CN102783185A - 用于助听设备的双耳侧面感知的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及这样用于基于麦克风装置侧面出现的声学有用信号改进在两个或多个麦克风的麦克风装置的输出信号中的信噪比的方法和系统。这样的方法和系统可以在助听设备，特别是助听器佩戴者头部佩戴的助听器中采用。为了解决该问题，本发明建议，不同地处理高和低的频率分量（边界频率在700Hz和1.5kHz之间的范围内，例如大约1kHz）。在低频范围中产生向左和向右定向的差分麦克风信号，以便根据这两个定向的信号确定侧面的有用和干扰声音的水平。这些水平又用于维纳滤波并且对每个麦克风信号单个地进行维纳滤波。附加地还可以在高频范围中利用自然的头部遮蔽效应作为预滤波，用于为了然后的维纳滤波而进行干扰和有用声音估计。然后对每个麦克风信号单个地进行维纳滤波。该方法例如分别单个地对于高频或对于低频可以在要佩戴在头上的助听器设备中被采用，但是该方法也可以组合地使用并且在此以特别有利的方式补充。

Description

用于助听设备的双耳侧面感知的方法

技术领域

本发明涉及用于基于麦克风装置侧面出现的声学有用信号改善在两个或多个麦克风的麦克风装置的输出信号中的信噪比的一种方法和一种系统。这样的方法和系统可以在助听设备，特别是助听器佩戴者头部佩戴的助听器中采用。在此侧面应该被理解为特别是双耳助听器装置的佩戴者的头部的右边和左边。

背景技术

迄今为止在助听器中使用的传统方向性方法（Richtwirkungsverfahren）提供如下可能性：将从助听器佩戴者前面或从后面到达的信号或噪声从其余的环境噪声中突出，以便这样提高语音理解性。但是该方法不能提供如下可能性：突出从左边或右边到达的侧面源的信号或噪声。

公知的助听器仅提供如下可能性：这样的侧面信号通过如下来强调，即，将期望的侧面的信号传输到双耳。为此将音频信号从一个耳侧传输到另一个耳侧并且在那里播放。但是由此向助听器佩戴者提供单信号，这导致丢失可以定位声源（‘binaural cues，双耳提示’）的信号特征。这样的信号特征例如可以是耳间电平差，即在面向噪声或信号源的耳朵或助听器侧的电平高于背向的耳朵或助听器。

传统的差分定向麦克风的计算并不是可无限制地应用的解决方案，除了别的之外因为也可以在具有高的频率分量的信号的情况下由于所谓的“空间混淆（spatial aliasing）”而使得不具有空间多义性的差分定向麦克风是不可能的。

如果将原始声音信号的右和左麦克风信号相减，则形成这样的空间多义性，即，一个信号的空间来源的不再可唯一对应性。通过麦克风信号相减的差分处理通常允许规定在期望的方向上麦克风装置的定向的灵敏性。但是如果原始声音信号的波长与麦克风装置的麦克风的空间距离相比太小，则仅还能双义或多义地确定原始信号的空间来源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种在考虑信号源的空间方向的条件下对声音信号中的干扰信号-有用信号比的改善。

本发明通过如下解决上述技术问题，即，将其作为经典的干扰噪声降低问题来考察。按照在下面描述的方式，确定或估计双耳干扰信号和双耳有用信号，这些信号被用作合适的滤波器（例如维纳滤波器）的输入信号，在该滤波器中优选对每个频带计算并应用一个对于两个耳侧是相同大的放大系数。通过对两只耳朵应用相同的放大系数获得耳间电平差，即，可以定位声音或声源。

本发明的基本思路在于，不同地处理高和低的频率分量（边界频率在700Hz和1.5kHz之间的范围内，例如大约1kHz）。对于低频率范围根据差分预处理结合差分双耳定向麦克风的计算进行滤波，优选同样是维纳滤波，其中通过预处理产生向左和向右定向的信号，通常具有相反定向的心脏形曲线（Cardioid）特征（肾形的取决于方向的灵敏度）。

基于传统的差分定向麦克风的这两个向左和向右定向的信号被作为侧面的有用和干扰声音的水平的估计基础来使用，其中该估计又作为滤波、优选是维纳滤波的输入参数来使用。

然后将该滤波单独地应用于麦克风装置的每个麦克风信号，并且不是应用于双耳装置的共同的差分定向麦克风信号，所述共同的差分定向麦克风信号是作为传统的定向麦克风的输出信号被计算的。

