CN102282867B - 助听器和一种检测并衰减瞬变的方法 - Google Patents

助听器和一种检测并衰减瞬变的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种助听器，该助听器具有用于检测输入信号中的快速瞬变的装置(15)，和用于在为使用者呈现带有衰减的瞬变的信号之前衰减检测到的瞬变的装置(16、12、13)。通过测量带分滤波器组(11)上游的信号的峰差并且比较峰差与至少一个峰差限制，执行检测。然后，如果检测到瞬变，那么状态机(20)分析信号的峰值水平和绝对值平均水平，并且用增益计算器(12)在至少瞬变的持续时间内跟随输入信号的峰值水平或绝对值平均水平，以便衰减瞬变。在与检测到的瞬变有关的每个频带中执行增益计算器(12)的使用。本发明进一步提供用于检测快速瞬变的方法。

Description

助听器和一种检测并衰减瞬变的方法
技术领域
本发明涉及助听器。更具体地，涉及包含动态修正输入信号的装置的助听器。本发明进一步涉及一种在助听器中处理信号的方法。
背景技术
现代的助听器中，根据指示(prescription)设定放大增益从而适应使用者的听力损失，并且依据瞬时声音水平(sound level)动态地修改放大增益。在现有技术水平的助听器中，这是在相应的各频带实施的。助听器的装配目的在于限定听力阈水平HTL(hearing thresholdlevel)和较高舒适水平UCL(upper comfort level)之间的再生声音水平(reproduced sound level)，听力阈水平HTL构成下限，较高舒适水平构成上限。有听力损失的人在出现听力损失的频率具有较高的HTL，然而UCL通常更少地被听力损失影响，即非常大的声音仍引起与对正常听力的人近似相同的不适。因此，为了控制声音水平中较大的变化，而不超过较高舒适水平，来自助听器的输出信号的一些动态缩减或压缩的形式是必要的。这尤其是对非常大声又具有非常短的持续时间的瞬变(transient)噪声来说更是如此。
为了保持来自助听器输出换能器(transducer)的放大的声音低于UCL，现代的助听器通常有几种动态压缩或限制声音信号水平的方法。压缩器通常包含水平检测器和具有可控增益水平的放大器。该水平检测器提供对输入信号的总水平的测量，例如峰值水平(peak level)、包络(envelope)、或某一时窗遇到的一些平均值。现代的助听器中出现的压缩器通常在为使用者的听力损失装配助听器的过程中优化压缩器的设置以便确切地再生易于理解的语音。当然助听器也再生其他声音，但是语音信号的处理质量是首要的。
听力受损的人对噪声中的语音信号很难理解，并且因此当为使用者装配助听器时，优化处理过程考虑这一因素。瞬变噪声造成一个特殊问题，因为瞬变噪声对于压缩器来说可能太短以至于不能作出反应并衰减。重复的瞬变也可能在直到瞬变声音结束后的几秒内一直显著减少助听器的放大。
许多因素影响最后的增益降低的信号的质量。放大器的质量、降低增益的速度和检测输入信号中峰值的方法和速度都对感知到的再生信号的质量有影响。当输入水平从轻声变为大声时，缓慢的启动时间(attack-time)，即低速减小增益，水平可产生过多增益。缓慢的恢复时间(release-time)，即低速地使增益从减少的水平倾斜回到正常水平，可产生应用于轻声声音的过小的增益立即跟随大声声音。
在本申请中，助听器应理解为小的电池供电的微电子设备，经设计从而由听力受损的使用者带在耳后或耳中，从而减轻听力损失。使用之前，助听器适配人员根据对听力受损使用者的未辅助的听力的原始性能的指示(prescription)，通过放大可听频率范围中使用者难以感觉的声音部分的频率，来调整助听器，该指示基于产生所谓听力图的听力测试。助听器包含一个或更多话筒、电池、包含信号处理器的微电子电路和声学输出换能器。该信号处理器优选地是数字信号处理器。该助听器装入适于装配在人耳后或耳中的壳体中。
助听器中的话筒将来自环境的声音转换为模拟电信号。助听器中的数字信号处理器依靠模数转换器将来自话筒的模拟电信号转换为数字形式，并且在数字域(digital domain)中实现随后的信号处理。通过数字带通滤波器的相应的滤波器组将该数字信号划分到多个频带，每个带通滤波器处理各自的频带。带通滤波器组通常表示带分滤波器(band-split filter)。在每个频带中的信号处理包含增益计算和压缩。在处理各个分别的频带中的信号之后，在数字输出信号转换为声音之前对多个频带求和。
因此数字助听器能够分别且独立地放大输入信号的多个不同频带，并随后合并得到的频带信号，从而为再生形成连贯可听的频率范围。放大处理过程的部分包括用于控制各自频带的动力学的压缩算法(compression algorithm)，并且为了为具体听力损失修改声音再生，可为每个波段单独控制放大增益和压缩器参数。
为了如实地并易于理解地再生语音的目的，现代助听器中的压缩器通常在为使用者的听力损失装配助听器的过程中使其压缩器的设置最优化。助听器当然也再生其他声音，但是语音信号的处理质量是首要的。听力受损的人很难理解在噪声中理解语音信号，并且因此当为使用者装配助听器时，优化处理过程考虑这一因素。
