CN1836465B - 用于听力受损的听者的声音增强的方法和设备 - Google Patents

用于听力受损的听者的声音增强的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种增强听力受损的听者所听到的声音的方法，包括：监测该听者所处环境中的声音；及将具有即使有也很小的失真的处于高频带中声音的高频成分的频率处理成处于语音频带中声音的成分，以增强频谱提示从而在声音外在化和空间化上辅助该听者。

Description

用于听力受损的听者的声音增强的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于听力受损的听者的声音增强，更具体地说，本发明涉及用于增强听力受损的听者所听到的声音的方法和设备。
背景技术
据佩戴传统助听器的听者证实，他或她的声音外在化和声音空间化能力有实质性降低，这反过来又显著降低了他们从相匹敌的背景声音中解析感兴趣声音的能力。另一方面，根据多个声源和听者之间空间位置的不同，听力未受损的听者依靠空间听力来分离各种相匹敌的声音。声音空间化还有助于听者将注意力集中到感兴趣的声音上。
人类的空间听力依赖于对来自双耳的声学信息的综合。所述声学信息包括：双耳之间声音的强度差以及到达时间差，以及通过外耳对声音的位置相关声学滤波所产生的单耳频谱提示(spectral cue)。对外在化的声音(亦即听起来来自头的外部)的感知主要依靠由外耳的声学滤波所提供的单耳频谱提示。不具有这些频谱提示但是具有一致的耳间时间差提示和耳间强度差提示的声音，被感知为偏向一侧并在头的内部。
通常，听力受损的听者在高频部分遭受的损失更严重一些。然而，由于外耳的形状和尺寸的关系，对空间灵敏度起重要作用的单耳频谱提示的频率范围通常在5千赫兹至20千赫兹之间，而这正是听觉频率的高频部分。因此，听力受损的听者在听觉空间化方面明显受损，这最终导致其无法从背景噪声中分离出信息。进一步，语音刺激的精确空间化要求的是高于约8千赫兹的高频。
当前已提出了各种方法来增强佩戴助听器的听者的空间听力。这些增强佩戴助听器的听者的空间听力的方法中的一种方法包括：使用微型深耳道式(CIC)助听器，以防止外耳声学滤波的干扰。CIC助听器的电子元件包含在完全容纳于耳道之内的小型模具中。
另一种用于增强佩戴助听器的听者的空间听力的方法包括：使用不会造成低频耳间时间差提示失真的开放式或者非咬和式耳模。
再一种用于增强佩戴助听器的听者的空间听力的方法包括：根据经验性定位测试来调整助听器左侧和右侧的增益，以保持耳间强度差提示。
上述所有方法的一项缺点在于，它们没有利用信号处理来增加并提供随声音在空间中的位置一致改变的高频单耳频谱提示。
这些方法的另一项缺点在于，它们没有使得特高频率的频谱提示(高于约8千赫兹)更容易被听见。
下面定义了与本发明相关的术语。
术语“语音频带”表示从经验来说对于听者的语音感知最关键的频率范围(近似但是并不精确，200赫兹至4千赫兹)。就不同的听者来说可能略有变化，但是可通过经验和/或分析确定。
术语“高频带”表示高于语音频带的频带。
术语“高频成分”表示出现高频带中的声音的频率成分。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种增强听力受损的听者所听到的声音的方法，该方法包括：
监测该听者所处环境中的声音；并且
将具有即使有也很小的失真的处于高频带中声音的高频成分的频率处理成处于语音频带中声音的成分，以增强频谱提示从而在声音外在化和空间化上辅助该听者，所述高频成分可采用从以下技术所构成的组中选择的一种技术处理：压缩频率范围内的成分；将所述高频成分变换到较低频率，以及上述技术的组合，其中所述高频带是高于语音频带的频带，并且所述高频成分是出现高频带中的声音的频率成分。
该方法可以包括：