例如，相对于使用全向信号的优点在于，通过在前连接的方向性一定程度上人工地产生在左和右侧之间的较大的差别，该差别表现为对从待抑制的方向入射的信号的提高的干扰声抑制。

一种优选的扩展在于，在低频范围中如前面解释地那样进行根据传统的差分定向麦克风的计算的预滤波和然后的滤波，优选是维纳滤波，并且在高频范围中（边界频率在700Hz和1.5kHz之间的范围内，例如大约1kHz）对于然后的维纳滤波利用自然的头部遮蔽效应（Kopfabschattungseffekt）作为用于干扰声估计和有用声估计的预滤波器。

在利用头部遮蔽效应的条件下如下进行干扰声估计和有用声估计的确定：面向期望侧的单耳信号被用作为有用信号估计，背向侧的信号作为干扰信号估计。这是可能的，因为特别是在较高频率（>700Hz或>1kHz）情况下头部遮蔽效应引起在背向侧上信号的显著衰减。

基于通过头部遮蔽预滤波的信号的这两个向左和向右定向的信号被用作为对侧面的有用和干扰声的水平的估计基础，并且这些估计又被用作对于滤波、优选是维纳滤波的输入参数。

该滤波然后被单独地应用于麦克风装置的每个麦克风信号。

例如相对于使用全向信号的优点在于，通过在前连接的方向性一定程度上人工地产生在左和右侧之间的较大的差别，该差别表现为对从待抑制的方向入射的信号的提高的干扰声抑制。

通过各自的预处理对于低或高的频率范围分别产生向左和向右定向的信号，通常具有相反定向的心脏形曲线特征（肾形的取决于方向的灵敏度）。所述各自的定向的信号被作为对各自侧面的有用和干扰声音的水平的估计基础来使用。所述各自的有用和干扰声音水平又作为滤波、优选是维纳滤波的输入参数来使用。由此，通过组合对于高频率范围的和对于低频率范围的各自的滤波方法可以实现在整个的频率范围上的滤波。

按照另一种优选扩展，将声学信号分解为频带，并且特定地对于每个频带进行所述滤波、优选维纳滤波。

按照另一种优选扩展，取决于方向地进行所述滤波、优选维纳滤波。所述取决于方向的滤波可以按照传统的方式进行。

优选地，确定或估计一个或多个以下参数作为有用信号水平和/或作为干扰信号水平：能量、功率、振幅、平滑的振幅、平均的振幅、电平。

附图说明

其它优选扩展和优点从从属权利要求和以下附图连同描述中获得。附图中，

图1对于在1kHz下环形的信号示出了左侧和右侧的麦克风的电平，

图2示出了在对左侧和右侧麦克风应用维纳滤波器之后在1kHz下取决于方向地衰减的信号，

图3示出了对于250Hz和500Hz的频率向左（在270°初）定向的差分定向麦克风信号以及各自的维纳预滤波的麦克风信号，

图4示出了用于改进双耳侧面感知情况下的信噪比的方法的示意图。

具体实施方式

图1示出了对于环形的信号，即，对于在所描述的环形的空间方向上定位的信号源，在1kHz下双耳助听器装置的左耳侧（在图中用附图标记L2表示）和右耳侧（附图标记L1）的助听器麦克风或麦克风装置的电平。可以识别出6-10dB的差，即，对于左侧信号（270°）左侧的麦克风或麦克风装置的电平L2高出右侧的麦克风或麦克风装置的电平L16-10dB；在更高频率的情况下该电平差还要提高。

例如如果现在期望向左（270°）听，则右边的信号L1被用作为干扰信号，左边的L2被用作为有用信号。在该干扰声和有用声信号的基础上然后可以估计用于滤波、例如维纳滤波的输入参数。

对于维纳滤波，从该有用信号和干扰信号中确定或估计各自的有用信号水平和干扰信号水平。这些有用信号水平和干扰信号水平被用作维纳滤波器的输入参数，也就是：

维纳滤波器=有用信号水平/（有用信号水平+干扰信号水平）

图2示出了取决于方向的衰减，所述衰减在1kHz情况下对于环形的（360°）信号在使用维纳公式的情况下得出。对于左侧的麦克风或麦克风装置得到取决于方向衰减的信号L4，并且对于右侧的麦克风或麦克风装置得到L3。

与前面的图相比可以识别出，保持了耳间电平差。来自右侧的信号被作为干扰信号考察并且降低，来自左边的信号保持不被衰减。因为保留了电平差，保持了空间印象，即信号分别来自于何处的信号信息。如果从两侧入射信号，则按照已知的维纳公式根据有用声估计和干扰声估计的比例来进行降低。

