CN109716792A - 听力设备的幅度和相位校正 - Google Patents

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Abstract

一种用于校正开放式耳听力设备中的幅度和相位失真的方法包括：当在耳朵中时，确定听力设备(12)基本上在耳鼓膜(11)处的插入效应。当到耳鼓膜的传递函数与听力设备没有就位的情况下的传递函数基本上相匹配时，复杂插入传递函数(ITF)的幅度和相位响应两者被校正。

Description

听力设备的幅度和相位校正
背景技术
本发明一般涉及由人佩戴以改善该人听到声音的能力的听力设备。在本文中，有时将提到“助听器”；然而，此类说法并不旨在将本发明限制为由具有听力损失的人使用。本发明也可以由没有听力障碍的人使用。
本发明更具体地涉及听力设备，其中该设备的至少一部分堵塞耳道并产生不期望的插入效应。本发明特别适用于开放式耳听力设备，但也可以与封闭式耳用设备相结合地使用。
将助听器的全部或一部分插入耳中使到达耳鼓膜处的声音的幅度和相位两者失真。理想地，听力设备将补偿这些效应，使得到达的声音在通过听力设备和耳道之后保持不失真。许多助听器设备补偿了幅度效应，但未能充分地解决相位失真。结果是用户经常抱怨声音不自然并且缺乏对聆听体验重要的方向性提示。此类抱怨在音乐界的音乐家和专业人士中尤其普遍，他们的耳经过训练以区分精细的差异，但需要助听器来补偿听力的部分损失。
在Sigfrid Soli等人的美国专利5325436中描述了一种补偿助听器的插入效应的所提出的解决方案。Soli的专利公开了一种确定数字滤波器的方法，该数字滤波器补偿入耳式助听器的插入效应。在Soli中，耳中的幅度和相位响应在没有助听器和助听器就位的两种情况下被测量。所需的均衡(EQ)接着被计算。在这么做时，Soli做出了关于相位分量的在大多数情形中是无效的假设。Soli所描述的方法是复杂的，要求计算EQ，并且归因于关于相位所做的假设而可能是无效的。Soli预先假设了完全堵塞耳道以便衰减所有外部声音的耳机。此外，Soli的专利中所描述的校正仅旨在保持耳朵之间的耳间定时差异，而不是绝对定时差异：因此这样，Soli的专利要求助听器的双耳佩戴。
本发明提供了一种用于校正听力设备在耳中的插入效应的设备和方法，其不需要关于相位响应的假设，可以与单耳佩戴一起使用，并且适用于开放式耳插入件。本发明对于在耳鼓膜处对由于耳道中听力设备的存在而引起的声音中的相位失真和异常进行校正尤其有效。本发明的设备和方法能够向耳鼓膜提供经放大的声音，该经放大的声音被感知为自然的并且保持用于改善的聆听体验的方向性提示；也就是说，该设备被感知为是在声学上透明的。大多数用户将意识到对聆听体验的改进，但是尤其希望重新获得他们对辨别精细音乐差异的能力的音乐界专业人士将意识到对聆听体验的改进。
发明公开
本发明涉及一种用于校正听力设备中的幅度和相位失真的方法和设备，其中在由用户佩戴时，该听力设备的至少一部分被插入耳中。该方法包括确定听力设备当在用户的耳中时的插入效应。插入效应由具有幅度和相位响应的复杂插入传递函数(ITF)来表征并且在耳鼓膜处被确定。当到耳鼓膜的传递函数与听力设备没有就位的情况下的传递函数相匹配时，ITF的幅度和相位响应两者被校正。
优选地，插入效应通过至少一个且适当时多个二阶最小相位滤波器来被校正。二阶最小相位滤波器优选地是无限冲激响应(IIR)滤波器，并且还更优选地是双二阶滤波器。
在幅度和相位两个方面校正插入效应涉及确定合适的均衡，其可以通过采用复杂头相关传递函数(HRTF)和复杂插入传递函数(ITF)的比率来被粗略但不完全地确定。复杂HRTF和ITF可以通过在有和没有听力设备的人体模型上进行测量来被确定，或者可以通过直接对听力设备的用户进行测量来被确定。仅在相位响应为最小相位的情况下才校正相位响应。
如果听力设备的幅度和相位响应已知，则可以针对传递函数的作为最小相位的所有部分来计算用于校正ITF的均衡。但是，在大多数情形中，这将是不可能的，因为不存在处理非最小相位区域的解析方式。
更实际地，所需均衡可以通过迭代过程来被确定。可以向听力设备引入不同的最小相位滤波以校正由最小相位现象支配的那些频谱区域：在其中相位不能够被校正的其他区域中，校正幅度响应也许是可能的。这被迭代地完成，直到所需相位校正被实现。
替代地，用于校正ITF幅度和相位响应的所需均衡可由在描述声音方面有经验的用户主观地确定。用户将她对在她的耳道中有和没有听力设备的存在的情况下听到的声音的感知进行比较。当用户指示在这两个条件之间不存在感知到的差异时，达到所需均衡。