从时间上将声音划分为多个片段；
确定每个片段中的声音是否存在高频成分；以及
仅对于其中高频带中出现高于预定阈值的高频能量的片段，处理高频成分的频率。
可替代地，该方法可包括：
从时间上将声音划分为多个片段；
确定每个片段中的声音是否具有高频带中的谐波结构；以及
仅对于其中出现高频带中即使有也很少的谐波结构的片段，处理高频成分的频率。
该方法可用在听者的至少一个助听器中，该方法进一步包括：配置该助听器以保持听者外耳的声学滤波。
进一步，该方法可以包括：确定听者的听力范围，并且将所述高频成分的处理定制到该听者的听力范围。
在一实施例中，该方法可以包括：通过从声音信号到频域的第一变换处理所述高频成分，并在此后利用映射(mapping)技术和扭曲(warping)技术中的一种修改频域表示。
在本发明的另一实施例中，该方法可以包括：利用时域滤波器组和重采样技术中的至少一种在时域中处理高频成分，以将所述高频成分变换和/或压缩到较低频率。
在这两个实施例中，所述的映射技术可以包括：根据映射
Figure GSB00000157315000031
以处于f3至f4的较低的第二范围中的频率成分代替处于从f1至f2的范围中的频率成分，其中f3≤f≤f4。
该方法可以包括：当影响到高频成分的处理时，至少部分地保持这些成分之间的谐波关系。
进一步，该方法可以包括利用对数压缩技术处理所述高频成分。
该方法可以包括：将所述声音信号划分为多个离散的频率成分，并根据映射S(fn*i+c)→S(fi)获取高于语音频带的频率成分fi作为输出信号，其中n是正整数，c是固定的整数。
可替代地，该方法可以包括：将所述声音信号划分为多个离散的频率成分，并根据映射S(fn*i+ci)→S(fi)获取高于该语音频带的频率成分fi作为输出信号，其中n是正整数，而且ci对于每个i是可调节的，以便从频率成分fn*i至f(n+1)*i-1中选择具有最大能量的频率成分，。
在更进一步的实施例中，该方法可以包括利用Laguerre变换执行所述声音信号的频率转换。
该方法优选包括通过信号放大进一步处理高频成分。进一步，该方法可以包括应用所述信号放大，以便在针对高频成分的频率内维持一致的相对增益。
该方法可以通过听者每个耳朵中的助听器来实施，该方法包括应用所述信号放大，以便针对每个耳朵的高频带在两耳之间维持一致的相对增益。
该方法可以包括在所述高频成分的处理之前和/或之后，独立地改变声音的每个频率成分的相对幅度。
进一步，该方法包括：使听者能够中断高频成分的处理。
在本发明的改进中，该方法可以包括：
接收被渲染为虚拟音频的辅音频信号；并且
合并辅音频信号，以产生包括虚拟音频成分的输出音频信号。
该方法可以包括：利用虚拟音频空间技术处理所述辅音频信号，从而为听者制造声音来自于该听者头部周围的个人听觉空间中特定位置的效果。该虚拟音频空间技术详尽地记载于2001年1月16日递交、题为“针对个人定制的三维音频效果的产生”的申请PCT/AU 01/00038中，该申请的内容通过引用合并在本文中。
根据本发明的第二方面，本发明提供了用于增强听力受损的听者所听到的声音的设备，该设备包括：
至少一个助听器装置，其包括：
与听者的耳朵相关联的壳体；
与该壳体关联的传感器，用于检测声音；
由该壳体携带的传送媒介，用于将处理过的声音传送给听者的听力系统；
被容纳于该壳体中的主信号处理装置，该主信号处理装置被配置为执行传统助听器信号处理；以及
与该主信号处理装置通信的辅信号处理装置，该辅信号处理装置被配置为将具有即使有也很小的失真的高频成分的频率处理成处于语音频带中声音的成分，以增强频谱提示，从而在声音外在化和空间化上辅助该听者，该辅信号处理装置可通过压缩频率范围内的高频成分和将高频成分变换到较低频率中的至少一种来处理所述高频成分，其中所述高频带是高于语音频带的频带，并且所述高频成分是出现高频带中的声音的频率成分。