如前面所述的那样，利用自然的头部遮蔽效应，以便将通过头部遮蔽效应预滤波的信号作为干扰声音信号和有用声音信号来使用，用于确定基于滤波器、例如维纳滤波器的干扰噪声消除方案的输入参数。因为头部遮蔽效应在高频（>700Hz或>1kHz）时特别突出，但是对低频总是越来越降低，所以该方法优选可以特别地应用于高于1kHz的频率。

对于低频（<1.5kHz或<1kHz）由于太小的头部遮蔽效应，前面所解释的解决方案不可最佳应用。在低的频率范围中可以补充地使用后面描述的方法，该方法还可以单独地和排他地被采用。

因为对于低频成立，在助听器佩戴者头部的双耳麦克风距离与波长相比足够小，所以不形成空间多义性（‘spatial aliasing，空间混淆’）。由此在原始声音信号的低频（<1.5kHz或<1kHz）情况下利用左侧和右侧麦克风的麦克风装置或在助听器佩戴者头部的麦克风装置，计算向侧面“看”或者说“听”的常规的差分定向麦克风。

虽然可以简单地直接使用这样的定向麦克风的输出信号，以便在低频情况下产生侧面的方向性。这样所确定的定向信号然后可以相同地在双耳或助听器佩戴者的助听器上播放。但是这样做的结果是，在该频率范围中的定位能力丢失，因为对于两个耳侧只产生并提供一个共同输出信号。

因此取而代之，基于传统的定向麦克风既计算向左定向的信号、又计算向右定向的信号，并且将这些信号根据期望的有用信号方向来作为对于接下来的（优选利用维纳滤波器）滤波的干扰声音信号或有用声音信号使用。该滤波器然后单独地应用于麦克风装置的每个麦克风信号，并且例如不应用于共同地作为传统定向麦克风的输出信号而计算的定向麦克风信号。

图3示出了前面解释的在低频范围中听力信号处理的作用。为此对于250HzL8和500Hz L5的频率计算向左（在270°情况下）定向地“听”或“看”。在预滤波的范围内首先计算向左定向的传统的差分定向麦克风信号作为有用信号和向右定向的作为干扰信号（图中实线表示）。定向麦克风信号具有通常的肾/反肾形的（心脏形/反心形的，cardioid/anticardioid，也缩写为card/anticard）取决于方向的灵敏度特性。

从有用信号和干扰信号中确定或估计有用信号和干扰信号水平。这些作为对于维纳滤波器的输入参数使用，也就是：

维纳滤波器=有用信号水平/（有用信号水平+干扰信号水平）

对于每个频率范围（图中也就是250Hz和500Hz）对于所有空间方向计算这样的维纳滤波器并且单个地应用到定向麦克风信号的每个。由此，对于定向麦克风信号的每一个得到一个维纳预滤波的取决于方向的灵敏度特性，在图中通过虚线L6和L7表示。

图中可以看出，在干扰信号方向上（也就是右边，90°）比有用信号（也就是左边，270°）实现了更高衰减。此外可以看出，电平差尽可能地得到保持（即，左边的L7比右边的麦克风信号L6电平更高）并且由此对于助听器佩戴者还可以实现原始声音信号的空间对应。

前面所描述的对于高频范围和低频范围的滤波器方法例如可以在要佩戴在头部上的助听器设备中分别单个地对于高频或对于低频被采用。但是所述方法还可以被组合地采用并且在此在要在头上佩戴的助听器的整个频率范围上以特别有利的方式补充。

图4示意性示出了在双耳侧面感知情况下用于改善信噪比的前面解释的方法。

在步骤S1中双耳麦克风装置接收声音信号。这样的麦克风装置包括至少两个麦克风，分别佩戴在助听器佩戴者头部左侧或右侧。各个麦克风装置还可以分别包括例如可以实现对于向前和向后的方向性的多个麦克风。

在步骤S2中确定侧面方向，麦克风装置的最高灵敏度应该定向在该方向上。该方向例如可以自动地根据环境噪声的声学分析或者根据用户输入来确定。作为最高灵敏度的方向，选择有用声音信号源所位于或估计位于的那个空间方向。目前因此其也被称为有用信号方向。在该方向上设置的麦克风或麦克风装置类似地也被称为有用信号麦克风。

在步骤S3中类似于前面解释的步骤确定侧面方向，麦克风装置的最小灵敏度应该定向在该方向上。目前因此其也被称为干扰信号方向并且在该方向上设置的麦克风或麦克风装置也被称为干扰信号麦克风。