众所周知，尖锐的瞬变噪声不适合助听器使用者。刀具和盘子撞击到一起、碰杯、碎纸、猛关门的声音或其他大声的瞬变噪声不仅超出所谓较高舒适水平的阈值，而且几乎不可能被通常使用的压缩器消除，并且助听器使用者可能感觉为无法忍受的噪声。
因此需要能够以如实并易于理解的方式再生语音，同时还能舒适地衰减最尖锐的瞬变的助听器。
WO-A1-2007031499公开了一种用于衰减助听器中瞬变噪声的方法和器件。该方法包括检测输入信号的包络曲线(envelope curve)、判定包络曲线的边缘的斜率(slope)和/或高度、根据仅在输入信号下一个零过渡附近判定的边缘斜率和/或高度衰减听力设备的输出信号。
体现为听力设备的该器件，包含用于检测输入信号的包络曲线的检测设备、用于判定包络曲线的边缘斜率和/或高度的数据处理设备、和用于衰减听力设备的输出信号的衰减设备。
这个方法具有必须分析并提取输入信号的五个不同参数的缺点，这五种参数是包络曲线、斜率、信号峰、边缘出现(edge presence)和零过渡(zero transition)。该方法也具有必须为被抑制的每个信号峰计算精确的衰减水平的额外的复杂性。此外，零点交叉规则(zero crossingrule)不保证系统不产生尖利声，因为在由于衰减的波形的零点交叉处的斜率的变化可能仍将尖利声和伪迹引入再生的声音。因此助听器中需要用于检测并处理输入信号中快速瞬变峰的更简单且更快速的系统。
发明内容
本发明在第一方面提供一种助听器，该助听器包含话筒、信号处理器和输出换能器，所述信号处理器由滤波器组和求和器(summer)，所述滤波器组用于将输入信号划分为多个频率通道输入信号，所述求和器用于对来自所述通道的输出信号求和，每个频率通道包含通道声音水平计算器(channel sound level calculator)、通道增益计算器和通道放大器，每个通道声音水平计算器都适于从通道输入信号推导一组参数，每个通道增益计算器适于动态控制每个通道放大器的增益，并且每个通道放大器适于根据用户指示处理信号，每个通道增益计算器和各自的通道放大器一起形成通道压缩器，其特征在于该信号处理器包含置于滤波器组上游的瞬变检测器，所述瞬变检测器具有用于判定输入信号的斜率并且如果输入信号斜率超过预定值时为每个通道声音水平计算器提供信号的装置，每个通道声音水平计算器基于推导的一组参数，控制通道增益计算器和通道放大器在各个频率通道中的压缩速度。
这个构造提供了具有足够快速响应(fast-responding)的瞬变检测器的助听器处理器，以便以对瞬变信号的处理不同于对语音信号的处理的方式在多个频率通道中采取足够的行动并且变换增益计算器的行为(behavior)。假定语音信号只具有上升速度低于例如160.000dB/s(对应于在32kHz的采样率5dB/样本)的瞬变，上升速度大于5dB/样本的某一水平之上的所有瞬变都可以通过根据本发明的瞬变检测器以这种方式被检测并处理。
在优选实施例中，增益计算器包含90％百分位估计器(percentileestimator)。这个百分位估计器通过以这样的方式跟随信号水平输出信号包络，即上升的信号值使包络值(envelope value)升高得与信号水平一样快，而下降的信号值使包络值以固定的时间常数下降。以使得百分位估计器的平均水平大体等于信号能量的90％这样的方式选择该时间常数。例如，在WO-A1-95/15668中所述的这种百分位估计器。
在第二方面，本发明提供一种用于检测输入信号中的瞬变的方法。该方法包含如下步骤：检测输入信号中的宽频带瞬变、将输入信号划分为多个频带并且处理每个频带，所述处理包括的步骤有从频带输入信号推导出一组频带参数、根据使用者的指示计算频带增益水平并将其应用到每个频带中的信号，其中计算频带增益水平的步骤包括根据宽频带瞬变的水平和推导出的一组频带参数的水平压缩瞬变声音，和将来自每个各自的频带的输出信号加在一起用以由助听器再生。
进一步的特征和优点体现在从属权利要求中。
在数字助听器中，根据尼奎斯特准则(Nyquist criterion)对信号进行采样，即采样率是将要再生的信号中最高频率的两倍。如果，例如以32kHz采样该信号，则可能被再生的最高频率将为16kHz。经验显示具有高于160.000dB/秒的斜率的瞬变峰实际上不会出现在语音声音中，但是频繁地发生在其他声音中。因此数字助听器的瞬变检测系统中以32kHz的采样率运行的斜率等级探测器可有利地被配置为对高于5dB/样本的斜率起作用。
如果允许斜率水平检测器对高于5dB/样本的任何斜率都起作用，那么会检测到太多非常低水平的快速瞬变。因此声音水平限制被引入到瞬变检测系统中，低于声音水平限制则检测不到限制瞬态。
附图说明
现在参考附图更详细地解释本发明，其中：
图1是根据现有技术助听器的瞬变检测和衰减设备，
图2是根据本发明助听器的瞬变检测和处理设备，
图3是示出瞬变声音对比每样本的水平增量(level increment)的图表，在按大小排列后分类并选自代表性的声音选择，