该设备可以包括用于使听者能够关闭该辅信号处理装置的听者可操作接口。
该设备可以包括与该辅信号处理装置通信的鉴别器，该鉴别器在声音成分的频率之间进行鉴别，并可用来仅对于其中高频带中出现高于预定阈值的高频能量的时间窗启动该辅信号处理装置。
该壳体可被配置为最低限度地妨碍该听者外耳的声学滤波。
主信号处理装置和辅信号处理装置中的至少一个可以进一步用来通过信号放大处理所述高频成分。
该辅信号处理装置可以被置于主信号处理装置和传感器之间。
该设备可以包括各用于听者一个耳朵的两个助听器装置。所述每个助听器装置中的信号处理装置都可以用来放大所述高频声音成分，以便针对每个高频带在听者两耳之间维持一致的增益。
在本发明的改进中，该设备可以包括与主信号处理装置通信的通信接收器，该接收器接收被渲染为虚拟音频的辅音频信号，以产生包括虚拟音频成分的输出音频信号。因此，主信号处理装置可以用来利用虚拟音频空间技术处理该辅音频信号，从而为听者制造声音来自于该听者头部周围的个人听觉空间中特定位置的效果。
附图说明
现在，通过参考附图的举例来描述本发明，其中：
图1表示根据本发明实施例的用于增强听力受损的听者所听到的声音的设备的示意性框图；
图2表示该设备中辅信号处理器的信号处理步骤的第一实施例的流程图；
图3表示用在辅信号处理器中的频率转换表的一个实施例；
图4表示该设备中辅信号处理器的信号处理步骤的第二实施例的流程图；
图5表示用在辅信号处理器中的频率转换表的另一个实施例；
图6表示该设备中辅信号处理器的信号处理步骤的第三实施例的流程图；
图7表示根据对本发明的改进的用于增强听力受损的听者所听到的声音的设备的示意性框图；以及
图8表示图7中设备的辅信号处理器的信号处理步骤的流程图。
具体实施方式
在图中，附图标记10通常代表根据本发明实施例的用于增强听力受损的听者所听到的声音的设备。设备10包括容纳助听器电子元件和组件的壳体12。
声学传感器14被布置在壳体上以检测声学信号。声音传送媒介16由壳体12携带，并将声音传送给佩戴设备10的听者耳朵的鼓膜。
设备10的组件包括执行传统助听器信号处理的主信号处理器18。辅信号处理器20被置于主信号处理器18和传感器14之间。
可选地，辅信号处理器20由鉴别器22控制，鉴别器22能够确定是否存在具有处于高频带中高于预定阈值的高能频率的声音的成分。然而，在本发明的优选实施中，不管高频声音成分是否存在，辅信号处理器20都进行频率变换操作。这种情况下，无需探测高于预定阈值的高频成分的存在，相应地，也就无需鉴别器。
此外，提供外部可访问开关24和25，使得听者能够关闭辅信号处理器20。可选地，这些开关由鉴别器22控制，以便在不存在高频声音信号时进行关闭。
在本发明的优选实施中，壳体12采用深耳道式助听器外壳，以保持听者外耳的声学滤波，并以此最小化由外耳的声学滤波所产生的对单耳频谱提示的不利影响。
传感器14是宽带(20赫兹至20千赫兹)麦克风。传感器14将进入的声波转换为用于前向传输给设备10的组件的电信号。
辅信号处理器20根据每个听者的要求量身定做，在使用之前进行适当的校准，以便听者适用的高频带落入该听者的最佳高频范围内。
辅信号处理器20可用于处理在高频带中声音的成分。更具体地说，辅信号处理器20压缩频率范围内的声音成分和/或通过下述映射将高频带中声音成分的频率变换到低频：
S ( f 1 + ( f - f 3 ) f 2 - f 1 f 4 - f 3 ) → S ( f ) , 其中f3≤f≤f4。
辅信号处理器的处理操作的框图在附图2中示出。采样模数转换器(ADC)30以近似32千赫兹的采样频率对来自传感器14的输入信号进行采样，并以24比特的数字字段表示每个采样。每256个采样，执行以下步骤：
在步骤32，512个最新采样以它们各自的窗系数进行加窗处理(window)。所采用的窗是512节(tap)余弦窗(cosine window)；