在步骤S4中将麦克风的输出信号分解到具有高于至少700Hz、也可能是1kHz的边界频率的高频的频率范围中和具有低于1.5kHz、也可能是1kHz的边界频率的低频的频率范围中。

在步骤S5至S7中在高频范围中进一步处理麦克风信号。在步骤S5中根据有用信号麦克风的输出信号确定或估计有用信号水平。

在步骤S6中根据干扰信号麦克风的输出信号确定或估计干扰信号水平。

在步骤S6中使用前面所确定的有用信号水平和干扰信号水平计算滤波器，优选维纳滤波器。信号水平以及滤波器可以对于整个高频范围被确定。但是也可以进行到在高频范围内部的频带中的分解并且滤波可以个别地对于每个频带进行。

在步骤S7中将此前计算的滤波器在高频范围中单独地应用于右侧和左侧的麦克风或麦克风装置的各自的输出信号。

在步骤S8至S13中进一步处理低频范围的麦克风信号。在步骤S8中计算在有用信号方向上具有高灵敏度的传统的差分双耳定向麦克风，由此获得第二有用信号。

在步骤S9中计算在干扰信号方向上具有高灵敏度的传统差分双耳定向麦克风，由此获得第二干扰信号。

在步骤S10中根据第二有用信号确定或估计第二有用信号水平。

在步骤S11中根据第二干扰信号确定或估计第二干扰信号水平。

在步骤S12中使用前面所确定的第二有用信号水平和第二干扰信号水平计算第二滤波器，优选维纳滤波器。第二信号水平以及滤波可以对于整个低频范围被确定。但是也可以进行到在低频范围内部的频带中的分解并且滤波可以个别地对于每个频带进行。

