CN1305334A

CN1305334A - 助听器

Info

Publication number: CN1305334A
Application number: CN00131789.XA
Authority: CN
Inventors: 成泽鸿
Original assignee: Adebayor Fox Co Ltd; Shoei Co Ltd
Current assignee: Adfox Corp; Shinano Silk Co ltd; Zhao Rong Electric Co ltd
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2001-07-25
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: US20040032963A1; HK1034406A1; EP1104222A3; EP1104222B1; DE60016144D1; JP3731179B2; US20040161128A1; EP1104222A2; JP2001157299A; DE60016144T2; US6674868B1; CN1155293C

Abstract

一种放大声音信号的助听器包括:控制器,用来通过对随时间变化的声音信号进行频率分析而实时地确定声音信号中最高电平的频带并产生用来提高比最高电平频带更高的频率范围的信号的增益的控制信号;和第一放大器,来自控制器的控制信号输入其中,以便改变频率特性,通过提高比最高电平频带更高的频率范围的信号的增益来放大声音信号。根据本发明,助听器能放大第二共振峰信号而不放大第一共振峰信号,使得输出的声音变得更清晰而又不会过分响。

Description

助听器

本发明涉及这样的助听器，它通过把声音突然变大的感觉减到最小、消除声音的金属铃声(metalic ring)等办法来改进清晰度。

通常认为，我们的听觉系统辨别声波的过程非常复杂，但把这过程总结起来就是，声波通过由外耳道、鼓膜、听觉小骨、耳蜗、听觉毛细胞(hair cell)、神经和辨认声波的脑细胞组成的传导系统传播。在这个传导系统中，外耳道和鼓膜称为外耳，鼓膜和听觉小骨称为中耳，耳蜗和听觉毛细胞称为内耳。

因此当这个传导系统中这些功能中的任何功能衰退都会发生听力损伤，并且随着哪一种功能的衰退以及衰退程度而有不同的症状，并且要用不同的对付方法。

老年性耳聋的典型形式是功能的全面衰退，包括脑功能的衰退，从而使得难以听到弱的声音。

图7是有正常听力的人的声音响度的等信号曲线图。水平轴是频率(Hz)，而垂直轴是声压电平(dB)。今后将把声压电平简写成SPL。

图中的曲线称为Fletcher-Manson曲线，在图中的阴影区表示在典型对话中的声能分布。标有“最小可听电平”的虚线是对应于有正常听力的人的曲线，但对于较老的人，图上这曲线要高一些，如标有“老年性耳聋的最小可听电平”的虚线所表示的那样。这老年性耳聋的最小可听电平随不同人而不同，所以图上的曲线应该看作只是一个例子。

正如从典型对话中的声能分布所看到的那样，一个有老年性耳聋的人只能听到有正常听力的人所能听到的话音频谱中的大约一半的声音，所以即使他们感觉到声音，但听者却听不出是什么词。

以图中所示的为例，如果助听器把声电平提高大约50dB，则对话的话音频谱将多少能到达听得到的电平，使助听器佩戴者能理解话音中的词，但比如说，日常遇到的80dB的声音就会变成130dB，这太响了，而使人感到不舒服。

有正常听力的人能够忍受的最高声音电平是大约130dB，而对于听力有困难的人，在120到130dB之间，这似乎大致相同，但事实上电平经常低很多。

图8是日语元音共振峰的图。水平轴是第一共振峰(kHz)，垂直轴是第二共振峰(kHz)(见1985年11月30日Maruzen发表的Rika Nenpuop.491)。

图8告诉我们的是，例如要清楚地分辨出日语元音“A”,“I”,“U”,“E”，和“O”，就必须相对于第一共振峰，可靠地发送第二共振峰。

图9是各种发音和与它们对应的共振峰频率的典型值的表。根据这个表，第二共振峰频率在相对于第一共振峰频率1.5到7.7倍的范围内变化，但如果不能可靠地发送，听者就不能分辨出A,I,U,E，和O。

通常，第二共振峰的电平比第一共振峰的电平低大约20到40dB，所以即使能听到第一共振峰，也难于听到第二共振峰，使情况更坏的是，有老年性耳聋的人的高频感知能力严重地下降，如图7的虚线所指出的那样，这使得更难听到第二共振峰，在这情况下，即使一个人能听到第一共振峰，他也不晓得在说什么。