根据本发明的最佳模式，听力设备被配置成使得由听力设备放大的声音的延迟对应于在由听力设备放大的所有频率处小于约120度的相位。换句话说，听力设备的延迟将优选地小于由听力设备产生的最高频率的周期的约三分之一。例如，如果设备将声音放大到直至10kHz，则优选延迟将小于30μs。
附图简述
图1是开放式耳助听器被佩戴在耳(其中该开放式耳助听器产生插入效应)中，并且示出了到耳鼓膜的两个声音路径的图解表示。
图2是示出开放式耳听力设备的插入效应的曲线图，其中头相关传递函数(HRTF)和插入传递函数(ITF)在声学人体模型上被测量。(幅度响应被示出在上部曲线图上，而相位响应被示出在下部曲线图上。)
图3是示出如何能够用根据本发明的二阶最小相位滤波器补偿ITF的曲线图。该HRTF与图2相同，而辅助传递函数(ATF)是直接声音和被听力设备放大和均衡的声音的结果。
(幅度响应被示出在上部绘图上，相位响应被示出在下部绘图上。)HRTF是头相关传递函数，而ATF是辅助传递函数。
图4A和4B是数学上展示最小相位滤波器如何能够完全补偿衰减的曲线图，类似于图3。(幅度响应被示出在上方；相位响应被示出在下方。)滤波器在图4A中被分开地示出，而在图4B中被汇总在一起示出。
图5A和5B是在数学上展示1.5ms延迟如何使得对带通滤波器而言不可能补偿幅度或相位任一方面的衰减的曲线图。同样，滤波器在图5A中被分开地示出，而在图5B中被汇总在一起示出。
图6是解说根据本发明的用于校正听力设备在耳道中的插入效应的两个基本步骤的一般化的流程图。
图7是解说用于使用声学人体模型校正听力设备在耳道中的插入效应的步骤的更详细的流程图。
实施本发明的最佳方式
听力设备在耳道中的存在改变了到耳鼓膜的传递函数。该改变由两个分量组成：设备本身的有源响应及其无源声学效应。如果无源效应被补偿，则听力设备变得真正透明并且对用户而言将在所有声级处听起来是自然的。
对于开放型助听器，入射声音没有因耳道中接收器的存在而被完全地衰减：这是真的，因为接收器(或扬声器)周围的直接路径由将接收器保持就位的橡胶插入尖端中的孔来提供。此类设备趋向于非常小地衰减低频(低于500Hz)，但是以取决于助听器、耳尖和用户的耳道的几何形状的可变方式衰减更高的频率。
这样的开放式助听器对于用户而言具有两个优点：首先，对于那些具有高频听力损失(最常见的种类)的人而言，助听器根本不需要放大低频声音，这对所使用的微型扬声器施加较少的物理约束。其次，不存在堵耳效应，该堵耳效应是当耳道的入口被阻塞时对个人自己的语音的感知中的改变。
对于封闭型助听器，入射声音在所有频率处被衰减，并且通常可以被忽略。这意味着由助听器产生的声音是到达耳鼓膜的唯一显著的声音。然而，插入效应在幅度和相位两个方面都保持不变，并且需要以与本文中所描述的相同的方式的校正。
对于不具有话筒的听力设备(诸如入耳式监听器)，输入信号现在是电信号。此类设备的插入效应与先前的情形相同，并且可以从当声音通过佩戴者前方的扬声器被播放时的情形来被确定。
首先针对开放式耳助听器的情形描述本发明的方法，其中声学人体模型被用于确定均衡所需的测量，该均衡将被需要以有效地校正助听器的插入效应。稍后描述使用人体模型的替代方案，即不使用人体模型但依赖于活人的方法。以上提到的其他两种情形(封闭式助听器和入耳式监听器)实际上是相同的，并且可以使用本文中所描述的相同方法来被校正。
声学人体模型在被设计和校准成模仿普通人类头部的人造耳中包含话筒。嵌入式话筒使得容易地测量人体模型的耳鼓膜位置处的声压成为可能。此类测量可被用来确定复杂传递函数，该复杂传递函数描述在有或没有听力设备就位的情况下声音如何通过耳传递到耳鼓膜。在没有听力设备的情况下，耳朵未被堵塞并且复杂传递函数通常被称为头相关传递函数(HRTF)。在听力设备就位且被关闭的情况下，耳朵被堵塞并且复杂传递函数可被称为插入传递函数(ITF)。插入效应是HRTF和ITF之间的差异。这有时由于与其相关联的幅度衰减而被称为“插入损耗”，但是相位也受到影响，因为改变幅度响应的任何谐振或滤波将必然也改变相位。
为了透明感知，必须校正在HRTF和ITF之间的幅度和相位差异。耳道和设备的插入效应是静态和无源的。因此，它们的谐振可以被描述为最小相位。最小相位系统拥有若干有用的属性：它们的效应在频谱上是局部的；它们具有稳定的逆系统；并且，对于给定的幅度响应，最小相位响应是唯一的。