图4是助听器中随时间的输入信号水平的波形图，
图5是相应于图4的输入信号随时间变化的一组水平测量的图表，
图6是随时间变化的一组压缩器的输入水平和相应的增益水平的图表，
图7是相应于图6中水平测量的检测器参数的图表，和
图8是根据本发明的瞬变衰减系统的状态的图表。
具体实施方式
图1中示出现有技术助听器的瞬变检测和衰减设备1的方框示意图。输入连接到带分滤波器方框2，将可使用的输入信号的频率范围分为多个频带。多个频带的每个频带具有其自己的检测和衰减装置，每个装置包含包络计算方框3、非语音斜率检测方框4、RMS计算方框5、语音特性输入方框6和增益系数计算方框7。仅作为一个示例，在图1中示出任意的频带，为了清楚也可以建议其余频带。检测和衰减装置3、4、5、6、7的输出是增益值，其用于在放大器8中放大特定频带的信号。在频带求和方框9中重组多个频带中的这个放大的结果，频带求和方框9对多个频带是共用的。
将来自带分滤波器2的每个频带的信号分成两个分支，即增益计算分支用于在特定频带中发生的瞬变的情形中计算增益系数，和信号分支用于使信号在增益倍增器(gain multiplier)8中修改增益。此外，增益计算分支分为两个分支，一个分支前往RMS(均方根)计算方框5的输入，另一分支前往包络计算方框3的输入。
RMS计算方框5输出特定频带中的信号的瞬时RMS值，并且这个值直接用于增益系数计算方框7。包络计算方框3输出特定频带中的信号的瞬时包络值，即峰值，并且这个值与来自语音特性输入方框6的信号一起用于非语音斜率检测方框4。该语音特性输入方框6将语音的最大斜率值提供到非语音斜率检测方框4，语音的最大斜率值是特定频带的特征，并且如果来自包络计算方框3的斜率值具有的斜率比语音特性输入方框6设置的斜率值限制更陡，那么将信号供给到增益系数计算方框7。增益系数计算方框7将这个信号与来自RMS计算方框5的RMS值合并，并且相应地减小增益系数，从而抑制特定频带中的信号。
使用时，图1中瞬变检测和衰减设备在带分滤波器2中将输入信号分为多个单独的频带。包络计算方框3、RMS计算方框5和非语音斜率检测方框4持续地监控多个频带的每个频带中的信号，并且如果在特定频带中检测到非语音瞬变信号，那么在直到信号的下一个零点交叉(zero crossing)的一段短时间内，增益系数计算方框7减小那个频带中输出到放大器8的增益值。这导致了那段短时间内特定频带中增益被降低，并且因此抑制瞬变信号。
然而，这个现有技术方法有几个缺点。瞬变衰减设备1的复杂性使之很难在助听器中有效地实现，其中为了延长电池寿命，耗电量应被保持在最小值。具有许多半导体元件的复杂电路为了运行耗尽相当多的电量，并且瞬变衰减设备1显然构成消耗大量电量的高度复杂电路，例如其包含具有16个通道或频带的带分滤波器2，每个通道具有其自己的瞬变检测系统。
在滤波器组上游或频带增加回到一起的点的下游，可能电路拓扑(circuit topology)包括设置只对瞬变敏感的压缩器，但是因为一些原因不可行。位于信号链中带通滤波器之前或重组点之后并且正确调整的单独的全频带压缩器可能抑制最大声的瞬变，但是扰乱了仔细调整的信号性能的平衡，使声音质量和语音理解严重下降。
在根据现有技术的系统中，在带分滤波器下游实施瞬变分析，因此在滤波的信号上实施瞬变检测。这个途径可能使信号中的瞬变下降，其中该系统被设计为以不可预测的方式减弱该信号，将一些瞬变抑制到低于检测的水平，并且将其他瞬变放大到高于检测的水平，因此搞乱瞬变检测和衰减设备的判定过程，使从助听器输出的结果声音质量下降。
如果将检测瞬变的点被尽可能远地设置在信号流上游，那么检测的瞬变会尽可能忠实于实际输入信号。然后可容易地在滤波器组下游的单独频带中处理该瞬变。可在助听器的信号链中另一个点实施检测瞬变声音而不是处理瞬变声音的事实的实现是根据本发明助听器工作原理的关键。
图2示出根据本发明助听器中使用的包含瞬变检测和处理设备的信号处理器的优选实施例。信号处理器包含带分滤波器组11、通道放大器13、求和方框14和瞬变检测和衰减设备10。瞬变检测和处理设备10包含瞬变检测方框15、声音水平计算方框16、增益计算方框12、差分节点(difference node)27、常量方框29、倍增节点28和求和节点30。瞬变检测方框15包含门(gate)方框21、峰保持方框22、单元延迟方框23、差分节点24、第一阈值比较器方框25和第二阈值比较器方框26。声音水平计算方框16包含峰值水平测量方框17、快速水平测量方框18、90％百分位水平测量方框19和状态机20。
将输入信号供给带分滤波器组11和瞬变检测方框15的输入。在滤波器组11中，信号被分为多个频带，用于声音水平计算方框16和通道放大器13在每个通道中各自处理。
在瞬变检测方框15中，输入信号中的瞬变以以下方式检测：门方框21防止低于预定水平pmin的所有瞬变被瞬变检测方框15检测到。这通过比较输入信号p(t)和常量限制pmin并且输出两个值中最大的来实现。这个特征确保只有声音足够大以至于干扰使用者的瞬变才会由瞬变检测和衰减系统10处理。在门方框21之后，将信号供给峰保持方框22。峰保持方框22的目的是产生瞬变信号的正包络(positiveenvelope)以便稳定检测过程。