传统方法1

因为上述的情况，传统助听器一般都有的做法是：它们把第二共振峰的电平提高到足以听得到的程度，但虽然应用这种方法对轻微耳聋的人确实相当起作用，而对比较严重的耳聋患者，第一共振峰却经常超过100dB，这对佩戴者来说这种声音太响了。

传统方法2

已经利用音调控制电路来提高高频的放大系数，而这对于轻微耳聋的人是有效的，但对于比较严重的耳聋患者，如果第一共振峰频率高，就会把第一共振峰提高到超过100dB，而使人感到难受，结果佩戴者听到一种所谓铃声噪声。

传统方法3

经常采用自动音量调节电路，用来在超过100dB的强声音将要到来时通过立刻降低增益而将音量保持低于100dB。已经发展出各种方法通过优化电平增高时间和复原时间，来使佩戴者免受声音电平波动之苦，但如果某人在对话中突然叫起来，电平被降低到这样程度：它发出一种似乎声源离得很远的声音，而特别不希望的是，当通过立体声装置来听声音时，因为失去了固定位置的感觉，声源的位置似乎来回浮动。

本发明的目的是提供一种助听器，它这样放大话音，使得话音能被听清楚，但听起来又不会过分响。

这样设计本发明的助听器，使得只提高第二共振峰增益而不提高第一共振峰增益，这样来保持高的声音清晰度而听起来又不会过分响。在此不讨论连第一共振峰也听不到的情况，在该情况下，需要全面地放大，使得能听到第一共振峰，并提高第二共振峰增益。

对话中的第一共振峰电平通常大约为50到60dB，这电平是高的，即使有轻微到中度耳聋的人仍能适当地听到这第一共振峰，但因为第二共振峰电平比第一共振峰电平大约低20到40dB，所以即使把第二共振峰增强到这相同的电平，话音也似乎不太响。

因此，不提高第一共振峰增益，只提高第二共振峰增益使得话音变清楚，并且因为不改变第一共振峰增益，所以话音听起来不大声。

图1包括属于本发明的助听器的工作状态设置的曲线图。水平轴是频率，垂直轴是声压电平(SPL)。图1A表示关于在图8中看到的元音“I”的频谱，而图1B表示关于在图8中看到的元音“A”的频谱。

例如，如果一个人不能听到低于50dB的SPL的声音，则如从图1A所晓得的那样，这个人只能听到元音“I”的第一共振峰，而不能分辨出它是什么声音，进而因为他能朦脓地听到图1B表示元音“A”的第二共振峰，他能分辨出这声音是“A”，虽然如果话音稍轻些，他就不能肯定了。

用属于本发明的助听器时，如图1A和图1B的虚线表示的那样，不放大第一共振峰而只把第二共振峰放大到要求的电平，这样使第一共振峰和第二共振峰都处在听得到的范围。

在图1A“I”音的情况下，第一共振峰的频率350 Hz以上的频率被以6dB/oct修正，一直达到最大修正量20 dB。

这种修正把第二共振峰(2.7KHz,42dB的SPL)增大了18dB，使它达到60dB的SPL，所以，一个不能听到低于50dB SPL的人能适当地听到第一和第二共振峰，并且分辨出这声音是“I”。修正后的频谱在图1A以点划线表示。

在图1B“A”音的情况下，第一共振峰的频率1kHz以上的频率被以6dB/oct修正，一直达到最大修正量20dB。

在“A”音的情况下，即使没有修正，一个不能听到低于50dB SPL的人如果集中注意力，他能分辨出这声音是“A”，因为第二共振峰为53dB，但通过修正把电平提高到57dB的SPL，就能使人能更清楚地听出这声音。再看图1B，修正后的频谱以点划线表示。

本发明的助听器的修正特性的特征是修正特性随着第一共振峰的频率的变化而变化。在过去，当用声调控制或类似方法来修正频率特性时，当第一共振峰频率变化时修正特性并不变化。