在步骤36，采用512点快速傅立叶变换(FFT)将加窗处理后的数据变换到频域。FFT的输出是以复数表示的从DC(0赫兹)至16千赫兹的信号频率的512个频率段(bin)；
在步骤38，通过转换块，语音频带之外的频率段被频率变换(转换)。在附图3中显示了此类转换表的一个示例。图3中，队列中除最初64个段和最后63个段没有变化外，从段65至段192中每隔一个段被移动到段65至段128，从段449至段322中每隔一个段被移动到段449至段386，而从段129至段385都乘以零；
在步骤40，采用512点快速傅立叶逆变换(IFFT)将上述转换的输出从频域变换到时域；
在步骤44，采用512节余弦窗对IFFT的输出进行加窗处理；
在块46，采用50％叠加法使加窗处理块44的输出与其前一周期(256个采样之前)的输出相结合。
利用模数转换器(DAC)48将经过这一系列操作所产生的数字采样转换为模拟信号。
来自辅信号处理器20的输出将处理过的声音成分供给主信号处理器18。主信号处理器18执行传统助听器压缩和放大处理。来自主信号处理器18的输出供给声音传送媒介16，该声音传送媒介16可以是普通助听器接收器。
现在参见附图4，示出了影响高频成分的频率处理的其他形式。参照附图2，除非另有说明，相同的附图标记代表相同的组件。
在该实施例中，频率处理发生在时域。相应地，不采用步骤36的FFT和步骤40的IFFT，取而代之的是在转换步骤38之前的步骤36中采用时域分解滤波器组，以及在转换步骤38之后的步骤40中采用时域合成滤波器组。
在本发明进一步的实施例中，辅信号处理器20将声音信号划分为多个离散的频率成分，并根据以下映射获取高于语音频带的频率成分fi作为输出信号：
S(fn*i+c)→S(fi)，
其中n是正整数，c是固定的整数。
再一次，如附图3所示，语音频带之外的频率成分或者段由转换块进行频率变换(转换)。
在本发明的再一实施例中，辅信号处理器将声音信号划分为多个离散的频率成分，并根据以下映射获取高于语音频带的频率成分fi作为输出信号：
S(fn*i+ci)→S(fi)，
其中n是正整数，而且ci对于每一个i是可调节的，以便从频率成分fn*i至f(n+1)*i-1中选择具有最大能量的频率成分。该实施例中转换表的实例在附图5中示出。
在本发明更进一步的实施例中，辅信号处理器在步骤36不采用FFT，而是采用Laguerre变换影响高频成分的处理，结果，如附图6所示，步骤40采用Laguerre逆变换，可参照附图2，除非另有说明，相同的附图标记代表相同的组件。
辅信号处理器18对先前高频声音成分的放大以如下方式执行：在高频带的频率成分内维持尽可能一致的相对增益。
在本发明实施例中听者佩戴两个助听器且每耳一个的情况下，辅信号处理器18对先前高频声音成分的放大也以如下方式执行：针对高频带内每个频率成分在两耳之间存在尽可能一致的相对增益。
如上所述，通过在设备10中采用深耳道式壳体12，可以保持由听者的外耳所提供的传统声学滤波。在听者具有一只未受损的耳朵和一只听力受损的耳朵的情况下，听者可以在受损的耳朵中佩戴设备10，而未受损的耳朵独立工作。另外，在听者需要两个助听器的情况下，每个助听器都可以采用设备10实施。
在本发明的改进中，设备10可以被提供有通信接收器60(见图7和图8)，从而使佩戴者能够接收被渲染为虚拟音频的辅音频信号。如在步骤31中所示，辅音频信号由采用前面引用的PCT/AU 01/00038中所描述技术中的虚拟听觉空间渲染引擎进行处理。利用虚拟音频空间技术的辅音频信号处理，为听者制造了音频信号来自于听者头部周围的个人听觉空间中特定位置的效果。在步骤33，处理后的辅音频信号被结合，从而在经过频率处理步骤32、36、38、40、44和46之后，产生包括虚拟音频成分的输出音频信号。产生包括虚拟音频成分的输出音频信号的技术记载于2004年7月2日递交、题为“增强的真实音频的产生”且国际申请号为PCT/AU 2004/000902的申请中。该国际专利申请的内容通过引用被合并在本文中。