将来自峰保持方框22的输出信号分支为一个输入信号用于单元延迟方框23和另一个输入信号用于差分节点24。在差分节点24中，从来自峰保持方框22的输出信号减去来自单元延迟方框23的输出，以便形成峰差信号Δp。将峰差信号Δp分支为两个信号并且分别供给第一阈值比较器方框25和第二阈值比较器方框26的输入。
在第一阈值比较器方框25中，峰差信号Δp与峰差阈值th1进行比较。如果峰差信号Δp高于th1，则信号被发送到检测快速瞬变的声音水平计算方框16的状态机20。在第二阈值比较器方框26中，峰差信号Δp与峰差阈值th2进行比较。如果峰差信号Δp高于th2，则信号被发送到检测峰值瞬变的声音水平计算方框16的状态机20。th1和th2的值可能是常量，也可能依赖于输入信号，以便瞬变检测和衰减系统10使检测系统的灵敏度在变化的声音水平中保持稳定。
声音水平计算方框16中的状态机20使用来自瞬变检测方框15的信号，并且结合使用来自峰值水平测量方框17、快速水平测量方框18和90％百分位水平测量方框19的信号，从而判定增益计算方框12和放大器13将哪种类型的压缩应用于信号。
90％百分位水平测量方框19产生信号Sslow，当输入信号中不出现瞬变时状态机20使用该信号Sslow判定使用的第一压缩类型。信号Sslow是相当慢的变化信号，当信号水平达到压缩限制时，需要几秒施加增益变化。因此，信号Sslow非常慢以至于不能通过压缩特定通道中的输入信号来衰减瞬变。
快速水平测量方框18产生信号Sfast，当输入信号中出现快速瞬变时，状态机20使用该信号连同来自瞬变检测方框15的第一阈值比较器方框25的信号一起，判定使用的第二压缩类型。当信号水平达到压缩限制时，信号Sfast只需要几毫秒就可以施加增益变化。信号Sfast足够快以便用4dB/样本和5dB/样本之间的峰差值以32kHz的采样率衰减瞬变声音。
峰值水平测量方框17产生信号Speak，当输入信号中出现峰瞬变时，状态机20使用该信号连同来自瞬变检测方框15的第二阈值比较器方框26的信号一起，判定使用的第三压缩类型。当信号水平达到压缩限制时，信号Speak只需要几次采样就可以施加增益变化。因为带分滤波器组11的几次采样相对于瞬变检测方框15有固有延迟，所以对于在32kHz的采样率用高于5dB/样本的峰差值衰减瞬变声音，信号Speak足够快。
此外，为了使系统能够以对瞬变噪声(在听力受损中并不少见)超常的灵敏度衰减可能烦扰人的瞬变，根据本发明的系统中出现用于这个精确目的的小的附加网络。这个网络包含求和节点27和30连同常量29和倍增器28。从来自求和节点27中声音水平计算方框16的信号SL中减去来自90％百分位方框19的信号Sslow，乘以来自倍增器28中常量方框29的常量φ，并加上来自求和节点30中增益水平计算方框12的增益水平GT。那么提供给放大器13的最终增益水平是：
增益＝增益-(SL-Sslow)·φ
其中φ是接近零的正常数，其由助听器的装配人员选择并与助听器使用者感知到的瞬变声音的不舒适程度成比例。这使当在输入信号中检测到瞬变时在每个频带中使用比正常状态中使用的压缩比更高的压缩比。
本文中，将非语音瞬变分类为分别在下面表示的快速瞬变和峰值瞬变的两个不同类型是可行的。语音瞬变被认为是具有低于160.000dB/s的上升时间的所有瞬变。快速瞬变是具有从160.000dB/s到近似450.000dB/s的上升时间的非语音瞬变，并且尽管这个范围包含最强的语音瞬变，但是因为在实际中几乎不发生如此强的语音瞬变，所以不认为这是问题。压缩设置中的必要变化被认为足够小以至于在再生语音中不是问题。然而，峰瞬变的上升时间从450.000dB/s到可能650.000dB/s，峰瞬变需要更短的反应时间并且要求在压缩设置中更深刻的变化，以便适应并减轻快速瞬变。这个非语音瞬变的分类用于控制根据本发明的瞬变衰减系统10中的增益计算方框12。
声音水平计算方框16在特定频带中实施三种不同类型的信号分析，以便为增益计算方框12提供关于在特定情况中哪种类型增益减少适合的信息。第一分析是峰值水平测量，由提供信号Speak的峰值水平方框17实施。信号Speak跟随信号中最快的峰。第二分析是快速水平测量，由提供信号Sfast的快速水平方框18实施。这个信号随着信号的平均水平。第三分析是90％百分位水平测量，由提供信号Sslow的90％百分位水平方框19实施。这个信号跟随信号的90％百分位水平，即通过任意时间窗在90％的时间看见的信号的水平。
图2中示出的优选实施例中，在状态机20中利用三个增益减小状态：正常压缩状态、快速瞬变状态和峰瞬变状态。正常压缩状态使用信号Sslow控制增益水平，快速瞬变状态使用信号Sfast控制增益水平，并且峰瞬变状态使用峰信号Speak控制增益水平。在本发明的替代的实施例中的增益减小状态的较精细再分是完全可能的，并且例如，如前面所解释的，可能对于对瞬变噪声过敏的使用者是优点。为清楚起见，这里只讨论具有三个增益减小状态的实施例。