例如，当使用传统的声调控制来设定修正特性，以便与在图1A的“I”音的频谱(即图1A的虚线所表示的修正特性)相配、并且在这状态下佩戴者听“A”音时，图1B所示的“A”音的第一共振峰的频率1kHz被增强10dB，使得第一共振峰的SPL达到80dB，于是使“A”音比“I”音响10dB。这产生所谓铃声噪声，因为第一共振峰的放大系数与“A”音的第一共振峰的频率一起提高。

因为听力损坏范围变化很大，助听器的修正必须与使用者的损坏程度相配，因此修正量必须与使用者相配，而不能固定。

当使修正满足使用者的损坏程度的要求时，如果使用者甚至不能听到第一共振峰，则首先必须对所有的频率进行放大，以达到能听到第一共振峰的电平，然后必须对第二共振峰进行属于本发明的修正放大。

上述的第一和第二共振峰是为理解语言所需要的最起码的要素，而有用的信息也包含在第三、第四、和随后的共振峰中，所以再现这些共振峰也是重要的，并且因为这些共振峰包含在比第一共振峰的频率高得多的频率中，所以属于本发明的修正对于它们也是有效的。

上面的描述主要集中在语言方面，但对于音符和取自声波的信息和我们日常生活所需的信息，能听到第一共振峰以上的频率这种本性是有效的，并且使得有可能获得更多信息。

因此，本发明的第一方面是一种放大声音信号的助听器：

(1)它包括：

控制器，用来通过对随时间而变的声音信号进行频率分析而实时地确定声音信号中最高电平的频带，并且产生一种控制信号，用来提高比处于最高电平的频带更高频率范围的信号的增益(例如放大器Q3，或带通滤波器组2和二极管矩阵3以及比较器4，或数字信号处理器13，或类似的装置)；和

第一放大器，来自所述控制器的控制信号输入其中，以便改变频率特性，通过提高比处于最高电平的频带更高的频率范围的信号的增益来放大声音信号(例如含有Q1和Q2放大器的放大器系统，或参数均衡器5，或数字信号处理器13，或类似的装置)，或

(2)在上述(1)中，控制器包括第二放大器，其增益是频率的函数(例如放大器Q3)，或

(3)在上述(1)中，第一放大器包括放大装置(例如包括Q1和Q2放大器的放大装置)，其中多个有不同频率特性并且每个都能进行增益控制的子放大器彼此并联，并且，所述多个子放大器的输出被加到一起，或

(4)在上述(1)中，控制器包括带通滤波器组(带通滤波器组2，二极管矩阵3和比较器4)，或

(5)在上述(1)中，第一放大器包括参数均衡器，或

(6)包括：

A/D变换器，它处在声音信号输入侧，用于把声音模拟信号转换成数字信号(例如A/D变换器12)；

数字信号处理器，用于通过对从A/D变换器输出的、随时间变化的数字信号进行频率分析而实时地确定处于数字信号的最高电平的频带，然后产生控制信号，用来提高比处于最高电平的频带更高频率范围的信号的增益，然后根据控制信号通过提高比处于最高电平的频带更高频率范围的信号的增益来放大数字信号；和

D/A变换器，用来把从数字信号处理器输出的数字信号转换成模拟信号(例如D/A变换器14)；

采用上述结构得到这样的助听器，它这样放大输入声音信号，使得能清楚地理解所有声音，而不会听起来过分响。

本发明的第二方面是一种放大随时间而变的输入声音信号的助听器，它包括：

控制器，用于根据输入声音信号的处于最高电平的第一频带来产生控制信号；和

放大器，用于放大输入声音信号以便产生输出声音信号，其中放大器有这样的频率特性，它有第一增益区和第二增益区，在第一增益区中，频率等于或低于第一频带，并有恒定的增益，在第二增益区中，对于高于第一频带的频率，其增益随频率而增加并大于第一增益区；并且对控制信号作出响应，第一和第二增益区之间的上升点随第一频带而改变。

