in Zeitbereichsfilterreihen oder in Filterreihen auf der Grundlage der Umformung mit gleichförmiger oder ungleichförmiger Verteilung der Frequenzbandbreite erhalten werden.
Das Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die umgewandelte Eingangssignalstärke geglättet wird, bevor der Wert der Raum-Impulsdämpfung bestimmt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Zeitkonstanten von den für die Glättung verwendeten Filtern so gewählt werden, dass sie vom Wert der Raum-Impulsdämpfung abhängig sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei Dual-Slope-Filter für die Glättung verwendet werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7 und irgendeinem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Signale in den einzelnen Frequenzbändern geglättet werden, indem für jedes Frequenzband individuelle Parameter für die Glättungsfilter verwendet werden.
Ein Hörgerät, welches einen Eingangsmesswandler aufweist, um ein akustisches Eingangssignal in ein umgewandeltes Eingangssignal umzuwandeln, mindestens eine Verstärkungseinheit sowie einen Ausgangsmesswandler, wobei der Eingangsmesswandler über die Verstärkungseinheit mit dem Ausgangsmesswandler wirkverbunden ist, und wobei ein Verstärkungswert für die Verstärkungseinheit einstellbar ist, wobei das Hörgerät des Weiteren ein Berechnungsmittel für die Verstärkung (13) einschließlich einer Evaluationseinheit für die Raumimpulsdämpfung (15) aufweist, welches in der Lage ist, einen Raumimpulsdämpfungswert zu bestimmen, welcher ein Maß einer maximalen negativen Steigung des Logarithmus des umgewandelten Eingangssignals in Abhängigkeit von der Zeit ist, wobei dieses Berechnungsmittel (13) in der Lage ist, eine Verstärkung zu berechnen, welche auf dem Raumimpulsdämpfungswert beruht.
Das Hörgerät gemäß Anspruch 12, wobei dieses Berechnungsmittel für die Verstärkung (13) eine im Betrieb mit der Verstärkungseinheit (11) verbundene Verstärkungsregeleinheit (18) für die Lieferung von Verstärkungsfaktoren aufweist, und wobei diese Evaluationseinheit für die Raumimpulsdämpfung (15) im Betrieb mit der Verstärkungsregeleinheit (18) über eine Additionsstufe (19) verbunden ist, die in der Lage ist, eine Differenz zwischen einer effektiven Signalstärke und einer verzögerten Signalstärke zum Wert der Raumimpulsdämpfung zu addieren.
Das Hörgerät gemäß Anspruch 12 oder 13, welches eine Glättungsstufe aufweist, bei welcher mindestens ein Filter vor der Evaluationseinheit für die Raumimpulsglättung (15) angeordnet ist.
Das Hörgerät gemäß Anspruch 14, welches eine Rückkopplungsschleife für die Einstellung der Zeitkonstanten dieses mindestens einen Filters gemäß Werten der Raumimpulsdämpfung aufweist.
Das Hörgerät gemäß irgendeinem der Ansprüche 12 bis 15, welches Mittel für die Frequenzbandaufteilung (21) aufweist, um das umgewandelte Eingangssignal in eine Vielzahl von Untersignalen in verschiedenen Frequenzbändern aufzuteilen, sowie eine Verstärkungseinheit (11) und ein Mittel für die Berechnung der Verstärkung (13) für mindestens ein Frequenzband, wobei diese Mittel zur Berechnung der Verstärkung (13) betrieben werden, damit jeweils ein Verstärkungsfaktor in mindestens einem Frequenzband berechnet wird.
Ein Verfahren für die Herstellung eines Hörgerätes, welches die Schritte des Vorsehens eines Eingangsmesswandlers für die Umwandlung eines akustischen Eingangssignals in ein umgewandeltes Eingangssignal, des Vorsehens von mindestens einer Verstärkungseinheit, des Vorsehens eines Ausgangsmesswandlers und der Wirkverbindung des Eingangsmesswandlers über die Verstärkungseinheit mit dem Ausgangsmesswandler aufweist, wobei ein Verstärkungswert für die Verstärkungseinheit einstellbar ist, wobei das Verfahren des Weiteren die Schritte des Vorsehens von Mitteln für die Berechnung der Verstärkung (13) einschließlich einer Evaluationseinheit für die Raumimpulsdämpfung (15) aufweist, welche Evaluationseinheit in der Lage ist, einen Raumimpulsdämpfungswert zu bestimmen, welcher ein Maß einer maximalen negativen Steigung des Logarithmus der umgewandelten Eingangssignalstärke in Funktion der Zeit ist, wobei die Mittel zur Berechnung der Verstärkung (13) in der Lage sind, eine Verstärkung zu berechnen, welche auf diesem Wert der Raumimpulsdämpfung beruht, sowie den weiteren Schritt des Wirkverbindens des Mittels für die Berechnung der Verstärkung mit der Verstärkungseinheit.