术语峰差(peak-diff)在下面用于表示两个连续样本之间峰值水平的差Δp。术语峰偏移(peak-offset)用于表示为了使Speak信号水平和Sfast信号水平间的差较小从而便于瞬变衰减系统在瞬变声音结束后尽可能快地回到正常压缩速度而引入的差。在这个实施例中，峰偏移大小约为-3dB。
状态机20执行关于来自方框17、18、19分析的水平的适合的增益水平和来自瞬变检测方框15的瞬变检测输出的决定。
根据控制增益计算方框12的性能速度的三个不同状态中的一个，状态机20输出速度水平信号SL，这三个不同状态即正常状态、快速瞬变状态和峰瞬变状态。当检测不到瞬变时，来自状态机的声音水平由信号Sslow的水平控制。当检测到快速瞬变时，声音水平跟随信号水平Sslow和Sfast的最大值。当检测到峰瞬变时，声音水平跟随信号水平Sslow、Sfast和Speak中的最大值。状态机20对信号水平的解译在表格1中呈现并且在下面更详细的解释。
表格1
当输入信号中出现峰瞬变时，状态机20的状态从正常状态变为峰瞬变状态，并且使声音水平SL跟随Speak用于控制增益计算方框12。
当输入信号中出现快速瞬变时，状态机20的状态从正常状态变为快速瞬变状态，并且使声音水平SL跟随Speak用于控制增益计算方框12。
当瞬变延迟时，输入信号的绝对平均值(abs-average value)Sfast大于峰偏移，并且状态机20的状态从峰瞬变状态变为快速瞬变状态，并且使声音水平SL跟随Sfast用于控制增益计算方框12。
当信号Sslow的水平大于峰瞬变状态中的峰偏移和信号Sfast的水平时，状态机20的状态直接从峰瞬变状态变为正常状态，并且使声音水平SL跟随Sslow用于控制增益计算方框12。这个几乎不发生的事件暗指输入信号中出现大信号水平并且峰值水平低于该信号水平。
当信号Sslow的水平大于快速瞬变状态中的信号Sfast的水平时，状态机20的状态从快速瞬变状态变为正常状态，并且使声音水平SL跟随Sslow用于控制增益计算方框12。这意味着输入信号中不再出现快速瞬变，或者至少其水平低于平均信号水平。
当瞬变声音的声音最大部分在峰瞬变状态中结束时，状态机20的状态从峰瞬变状态变为快速瞬变状态，并且使声音水平SL跟随Sfast用于控制增益计算方框12。
当状态机20进入快速瞬变状态或者峰瞬变状态时，延时器(未示出)开始从预定的数字向零递减计数。状态机20在这个计数器到达零之前不会改变其增益更新速度，即使在状态机20解译的条件暗指改变增益更新速度。这个特征将滞后引入瞬变衰减系统，用来保证增益计算方框12保持在比方说2000到3000连续样本的最小持续时间的瞬变抑制状态中的一个，该持续时间等于在32kHz的采样率下的约60到90毫秒之间。确保在这个时间窗内发生的瞬变被快速算法或峰算法衰减。
这确保了瞬变检测和衰减设备10的实际反应速度不受带分滤波器11中固有延迟影响，因为带分滤波器11处理信号之前，检测到信号中的瞬变。当检测到的信号中的瞬变到达放大器13时，由此增益计算方框12已经准备衰减该瞬变。
在延时器期间，即无论何时快速或峰瞬变被检测到并且由系统处理，都不更新来自90％百分位水平测量方框19的信号Sslow。如果在瞬变处理中更新该信号，那么当瞬变结束时信号Sslow的水平会更高，并且因此正常压缩过程会衰减所有声音。主观影响可能是由短暂的安静声音跟随的任何瞬变声音，其可能长达几秒。
当在每个单独频带中信号已经由放大器13放大时，单独频带在求和方框14中被一起加回，以便产生包含多个频带的输出信号。图2中，只有一个通道将一个频带带入声音水平计算方框16，示出增益计算方框12和放大器13。
在正常压缩状态中，特定频带中的增益减小等于增益水平和装配过程中指定的附加压缩(accompanying compression)。无论何时信号水平到达压缩器的限制，增益水平被增益计算方框12在特定频带中相应减小。在峰瞬变状态中，由瞬变检测方框15检测到的峰瞬变被增益计算方框12抑制，并且在快速瞬变状态中，由瞬变检测方框15检测到的快速瞬变被增益计算方框12抑制。
瞬变检测发生在带分滤波器组11之前的事实提高潜在的反应时间，这是由于信号需要有限的时间通过带分滤波器11、放大器13和求和点14。瞬变检测方框15的处理时间显著较短，并且这提高增益计算方框12的反应时间，实际上使瞬变对于系统是可预测的。
图3示出，语音中最强的瞬变和各种形式的瞬变噪声的统计分布的图表。已经从许多不同瞬变声音源和口语对话中记录一组声音示例，并随后按梯度值渐减对他们进行分类，梯度值即两个分类的样本值间的差，其中该声音示例每个包含320个单独的信号样本值，对应于在32kHz的采样率下0.1秒的声音。图表说明语音中的瞬变和其他声音中的瞬变之间的差。
从图3中的图表可获知两个重要的事实。第一个事实是非语音瞬变具有比语音瞬变明显更快的上升时间，并且第二个事实是语音瞬变实际上从不快于160.000dB/s上升，或不快于在32kHz的采样率下5dB/样本。在瞬变检测器和根据本发明的瞬变检测方框中采用这个知识，其中为了从非语音瞬变中分离语音瞬变的目的，有利地采用5dB/样本的限制作为图2所示的瞬变检测方框15中的限制。通过使用从图3获悉的知识为瞬变检测器提供参数，检测信号的峰值而不受信号中出现的语音瞬变的影响的安全方式是可能做到的。