随处于输入声音信号的最高电平的第一频带而这样动态地控制增益的频率特性，使得在平的增益区与上升增益区之间的上升点动态地改变。

图1A和1B是属于本发明的助听器的工作状态设置的曲线图；

图2A和2B是说明构成本发明的实施例1的放大系统的示意图；

图3是说明用图2中所见的放大器Q3来探测第一共振峰频率的示意图；

图4是主要元件的方框图，用来说明本发明的实施例2的助听器；

图5A和5B是说明图4中所见的助听器的主要结构元件的特性的示意图；

图6是主要元件的方框图，用来说明本发明的实施例3的助听器；

图7是有正常听力的人声音响度的等信号曲线图；

图8是日语元音的共振峰图；和

图9是各种声音和与它们对应的共振峰频率的典型值的表。

属于本发明的助听器应该有一个放大系统，它使上述本发明的原理得以实现，而同时这放大系统必须是一个可以借助它来改变所述频率特性的放大系统，改变所述频率特性的许多传统方法是已知的。

图2说明构成本发明的实施例1的放大系统的示意图。图2A是频率特性的曲线图，而图2B是放大装置的结构的方框图。输入声音信号IN被Q1和Q2放大而产生输出信号OUT。

在各图中，Q1是其频率特性示于图2A中的(1)的放大器，Q2是其频率特性示于图2A中的(2)的放大器，Q3是控制放大器Q2的放大器，OT是放大装置的输出端，而β是放大器Q2的修正后的增益。

放大装置包括并联的放大器Q1和Q2，和控制放大器Q2的修正后的增益β的放大器Q3。放大器Q1和Q2的组合输出信号从输出端OT输出。

这样设计放大器Q2，以便与来自放大器Q3的对应于第一共振峰频率输出信号相应地改变对其增益的控制，并且能够实现图2A的(3)，(4)，和(5)中所示的频率特性。即，当β被控制为10dB时，频率特性为(3)，当β被控制为20dB时，频率特性为(4)，当β被控制为30dB时，频率特性为(5)。

如果放大器Q2+β的增益低，则放大器Q1的特性起支配作用，但如果放大器Q2+β的增益在整个频带范围内超过放大器Q1的增益，则放大器Q2+β的特性起支配作用，在这两者之间时，增益平滑地改变，并且开始对较高频率进行增益修正的频率随着第一共振峰频率而从(3)变化到(5)，所以本发明的特性修正放大系统是有好处的。

如从图2所见的那样，放大器Q2的特性在200Hz到2 kHz之间被修正了20dβ，但修正量应根据听力困难者的状况来确定，而不限于20dB。

图3是说明用图2中所示的放大器Q3来探测第一共振峰频率的示意图。水平轴是频率，左垂直轴是增益，而右垂直轴是是输出电平。

从图3中的标有符号Q3的特性曲线可以清楚地知道，放大器Q3是一个增益以6分贝/倍频程(dB/oct)线性地增加的放大器，当加上话音信号时，随着第一共振峰频率上升，放大系数上升，并且输出增大。

即，当把元音“I”的输入信号加到放大器Q3时，因为“I”的第一共振峰频率的增益较低，所以放大器Q3的输出自动地较低，使得放大器Q2的β被控制为较高值。在另一方面，当把元音“A”输入信号加到放大器Q3时，因为“A”的第一共振峰频率的增益较高，所以放大器Q3的输出自动地较高，使得放大器Q2的β被控制为较低值。因此，放大器Q3实际上探测输入声音信号的第一共振峰频率，然后产生一个用来改变放大器Q2的β的控制信号。

如图2所描述的那样，Q3的输出改变了放大系统(Q1+Q2+β)的特性。具体地说，得到下面的结果。

第一共振峰频率：

250Hz或更低：图2A中特性曲线(5)

600Hz：图2A中特性曲线(4)

2kHz或更高：图2A中特性曲线(3)

根据上述解释，当第一共振峰频率低时，放大系统的总增益从较低的频率开始增加，如(5)那样。而当第一共振峰频率高时，则增益增加的开始频率较高，如(4),(3)那样。

如以上解释的那样，放大系统(Q1+Q2+β)有这样的特性，它包括第一增益区和第二益区，在第一增益区中，频率等于或低于第一共振峰的频带，并有恒定的增益，在第二增益区中，对于高于第一共振峰的频带的频率，其增益随频率而增加并大于第一增益区；并且，第一和第二增益区之间的上升点随第一共振峰的频带而改变。第一共振峰的频率可以作为最高电平信号的频带而被探测出来。当最高电平信号的频带变高时，上升点变高，而当最高电平信号的频带变低时，上升点变低。这样，上升点对放大器Q3产生的控制信号作出响应而改变。