在步骤S13中将此前计算的滤波器在低频范围中单独地应用于右侧和左侧麦克风或麦克风装置的各自的输出信号。

在步骤S14中将两个频率范围的或在进一步分解到频带的情况下全部的频带的麦克风的经滤波的输出信号综合为双耳麦克风装置的经滤波的输出信号。

图中未示出的方法实施变形包括以下解释的步骤：

-利用至少两个麦克风接收声学有用信号，其中一个麦克风比另一个麦克风更靠近声学有用信号的源，

-将靠近源设置的麦克风确定为有用信号麦克风并且远离源的麦克风为干扰信号麦克风，

-确定相关的频率范围，该频率范围包括比700Hz高的频率，

-根据干扰信号麦克风的输出信号确定相关频率范围中的干扰信号水平，

-根据有用信号麦克风的输出信号确定相关频率范围中的有用信号水平，并且

-根据估计的干扰信号水平和估计的有用信号水平确定用于放大利用麦克风接收的声音信号的放大系数。

按照一种扩展，将麦克风的输出信号分解到频带，并且分别单独地对于一个或多个频带确定放大系数。

按照另一种扩展，按照公式：放大系数（维纳）=有用信号水平/（有用信号水平+干扰信号水平），确定放大系数（维纳）。

按照另一种扩展，有用信号麦克风布置在由助听器佩戴者右侧佩戴的助听器上并且干扰信号麦克风布置在左侧佩戴的助听器上，或者反之。

按照另一种扩展，作为有用信号水平和/或作为干扰信号水平估计以下的一个或多个：能量、功率、振幅、平滑的振幅、平均的振幅、电平。

另一种扩展还包括以下步骤：

-利用包括至少两个麦克风的麦克风装置接收声学有用信号，其中一个麦克风比另一个麦克风更靠近声学有用信号的源，

-将靠近源设置的麦克风确定为有用信号麦克风并且远离源的麦克风为干扰信号麦克风，

-确定相关的频率范围，该频率范围包括小于1.5kHz的频率，

-通过麦克风装置的输出信号的差分处理确定干扰信号，其中在靠近源设置的麦克风的方向上比在相反方向上实现更低的灵敏度，

-根据干扰信号在相关频率范围中确定干扰信号水平，

-通过麦克风装置的输出信号的差分处理确定有用信号，其中在靠近源设置的麦克风的方向上比在相反方向上实现更高的灵敏度，

-根据有用信号在相关频率范围中确定有用信号水平，并且

-根据干扰信号水平和有用信号水平确定用于放大利用麦克风接收的声学信号的放大系数，其中将放大系数单独地应用于麦克风装置的每个输出信号。

按照另一种扩展，将麦克风的输出信号分解到频带，并且分别单独对于一个或多个频带确定放大系数。

按照另一种扩展，按照公式：放大系数（维纳）=有用信号水平/（有用信号水平+干扰信号水平），确定放大系数（维纳）。

按照另一种扩展，有用信号麦克风布置在由助听器佩戴者右侧佩戴的助听器上并且干扰信号麦克风布置在左侧佩戴的助听器上，或者反之。

按照另一种扩展，作为有用信号水平和/或作为干扰信号水平估计以下的一个或多个：能量、功率、振幅、平滑的振幅、平均的振幅、电平。

按照另一个扩展，如在前面段落中解释地那样确定在包括了小于1.5kHz的频率的低频范围中的放大系数，并且如在前面段落中更前面的段落中解释地那样确定在包括了高于700Hz的频率的高频范围中的放大系数。

可以如下总结本发明：本发明涉及这样用于基于麦克风装置侧面出现的声学有用信号改进在两个或多个麦克风的麦克风装置的输出信号中的信噪比的方法和系统。这样的方法和系统可以在助听设备、特别是助听器佩戴者头部佩戴的助听器中采用。为了解决该问题，本发明建议，不同地处理高的和低的频率分量（边界频率在700Hz和1.5kHz之间的范围内，例如大约1kHz）。在低频范围中产生向左和向右定向的差分麦克风信号，以便根据这两个定向的信号确定侧面的有用声音和干扰声音的水平。这些水平又用于维纳滤波并且对每个麦克风信号单个地进行维纳滤波。附加地还可以在高频范围中利用自然的头部遮蔽效应作为预滤波，用于为了然后的维纳滤波而进行干扰声音估计和有用声音估计。然后对每个麦克风信号单个地进行维纳滤波。该方法例如分别单个地对于高频或对于低频可以在要佩戴在头上的助听器设备中被采用，但是该方法也可以组合地使用并且在此以特别有利的方式补充。

Claims (16)

1.一种用于改善在侧面出现的声学有用信号情况下的信噪比的方法，包括：

-利用至少两个麦克风接收声学信号，其中一个麦克风比另一个麦克风更靠近声学信号的源，

-确定一个空间方向作为有用信号方向和一个空间方向作为干扰信号方向，

-通过麦克风装置的输出信号的差分处理确定干扰信号，其中在有用信号方向上比在干扰信号方向上实现更低的灵敏度，

-通过麦克风装置的输出信号的差分处理确定有用信号，其中在有用信号方向上比在干扰信号方向上实现更高的灵敏度，

-根据干扰信号确定干扰信号水平，

-根据有用信号确定有用信号水平，并且

-根据干扰信号水平和有用信号水平确定用于放大利用麦克风接收的声学信号的放大系数。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

-确定相关的频率范围，该频率范围包括比1.5kHz低的频率。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：

-确定相关的频率范围，该频率范围包括比1kHz低的频率。

4.根据权利要求2或3所述的方法，还包括步骤：

-确定相关频率范围中的有用信号水平。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，还包括步骤：

-确定相关频率范围中的干扰信号水平。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括步骤：

-将靠近源设置的麦克风确定为有用信号麦克风并且远离源的麦克风确定为干扰信号麦克风，

-根据干扰信号麦克风的输出信号确定第二干扰信号水平，

-根据有用信号麦克风的输出信号确定第二有用信号水平，并且

-根据第二干扰信号水平和第二有用信号水平确定用于放大利用麦克风所接收的声音信号的放大系数。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括步骤：

-确定第二相关的频率范围，该频率范围包括比700Hz高的频率。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括步骤：

-确定第二相关的频率范围，该频率范围包括比1kHz高的频率。

9.根据权利要求7或8所述的方法，还包括步骤：

-确定第二相关频率范围中的有用信号水平。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，还包括步骤：

-确定第二相关频率范围中的干扰信号水平。

11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括步骤：

-将放大系数单独地应用于麦克风装置的每个输出信号。

12.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括步骤：

-将麦克风的输出信号分解到频带，并且

-分别单独地对于一个或多个频带确定放大系数。

13.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括步骤：

-取决于方向地确定所述放大系数。

14.根据上述权利要求中任一项所述的方法，还包括步骤：

按照公式：放大系数（维纳）=有用信号水平/（有用信号水平+干扰信号水平），确定放大系数（维纳）。

15.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，有用信号麦克风布置在由助听器佩戴者右侧佩戴的助听器上并且干扰信号麦克风布置在左侧佩戴的助听器上，或者反之。

16.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，作为有用信号水平和/或作为干扰信号水平，确定以下的一个或多个参数：能量、功率、振幅、平滑的振幅、平均的振幅、电平。

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