由图2中瞬变检测方框15从输入信号得出的并且用于根据本发明助听器中瞬变分析和检测过程的信号代表关于瞬变信号的输入信号的性质的简化的真实时间模型。然后这个模型形成增益计算方框12作出决定的基础，该决定有关于压缩方案与为了使根据本发明的助听器中瞬变再生的不舒适性减小的目的在指示中限定的压缩的偏差值(deviation)。下面关于图4、5、6、7和8更详尽的解释得到的信号。
图4是助听器中输入信号的样本的水平的波形图。样本具有近似700毫秒的持续时间。图4中波形图中所示的样本包含三个瞬变事件。在下面图4、5、6、7和8的讨论中，所有时序参考样本的起始。在第一点A，80毫秒处，输入信号中出现大声的瞬变、在第二点B，470毫秒处，出现第二较小瞬变、并且在第三点C，590毫秒处，出现第三更小的瞬变。下面更详细地解释根据本发明的瞬变检测和衰减系统处理输入信号中的瞬变的方式。
图5是对应于图4的输入信号的样本一组四个水平测量信号图表的图表。这些信号用作对根据本发明的助听器中压缩器的控制信号。第一图表是信号SL，实线所示。第二图表是信号Sfast，短划线所示。第三图表是信号Speak，点划线所示。第四图表是信号Sslow，点线所示。
图5中实线所示的第一信号SL的图表代表声音水平控制信号，如图2中声音水平计算方框16计算的。第一瞬变之前，信号SL的水平紧随信号Sslow的水平。在第一瞬变的起始，在点A，SL的水平急剧上升，随之瞬变上升到大约72dB，以便跟随信号Speak的水平。在160毫秒，信号SL的水平与信号Sfast水平一致。在大约220毫秒处，SL水平再次到达信号Sslow的水平。在第二瞬变的起始，在点B，信号SL的水平上升，随之瞬变上升到大约52dB，并且在530毫秒处，SL的水平再次下降到Sslow的水平。在第三瞬变的起始，在点C，SL的水平急剧上升两倍到大约48dB，但在610毫秒处再次快速下降到Sslow水平。因此，SL的水平跟随着Speak水平，但不能变得低于Sslow的水平。
图5中短划线所示的第二信号Sfast的图表代表信号的绝对值平均水平。在第一瞬变发生之前，Sfast的水平低于40dB。在第一瞬变的起始，在点A，Sfast的水平急剧上升并且随着瞬变到大约68dB，然后近似随着SL再次下降，Sfast的水平在大约220毫秒处与SL的水平交叉，并且下降低于30dB。在第二瞬变的起始，在点B，信号Sfast的水平上升到大约55dB。在第三瞬变的起始，在点C，Sfast的水平勉强接近Sslow的水平。
图5中点划线所示的第三信号Speak的图表代表信号的峰值水平。峰值水平代表输入信号的绝对峰音量水平，并且在特定频带中形成信号包络。声音水平计算方框16使用峰值水平为增益计算方框12判定实际输入水平(这里表示的声音水平)，以便跟随并抑制信号中速度最快且声音最大的瞬变。
图5中点线所示的第四信号Sslow的图表代表信号的90％百分位水平。90％百分位水平是信号90％的时间停留在其以下的限制。Sslow的图表与信号SL的图表一致，除了信号SL的水平高于Sslow的水平。信号Sslow是变化相当缓慢的信号，进而具有的释放时间是其启动时间的大约十倍，即上升比下降大约快九倍。
为了防止瞬变声音降低整个声音水平，无论何时检测到峰，信号Sslow的值都保持在常量，并且当系统滞后暂停时其被再次释放。这可在图表中看到，这里信号Sslow响应稍微增长的整个声音水平，在近似190毫秒处即瞬变事件结束后上升几dB。
从图5中所示的三个水平测量信号Sslow、Sfast和Speak中，图2中增益计算方框12计算中间的信号SN和对应的增益水平信号GT。这由图6中的图表说明，暂时对应于图4中输入信号的样本的图表和图5中水平测量信号的图表。图6中实线说明的第一信号SN被计算为信号SL的水平减去信号Sslow的水平，以便得到高于90％百分位的声音水平的代表，即从声音水平信号中过滤掉90％百分位。这个信号表示图6中正常化的声音水平信号SN，并且用于计算增益调整。
图6中点线说明的第二信号GT代表从多个频带中的一个频带内的正常化声音水平SN计算的结果的增益水平信号。从图6中信号GT的水平的图表中，增益计算方框12响应输入信号中瞬变计算的放大器13的增益调整水平是显然的，并且下面进一步详细解释。
增益水平GT稳定在大约+5dB，对应于近似1.8倍放大，对于输入信号样本的第一近似80毫秒，直到第一瞬变在点A开始，参看图4。在第一瞬变在点A的开始处，信号SN的水平急剧上升到大约+30dB。最终结果是，瞬变检测和衰减设备实施增益水平相应的减少，以便衰减检测到的瞬变。在这个情形中，增益水平GT从+5dB降到近似-10dB，即增益减少了15dB，或减少到初始值得六分之一，以便适应瞬变。增益减小的量依据增益水平和特定频带中的增益衰减系数。大约在样本230毫秒，增益水平将GT恢复到发生瞬变之前的+5dB的水平。以这个方式，瞬变声音被衰减，而没有影响特定频带中整个声音水平。