图8的情况参照附图2，除非另有说明，相同的附图标记代表相同的组件。
本发明的优点在于，随空间位置变化最大的高频频谱提示，亦即具有高于8千赫兹频率的频谱提示，以可听到的形式出现在听力受损的听者的耳朵中。由于听觉系统在较低频率具有较高的频率分辨率，因此将高频成分处理到较低频率有助于补偿听力受损的听者被弱化的频率选择能力。
此外，由于听者的听觉系统能够再学习用于声音空间化的单耳频谱提示，所以听者能够学习通过将高频成分处理到较低频率所产生的改变的频谱提示。适应新提示所需的时间长度，与适应佩戴传统助听器通常要求的适应时间不相上下。
本发明的另一个优点在于，能够使听力受损的听者在一定程度上恢复作为在喧闹声音环境下进行语音分离之基础的空间听力。通过利用与声源的不同位置相关的双耳提示和频谱提示，设备10增强了从多个谈话者以及从背景噪声中分离谈话者的能力。这些频谱提示还提高了对外在化声音的清晰检测，这有助于信号去伪。
本发明进一步的优点在于，其提供了声源定位的基础，这有助于常见的声音导航。
本发明再一个优点在于，利用了由讲话的摩擦音和爆破音所提供的高频信息来辅助讲话的空间化。此外，本发明还提供了通过将高频带定制到听者的最佳高频听力范围，从而便于听力受损的听者最佳地利用空间信息的工具。
本领域的技术人员应理解，在不背离广义的本发明精神和范围的基础上，能够对通过特定实施例说明的本发明作出各种变化和/或修改。因此，当前的实施例在各个方面都应理解为示意性的，而非限制性的。

Claims (30)

1.一种增强听力受损的听者所听到的声音的方法，该方法包括：
监测该听者所处环境中的声音；并且
将具有即使有也很小的失真的处于高频带中声音的高频成分的频率处理成处于语音频带中声音的成分，以增强频谱提示，从而在声音外在化和空间化上辅助该听者，所述高频成分的频率采用从以下技术所构成的组中选择的一种技术处理：压缩频率范围内的成分；将所述高频成分变换到较低频率，以及上述技术的组合，其中所述高频带是高于语音频带的频带，并且所述高频成分是出现高频带中的声音的频率成分。
2.如权利要求1所述的方法，包括：
从时间上将声音划分为多个片段；
确定每个片段中是否存在声音的高频成分；以及
仅对于其中高频带中出现高于预定阈值的高频能量的片段，处理高频成分的频率。
3.如权利要求1所述的方法，包括：
从时间上将声音划分为多个片段；
确定每个片段中的声音是否具有高频带中的谐波结构；以及
仅对于其中出现高频带中即使有也很少的谐波结构的片段，处理高频成分的频率。
4.如以上权利要求中任意一项所述的方法，其用在听者的至少一个助听器中，该方法进一步包括：配置该助听器以保持听者外耳的声学滤波。
5.如权利要求1所述的方法，包括：确定听者的听力范围，并且将所述高频成分的处理定制到该听者的听力范围。
6.如权利要求1所述的方法，包括：通过从声音信号到频域的第一变换处理所述高频成分，并在此后利用映射技术和扭曲技术中的一种修改频域表示。
7.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，包括：利用时域滤波器组和重采样技术中的至少一种在时域中处理高频成分，以将所述高频成分变换和/或压缩到较低频率。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述映射技术包括根据映射以处于f3至f4的较低的第二范围中的频率成分代替处于从f1至f2的范围中的频率成分，其中f3≤f≤f4。
9.如权利要求1所述的方法，包括：当影响到高频成分的处理时，至少部分地保持这些成分之间的谐波关系。
10.如权利要求1所述的方法，包括利用对数压缩技术处理所述高频成分。