所有这些属性意味着插入效应可以通过向助听器中的处理添加互补的二阶最小相位滤波器来被移除。在这么做时，幅度和相位响应两者都将被校正。如果非最小相位滤波器被使用，则可以校正要么幅度响应要么相位响应，但决不一次校正这两者。补偿插入效应的传递函数将被称为辅助传递函数(ATF)，并且其与没有听力设备的情况下的HRTF相同。
ATF是直接声音(由ITF描述)和经放大的声音在耳鼓膜处的组合。为了使该求和正确地起作用，各声音之间的时间延迟必须被最小化，使得相位延迟对应于在由助听器放大的所有频率处小于120度相位。可以通过将话筒移动更靠近助听器的接收器并且通过相应地设计助听器来调整相位延迟。此类改变趋向于被集成到设计中。作为对比，用于ATF的补偿滤波器可以被改变，诸如如果助听器是数字的，则通过重新编程数字信号处理器芯片。(应当理解，本发明不限于数字实现。)
为了将该方法应用于人耳，用探头话筒测量入耳响应。探头话筒被定位在耳道中，并且HRTF、ITF、和ATF如与声学人体模型完全相同地被测量。
替代的人类应用是采取主观路径：以使得受试者可以没有困难地听到它的水平来使用源素材，受试者将被询问在没有助听器的情况下的源感知(HRTF)是否与ATF相匹配。在受试者能够提供与在HRTF和ATF之间的确切频谱差异有关的详细指导的情况下，将找到与测量方法相同的滤波器。该办法对于经过训练的收听者(诸如音乐家或录音工程师)最起作用。
图1示意性地示出了包括话筒13、处理器15和扬声器17的开放式耳助听器(12)的示例，其中由数字10表示的入射声音经由被表示为A和B的两个声音路径到达耳鼓膜11处。直接路径A绕过耳机(未示出)行进并且由插入传递函数(ITF)来表征。经放大的路径B行进通过话筒13、处理器15(提供校正均衡)、和扬声器17。被表示为箭头P的所感知的声音是经由这两个路径到达耳鼓膜处的声音的总和。
来自开放式耳助听器的插入效应的示例在图2中示出，图2示出了来自声学人体模型的传递函数测量。插入效应是HRTF和ITF之间的差异：如顶部曲线图中所示，幅度从500Hz及以上是不同的(“插入损耗”)；如底部曲线图中所示，相位在500Hz以上不同。
图3中示出了使用二阶最小相位滤波器被校正的插入效应。需要注意，ATF和HRTF之间的差异在幅度和相位方面在1-8kHz的范围内相当小。950Hz处的小下降不是最小相位谐振。
在图4A和4B中针对最小相位滤波器的情形在数学上示出了该概念。对于具有稳定的逆的任何因果滤波器，通常也是如此。对于该实施例，由助听器衰减的直接声音(ITF)被建模为钟形衰减滤波器(“衰减”)，其在中心频率处具有最小值并且远离中心时逼近单位一。数学上，二阶最小相位滤波器由双二次方程给出
其中s是拉普拉斯变量，W是角频率(＝2πF，其中F是中心频率)，Q是品质因数，而G是增益(在该情形中被限制为大于一)。该滤波器的传递函数在图4A中被绘制为虚线。
助听器的响应(“提升”)被建模为带增益的带通滤波器，该带通滤波器在中心频率处具有幅度最大值并且在边缘处逼近零：
它们在耳鼓膜处的总和对应于ATF。在给定固定衰减滤波器的情况下，可以解析地示出带参数的提升
导致了单位幅度和零相位响应，如图4B所示。根据这样的关系选择图4A和4B中的滤波器参数。这样的系统是完全透明的。
需要注意，该实施例对应于并联求和的滤波器。当两个滤波器被串联布置时，一个滤波器作用于另一滤波器的输出，它们在更简单的条件下(即当滤波器是彼此的逆时)求和为单位一。上面概述的数学论证是特定的情形，并且可以被示为对于许多其他滤波器组合都成立：两个钟形滤波器(两个双二阶)、高通和低通等。
以上示例假设在直接声音和经放大的声音之间没有时间延迟。因而，它们在耳鼓膜处前后一致地相加，因为在峰值频率处不存在相移并且在周围频率处是可忽略的相移。当助听器不具有延迟并且在话筒和助听器之间不存在可感知的距离(或传播时间)时，满足这样的条件。
如果经放大的声音被显著地延迟，则将存在其中相位相对于直接声音被偏移180°的频率。当在耳鼓膜处求和时，此类声音将彼此破坏性地相加并抵消。在给定频率处被放大到直接声音的相对幅度确定抵消将是完全的(相等的幅度)还是部分的(不相等的幅度)。
大多数助听器具有至少1.5ms的延迟(如果不是更长)，这导致显著的抵消并且阻止对ITF的正确补偿。通过向带通滤波器添加纯延迟来对这样的情形进行建模；延迟具有线性相位响应，如图5A和5B中所示。对于1.5ms的延迟，存在两个值得注意的效应：1)中心频率处的幅度响应小于单独的经放大的声音，以及2)围绕中心频率存在广泛的梳状(combing)。梳状滤波包括具有小于-10dB的增益的若干陷波，这显著地使输入信号失真。