第二瞬变发生在点B，参看图4。第二瞬变引起图6中信号SN的水平再次急剧上升到大约+10dB，即低于第一瞬变20dB。将+5dB的增益水平GT减小到大约-2dB，由于第二瞬变具有显著较低的水平。在大约540毫秒处，增益水平GT回到发生瞬变之前的+5dB的水平。
第三瞬变在点C发生，参看图4。第三瞬变引起信号SN的水平在590毫秒处急剧上升到大约+5dB，并且在大约600毫秒处降回到零。因此，增益水平GT暂时减小到大约+1dB，然后恢复回第三瞬变发生前的+5dB的正常水平。原因是在瞬变发生时信号SN的水平较高，并且系统相应地起作用。这个行为遵循具有正常听力的人对较大声的整个声音环境中相对快速的瞬变的感觉。
如从图6获知的，检测到的瞬变的水平判定随后瞬变衰减系统怎样应对衰减瞬变。大声的瞬变和较轻声的瞬变都被系统立即衰减，但是衰减的程度取决于瞬变的特性。
图7中示出在对输入信号采样过程中瞬变检测活动的图表。示出峰差Δp的这个图表暂时地对应于图4、5和6，其包括在A、B和C处的瞬变事件。图表说明在32kHz的采样率以dB/样本表示的两个邻近样本值间的差。该图表可看做图5中点划线图表所描述的信号的峰值水平的差商(difference quotient)，因此显示了交互的样本(inter-sample)信号峰值变化多快的测量。
在图7中，Δp的图表的第一近似80毫秒示出低于2dB/样本的不规则的峰差值。在图4的第一瞬变事件，在点A处，Δp的图表显示近似12dB/样本的一个事件和几个相继高于4dB/样本的事件，表现出大声的峰瞬变。这触发在图2中瞬变检测方框15中的峰瞬变衰减响应。在图4的第二瞬变事件，在点B处，图7中Δp的图表示出大约3-4dB/样本的几个事件。这触发在图2中瞬变检测方框15中的快速瞬变衰减响应。在图4的第三瞬变事件，在点C处，图7中Δp的图表示出高于5dB/样本的单个瞬变事件，并且因此短暂地触发峰瞬变衰减响应。
从图7也可知道，仅仅检测瞬变是不够的，因为瞬变非常频繁地发生。需要为系统考虑使检测到的瞬变水平最小程度地上升，从而使系统具有适当的稳定性。无论何时图2中瞬变检测方框15检测到瞬变事件，声音水平计算方框16都在运行的基础上分析信号Speak、Sslow和SL的水平，以便计算适当地衰减检测到的瞬变所需要的增益减小的量。
图8中的图表示出瞬变衰减系统的三个状态，即“正常”压缩、快速瞬变衰减和峰瞬变衰减。图表中的时序对应于图4、5、6和7中的时序。除了图4、5、6和7重复的在点A、B和C的三个瞬变的注解之外，图8中的图表还示出与输入信号中任何瞬变的检测不相关的四个点D、E、F和G，这些点说明从瞬变检测状态到另一瞬变检测状态或正常状态的转换。如前所讨论的，当使用时，根据输入信号通过由此推导的参数的分析，瞬变衰减系统在这三个状态间变换。
两个瞬变衰减状态考虑到图2中增益计算方框12，从而随着用于控制增益水平GT的信号Sfast以快速瞬变衰减状态衰减瞬变信号，或者随着用于控制增益水平GT的信号Speak以峰衰减状态衰减瞬变信号。在正常状态中，增益计算方框12跟随用于计算增益水平的信号Sslow。
直到第一瞬变，在图8的图表中，瞬变衰减系统处于正常状态。增益计算根据信号Sslow的水平的变化实施信号压缩。当第一瞬变发生时，在图8中的点A，瞬变衰减系统首先变换到峰瞬变衰减状态。在点D，在150毫秒处，因为Speak信号的水平减去峰偏移低于或等于信号Sfast的水平，所以系统变化到快速瞬变衰减状态，参看图5和表格1，并且峰瞬变滞后在这个点暂停。当信号SN的水平到达零(如图6所示)并且快速瞬变滞后暂停时，瞬变衰减系统在近似220毫秒变换到点E的正常状态。
当第二瞬变发生时，在图8中的点B，瞬变衰减系统变换到快速瞬变状态。这因为检测到快速瞬变，即在B的瞬变低于峰瞬变衰减阈值，参看图6和图7。当正常化的声音水平到达零时，并且快速滞后暂停，在大约560毫秒处，瞬变衰减系统变换回点F的正常状态。
当第三瞬变发生时，在图8中点C处，瞬变衰减系统变换到的峰瞬变衰减状态。第三瞬变非常短且与整个信号水平比较声音非常轻，所以增益只由瞬变衰减系统衰减非常简短的一段时间，并且正常化的声音水平几乎立即到达零，并且峰瞬变滞后在近似670毫秒在点G暂停，此处瞬变衰减系统变换回到正常状态。应该注意，增益只在正常化的声音水平(图5中实线图所示)高于零的短时期减小，即使系统直到点G之前都处于峰瞬变检测状态。
从图8中的图表也可获知，在两个瞬变衰减状态的任一个中，在实施到任一个瞬变衰减状态或正常状态的变换之前，需要经过表示瞬变状态滞后时间的某一段时间。下面解释这个时段的出现。在图2中滤波器组11的上游实施瞬变的检测。瞬变检测方框15在瞬变检测方框15的输入出现瞬变的时刻和在其输出出现瞬变的时刻之间有短的固有延迟。滤波器组也在信号处理中有固有延迟，表示为群延迟(groupdelay)。然而，滤波器组的固有延迟长于瞬变检测方框15的固有延迟。
当检测到输入信号中的瞬变时，如前所述，瞬变检测方框15将状态机放入快速瞬变衰减状态或峰瞬变衰减状态。当含有瞬变的输入信号离开带分滤波器方框11时，瞬变衰减方框16仍处于两个瞬变衰减状态中的一个。即使瞬变检测方框15对状态机20显示瞬变结束，瞬变状态滞后时间也确保瞬变仍被衰减。否则，瞬变衰减方框16会在信号中瞬变离开带分滤波器之前返回到正常状态，并且会不衰减瞬变。