图2和3所描述的助听器是一个由模拟电路组成的简单模型，但它很实用，在信号处理的过程中没有数字处理带来的延迟，没有遗漏一位或更小的非常微弱信号；当两只耳都用助听器时，能准确地辨别出声源的位置，使得能够通过声音来估计周围的状况。

图4是主要元件的方框图，用来说明本发明的实施例2的助听器。在该图中，1是输入放大器，2是带通滤波器组，3是二极管矩阵，4是比较器组，5是参数均衡器(参数放大器)，以及6是输出放大器。带通滤波器组2由带通滤波器F1,F2,F3和F4组成，而比较器组4由比较器C0,C1,C2,C3和C4组成。

图5A和5B是说明图4中所见的助听器的主要结构元件的特性的曲线图。图5A是带通滤波器的特性曲线图，而图5B是参数均衡器的特性曲线图。在两图中，水平轴是频率，垂直轴是放大系数。附于特性曲线的符号对应于图4中标有相同符号的元件的特性。f₁,f₂,f₃，和f₄是带通滤波器F1,F2,F3和F4的中心频率。

众所周知，图4中所示的助听器中的比较器C1到C4把两个输入端电压作比较，并产生它们的输出。如果正端电压大于负端电压，则输出将为正，否则输出将为负。

如果带通滤波器F2的输出电压大于其它带通滤波器的输出电压，则比较器的输出由加有带通滤波器F2的电压的比较器端子来确定。

例如，来自带通滤波器F2的电压被加到比较器C2正端，但加到其它比较器C1,C3和C4的负端，根据二极管矩阵3的作用，如果带通滤波器F2的输出电压高于其它带通滤波器的输出，则仅仅比较器C2的输出变正，而其它比较器的输出变负。

因此，如果输入信号的最高信号电平具有带通滤波器F2的中心频率f₂，或有接近此中心频率的频率，则比较器C2的输出变正，如果输入信号的最高信号电平具有带通滤波器F3的中心频率f₃，或有接近此中心频率的频率，则比较器C3的输出变正。

众所周知这样的事实，即一个参数均衡器，即一个参数放大器能从外部改变特性，并且图4所示的参数均衡器5用来在比较器C1的输出为正时，提高高于中心频率f₁的频率的放大系数，如图5B中所看到的那样。

与此相似，当比较器C2的输出为正时，它用来提高高于中心频率f₂的频率的放大系数；当比较器C3的输出为正时，它用来提高高于中心频率f₃的频率的放大系数；而当比较器C4的输出为正时，它用来提高高于中心频率f₄的频率的放大系数。

图4的助听器的频率特性可以是图5B所见的参数均衡器5的各种特性中的任何一种，而它们变成哪一种特性决定于输入信号。

如果输入信号的电平低于特定电平，则比较器C0的输出变正，参数均衡器5的特性变成图5B的C0，并且只有高于f₀的频率被放大，但如果输入信号高于特定电平，则特性由输入信号中包括的各种频率中有最大能量的频率来决定。例如，如果这个频率是f₁，则低于f₁的频率不被放大，只有高于f₁的频率才被放大。

与此相似，如果这个频率是f₂,f₃，或f₄，则低于f₂，低于f₃，或低于f₄的频率相应地都不被放大，只有高于这些频率的输入信号才被放大。

在上面的描述中，为了便于理解，所用的频带被分成四个频带，但一个频带通常包括三分之一倍频程或六分之一倍频程。

因此，在300到2400Hz的情况下(3个倍频程)，频率将被分成9到18个频带，即使把频率这样分成多个频带，也能容易地用现有的集成电路工艺以源滤波器的形式来配置带通滤波器，甚至比较器和参数均衡器也能容易地与带通滤波器一起集成。

在本发明的助听器中的修正特性的斜率通常为6分贝/倍频程(dB/oct)或12dB/oct，并且最大修正量为20dB到30dB，但这些涉及对使用者的耳的特性的修正，并且因为有各自的差别，将根据各个人来确定这些值，以便获得最佳结果。