话筒延迟可以通过缩短话筒和接收器之间的间隔距离来被降低；可以通过在处理电路系统(其可假定是，但不一定是数字处理器)中添加延迟或者通过将话筒进一步移动离开接收器来增加话筒延迟。
图6的框图解说了根据本发明的以上所描述的用于校正听力设备的插入效应的基本步骤。作为第一步骤，听力设备在耳道中的插入效应必须被确定(框102)。这可以如以上所描述通过在将设备从耳道移除以及设备存在于耳道中两个情况下采取测量来被实现。(也可以根据来自佩戴者的输入主观地实现这些效果，也如以上所描述。)一旦听力设备在耳道中的插入效应被确定，就可以接着对幅度和相位两者进行校正(框103)。
图7更详细地解说了这些步骤，其中校正使用声学人体模型来被确定。声学人体模型提供被嵌在外耳后面的话筒，其被设计成模仿鼓膜处的平均频率响应(框104)。在听力设备被从人体模型的耳朵移除使得耳道未被堵塞的情况下，复杂头相关传递函数(HRTF)被测量(框105)。接着，通过将听力设备放置在人体模型的耳道中(框106)，复杂插入传递函数(ITF)可以在听力设备被关闭的情况下被测量(框107)。利用所测量的HRTF和ITF，校正听力设备在耳道中的插入效应所需的均衡可以被确定(框108)。如较早前所描述的，校正均衡将是所测量的HRTF与所测量的ITF的比率。该校正可接着被应用于听力设备(框109)。所得到的辅助传递函数(ATF)可接着被测量并且与HRTF进行比较。
可以使用活人来采用图7中所解说的用于利用声学人体模型校正插入效应的相同步骤。在该情形中，将在耳鼓膜处利用探头话筒来做出测量。
应当理解，可以以迭代方式重复前述步骤以微调校正以便达到最优ATF。
尽管在前面的说明书中已经相当详细地描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于除了所附权利要求所必需的以外的这些细节。

Claims (27)

1.一种校正听力设备中的幅度和相位失真的方法，其中当由用户佩戴时，所述听力设备的至少一部分被插入耳中，所述方法包括
确定所述听力设备当在所述用户耳中时的插入效应，其中所述插入效应由具有幅度和相位响应的复杂插入传递函数(ITF)来表征，
通过校正所述ITF的所述幅度和相位响应两者来校正所述插入效应，其中仅在所述相位响应是最小相位的情况下所述相位响应才被校正。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插入效应通过至少一个二阶最小相位滤波器来被校正。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二阶最小相位滤波器是无限冲激响应(IIR)滤波器。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二阶最小相位滤波器是双二阶滤波器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插入效应通过多个二阶最小相位滤波器来被校正。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多个二阶最小相位滤波器是无限冲激响应(IIR)滤波器。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多个二阶最小相位滤波器是双二阶滤波器。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述耳中没有所述听力设备的情况下声音通过所述耳传递到耳鼓膜由复杂头相关传递函数(HRTF)来表征，并且其中校正所述插入效应的步骤包括确定用于校正所述ITF幅度和相位响应的所需均衡，所述均衡是根据所述复杂头相关传递函数(HRTF)和所述复杂插入传递函数(ITF)来确定的，其中所述所需均衡的幅度和相位是所述HRFF与所述ITF的比率。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述复杂HRTF是通过测量人体模型的复杂HRTF来被确定的。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述复杂HRTF是通过测量所述听力设备的用户的复杂HRTF来被确定的。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述复杂ITF是通过测量人体模型的耳上的所述听力设备的复杂ITF来被确定的。