在三个不同压缩状态间以这个方式变换的益处是，系统有效地抑制输入信号中较大声且较快速的瞬变，而不影响其他声音。为轻声的瞬变包括第三状态的原因是，为了在大量瞬变声音随机发生的不稳定的声音环境中维持平滑的过渡。结果是助听器具有更悦耳且舒适的整个声音，甚至在助听器指示需要大增益系数时。

Claims (22)

1.一种助听器，其包含：话筒、信号处理器和输出换能器，所述信号处理器具有用于将输入信号划分为多个频率通道输入信号的滤波器组和用于对来自所述通道的输出信号求和的求和器，每个频率通道包含通道声音水平计算器、通道增益计算器和通道放大器，每个所述通道声音水平计算器适于从所述通道输入信号推导出一组参数，每个通道增益计算器适于动态地控制每个通道放大器的增益，并且每个通道放大器适于根据使用者的指示处理信号，每个通道增益计算器和各自的通道放大器一起形成通道压缩器，其特征在于：所述信号处理器包含置于所述滤波器组的上游的瞬变检测器，所述瞬变检测器具有用于判定所述输入信号的斜率并且如果所述输入信号的斜率超过预定的值则提供信号至每个通道声音水平计算器的装置，每个通道声音水平计算器基于推导的该组参数控制各自频率通道中的所述通道增益计算器和所述通道放大器的压缩速度。
2.根据权利要求1所述的助听器，其特征在于每个所述通道增益计算器均具有用于使用从所述推导的一组参数中选择的参数来控制所述各自的通道放大器的增益水平的装置。
3.根据权利要求1所述的助听器，其特征在于每个所述通道声音水平计算器包含用于推导所述通道输入信号的通道百分位水平、通道绝对平均水平和通道峰值水平的装置。
4.根据权利要求1所述的助听器，其特征在于用于判定所述输入信号斜率的装置具有用于判定所述输入信号的峰值差的装置。
5.根据权利要求1所述的助听器，其特征在于所述瞬变检测器包含用于将检测到的瞬变分类为多种瞬变类型的装置。
6.根据权利要求1所述的助听器，其特征在于每个所述通道声音水平计算器具有用于启动各自通道增益计算器中至少一个通道瞬变衰减设置的装置。
7.根据权利要求6所述的助听器，其特征在于每个用于启动至少一个通道瞬变衰减设置的装置具有用于维持通道瞬变衰减设置一段预定的时段的装置。
8.根据权利要求3所述的助听器，其特征在于每个用于维持通道瞬变衰减设置一段预定的时段的装置具有用于抑制所述通道百分位水平更新至少预定时段的持续时间的装置。
9.根据权利要求7所述的助听器，其特征在于每个所述通道增益计算器具有用于只要当所述通道瞬变衰减设置之一被启动时就将专用的通道压缩比应用于所述通道输入信号的装置。
10.一种处理助听器中瞬变信号的方法，所述方法包含以下步骤：检测输入信号中宽频带的瞬变、将所述输入信号划分为多个频带并且处理每个频带，所述处理包含的步骤有：从频带输入信号推导出一组频带参数、根据使用者的指示计算频带增益水平并将该频带增益水平应用到每个频带中的信号，其中计算频带增益水平的步骤包括根据宽频带的瞬变的水平和推导出的该组频带参数的水平压缩瞬变声音，和将来自每个所述频带的输出信号加在一起用于通过所述助听器的再生。
11.根据权利要求10所述的方法，其中从频带输入信号推导出一组频带参数的步骤包含推导每个频带中频带输入信号的频带绝对平均水平、频带峰值水平和频带百分位水平。
12.根据权利要求10所述的方法，其中检测所述输入信号中的瞬变的步骤包括计算峰值水平差。
13.根据权利要求10所述的方法，其中检测所述输入信号中的瞬变的步骤包括将瞬变分类到多种预定的瞬变类型中的一种。
14.根据权利要求13所述的方法，其中计算频带增益水平的步骤包括的步骤有：判定瞬变属于多种预定瞬变类型中的哪一种，并且依赖于瞬变类型在对应的多个增益减小策略中选择一个增益减小策略。
15.根据权利要求13所述的方法，其中预定瞬变类型包含至少一种语音瞬变类型和至少一种非语音瞬变类型。
16.根据权利要求14所述的方法，其中预定的瞬变类型包含一种语音瞬变类型和两种非语音瞬变类型。
17.根据权利要求15所述的方法，其中在检测到的瞬变结束后维持选择的增益减小策略一段预定的时段。
18.根据权利要求11所述的方法，其中在处理检测到的瞬变过程中抑制所述频带百分位水平的更新。
19.根据权利要求14、16和17中任一项所述的方法，其中所述增益减小策略包括根据所述频带输入信号的峰值水平控制所述频带增益水平。
20.根据权利要求14、16和17中任一项所述的方法，其中增益减小策略包括根据频带输入信号的频带绝对平均水平控制频带增益。
21.根据权利要求14、16和17中任一项所述的方法，其中所述增益减小策略包括通过在预定的时段中使用选择的增益减小策略压缩检测到的瞬变动态范围来控制频带增益。
22.根据权利要求14所述的方法，其中只要当所述瞬变衰减设置之一被启动时，就将专用的压缩比应用到所述频带输入信号。
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