顺便提一下，助听器所要求的、对声音信号处理极为有用的电子器件现已变得很实用，其一个例子是数字信号处理器(DSP)。DSP可被编程来起各种电子器件的作用，例如频谱分析器或参数均衡器。

图6是主要元件的方框图，用来说明本发明的实施例3的助听器。在该图中，11是输入放大器，12是A/D变换器，13是DSP，14是D/A变换器，和15是输出放大器。

对于这种助听器，输入信号通过输入放大器11，以便使第一共振峰频率保持在特定的听到的电平上，该放大后的信号被A/D变换器12数字化，而这种数字信号被输入到DSP 13。

通过对DSP 13预编程，它就可以起频率分析器的作用，进行频谱分析，计算这样获得的数字数据，然后该DSP 13起参数均衡器的作用，只放大和修正第二共振峰频率的信号，并输出信号。

D/A变换器14把被DSP 13修正和放大后的信号反向转换成模拟信号，并且经输出放大器15适当放大后到达使用者的耳里。

属于本发明的助听器包括控制器和第一放大器，控制器用来通过对随时间变化的声音信号进行频谱分析而实时地确定声音信号中具有处于最高电平的频带的信号，并且用来产生一种控制信号，以便提高比处于最高电平的频带更高频率范围的信号的增益，而来自控制器的控制信号输入到第一放大器，以便改变其频率特性，通过提高比处于最高电平的频带更高频率范围的信号的增益来放大声音信号。

采用上面结构而得到这样的助听器，它放大所有的声音，使得人们能清楚地理解它们而听起来又不过分响。

Claims

1．一种用于放大声音信号的助听器，它包括：

控制器，用来通过对随时间变化的声音信号进行频率分析而实时地确定声音信号中最高电平的频带，并且用来产生一种控制信号，以便提高比处于最高电平的频带更高频率范围的信号的增益；和

第一放大器，来自所述控制器的控制信号输入其中，以便改变其频率特性，通过提高比处于最高电平的频带更高频率范围的信号的增益来放大声音信号。

2．根据权利要求1的助听器，其特征在于：所述控制器包括其增益是频率的函数的第二放大器。

3．根据权利要求1的助听器，其特征在于：所述第一放大器包括放大装置，其中多个有不同频率特性并且每个都能进行增益控制的子放大器彼此并联，以及所述多个子放大器的输出加到一起。

4．根据权利要求1的助听器，其特征在于：所述控制器包括带通滤波器组、二极管矩阵和比较器组。

5．根据权利要求1的助听器，其特征在于：所述第一放大器包括参数均衡器。

6．一种用于放大声音信号的助听器，它包括：

A/D变换器，它设置在声音信号输入侧，用于把声音模拟信号转换成数字信号；

数字信号处理器，用于通过对从A/D变换器输出的、随时间变化的数字信号进行频率分析而实时地确定处于数字信号的所述最高电平的频带，然后产生一种控制信号，用来提高比处于所述最高电平的频带更高的频率范围的信号的增益，并且根据所述控制信号通过提高比处于所述最高电平的频带更高的频率范围的信号的增益来放大数字信号；和

D/A变换器，用于把从所述数字信号处理器输出的所述数字信号转换成模拟信号。

7．一种用于放大随时间变化的输入声音信号的助听器，它包括：

控制器，用于根据所述输入声音信号的处于最高电平的第一频带来产生控制信号；和

放大器，用于放大输入声音信号，以便产生输出声音信号，其中所述放大器具有这样的频率特性，它包括第一增益区和第二增益区，在所述第一增益区中，频率等于或低于所述第一频带，并有恒定的增益，在所述第二增益区中，对于高于所述第一频带的频率，其增益随频率而增加并大于所述第一增益区；并且对控制信号作出响应，所述第一和第二增益区之间的上升点随所述第一频带而改变。

8．一种助听器，它包括：

放大器，用于放大随时间变化的声音信号，并且产生输出声音信号，

其中所述放大器具有这样的频率特性，它包括第一增益区和第二增益区，在所述第一增益区中，频率等于或低于所述第一频带，并有恒定的增益，在所述第二增益区中，对于高于所述第一频带的频率，其增益随频率而增加并大于所述第一增益区；并且所述第一和第二增益区之间的上升点随所述第一频带而改变。