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述复杂ITF是通过测量所述听力设备在由用户佩戴时的复杂ITF来被确定的。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，校正所述插入效应的步骤包括确定用于校正所述ITF幅度和相位响应的所需均衡，其中所述所需均衡由在描述声音方面有经验的用户主观地确定，其中所述用户将在没有所述听力设备的情况下听到的声音与佩戴所述听力设备时听到的基本上相同的声音进行比较，其中当在这两者之间不存在感知到的差异时所述所需均衡被实现。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，如果所述听力设备的所述幅度和相位响应已知，则针对所述相位响应的作为最小相位的所有部分计算用于校正所述幅度和相位响应的所述均衡。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述相位响应是最小相位的情况下，不同的最小相位滤波被迭代地引入到所述听力设备，直至达到所需相位校正。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述听力设备放大音频频谱内的声音，并且其中所述听力设备被配置成使得经放大的声音的延迟对应于由所述听力设备产生的最高频率的小于约120度相位。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述听力设备的延迟小于由所述听力设备产生的所述最高频率的周期的约三分之一。
18.一种校正听力设备中的幅度和相位失真的方法，其中当由用户佩戴时，所述听力设备的至少一部分被插入耳中，其中当被佩戴时所述听力设备产生插入效应，所述插入效应由具有幅度和相位响应的复杂插入传递函数(ITF)来表征，所述方法包括：
将所述听力设备配置成使得当被佩戴时所述听力设备的延迟小于由所述听力设备放大的最高频率的周期的约三分之一，
校正所述复杂ITF的幅度响应，并且在所述相位响应是最小相位的任何地方校正所述复杂ITF的相位响应。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述复杂ITF的所述幅度和相位响应是使用至少一个最小相位二阶滤波器来被校正的。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述最小相位二阶滤波器是无限冲激响应(IIR)滤波器。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述最小相位二阶滤波器是双二阶滤波器。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述听力设备的延迟产生通过所述设备的声音的频率相关的相位延迟，并且其中如果所述ITF相位响应和频率相关的相位延迟已知，则针对所述相位响应的作为最小相位的所有部分计算所述相位校正。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述相位响应是最小相位的情况下，不同的最小相位滤波被迭代地引入到所述听力设备，直至达到所需相位校正。
24.一种用于在一个或多个所选择的频带中产生经放大的声音的听力设备，其中当由用户佩戴时，所述听力设备的至少一部分被插入耳中，所述听力设备包括话筒，
可插入所述耳中的扬声器，其中所述话筒和扬声器之间的距离被选择成使得在被佩戴时所述听力设备的延迟小于由所述听力设备放大的最高频率的周期的约三分之一，以及
在所述话筒和扬声器之间的处理器，
其中在被插入所述耳中时所述听力设备的至少所述扬声器创建插入效应，所述插入效应由具有幅度和相位响应的复杂插入传递函数(ITF)来表征，以及
其中所述处理器被配置成通过校正所述ITF的所述幅度和相位响应两者来校正所述插入效应，仅在所述相位响应是最小相位的情况下所述相位响应才被校正。
25.根据权利要求24所述的听力设备，其特征在于，所述处理器包括至少一个最小相位二阶滤波器，并且其中所述最小相位二阶滤波器被用来校正所述复杂ITF的所述幅度和相位响应。
26.根据权利要求25所述的听力设备，其特征在于，所述最小相位二阶滤波器是无限冲激响应(IIR)滤波器。
27.根据权利要求25所述的听力设备，其特征在于，所述最小相位二阶滤波器是双二阶滤波器。
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