11.如权利要求6所述的方法，包括：将所述声音信号划分为多个离散的频率成分，并根据映射获取高于语音频带的频率成分fi作为输出信号，其中n是正整数，c是固定的整数。
12.如权利要求6所述的方法，包括：将所述声音信号划分为多个离散的频率成分，并根据映射
Figure FSB00000157314900023
获取高于语音频带的频率成分fi作为输出信号，其中n是正整数，而且ci对于每个i是可调节的，以便从频率成分
Figure FSB00000157314900024
至
Figure FSB00000157314900025
中选择具有最大能量的频率成分。
13.如权利要求6所述的方法，包括利用Laguerre变换执行所述声音信号的频率转换。
14.如权利要求1所述的方法，包括通过信号放大进一步处理高频成分。
15.如权利要求14所述的方法，包括应用所述信号放大，以便在针对高频成分的频率内维持一致的相对增益。
16.如权利要求14或15所述的方法，其通过听者每个耳朵中的助听器实施，该方法包括应用所述信号放大，以便针对每个耳朵的高频带在两耳之间维持一致的相对增益。
17.如权利要求1所述的方法，包括在所述高频成分的处理之前和/或之后，独立地改变声音的每个频率成分的相对幅度。
18.如权利要求1所述的方法，包括使听者能够中断高频成分的处理。
19.如权利要求1所述的方法，包括：
接收被渲染为虚拟音频的辅音频信号；并且
合并该辅音频信号，以产生包括虚拟音频成分的输出音频信号。
20.如权利要求19所述的方法，包括：利用虚拟音频空间技术处理所述辅音频信号，从而为听者制造声音来自于该听者头部周围的个人听觉空间中特定位置的效果。
21.用于增强听力受损的听者所听到的声音的设备，该设备包括：
至少一个助听器装置，其包括：
与听者的耳朵相关联的壳体；
与该壳体相关联的传感器，用于检测声音；
由该壳体携带的传送媒介，用于将处理过的声音传送给听者的听力系统；
被容纳于该壳体中的主信号处理装置，该主信号处理装置被配置为执行传统助听器信号处理；以及
与该主信号处理装置通信的辅信号处理装置，该辅信号处理装置被配置为将具有即使有也很小的失真的高频成分的频率处理成处于语音频带中声音的成分，以增强频谱提示，从而在声音外在化和空间化上辅助该听者，所述辅信号处理装置通过压缩频率范围内的高频成分和将高频成分变换到较低频率中的至少一种来处理所述高频成分，其中所述高频带是高于语音频带的频带，并且所述高频成分是出现高频带中的声音的频率成分。
22.如权利要求21所述的设备，包括听者可操作接口，用于使该听者能够关闭该辅信号处理装置。
23.如权利要求21或22所述的设备，包括与辅信号处理装置通信的鉴别器，该鉴别器在声音成分的频率之间进行鉴别，并可用来仅对于其中高频带中出现高于预定阈值的高频能量的时间窗启动该辅信号处理装置。
24.如权利要求21所述的设备，其中该壳体被配置为最低限度地妨碍该听者外耳的声学滤波。
25.如权利要求21所述的设备，其中主信号处理装置和辅信号处理装置中的至少一个进一步可用来通过信号放大处理所述高频成分。
26.如权利要求21所述的设备，其中辅信号处理装置被置于主信号处理装置和传感器之间。
27.如权利要求21所述的设备，包括各用于听者一个耳朵的两个助听器装置。
28.如权利要求27所述的设备，其中每个助听器装置中的信号处理装置都可用来放大所述高频声音成分，以便针对每个高频带在听者两耳之间维持一致的增益。
29.如权利要求21所述的设备，包括与主信号处理装置通信的通信接收器，该接收器接收被渲染为虚拟音频的辅音频信号，以产生包括虚拟音频成分的输出音频信号。
30.如权利要求29所述的设备，其中主信号处理装置可用来利用虚拟音频空间技术处理该辅音频信号，从而为听者制造声音来自于该听者头部周围的个人听觉空间中特定位置的效果。
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