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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Erzeugung und Verwendung einer Übertragungsfunktion für ein elektroakustisches
Gerät.
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Die Übertragung von Schall zu einem
elektroakustischen Gerät
wird durch ein akustisches Umfeld beeinflusst. Dieser Einfluss kann
durch eine sogenannte Übertragungsfunktion
beschrieben und im elektroakustischen Gerät berücksichtigt werden. Beispielsweise
gibt es kopfbezogene Übertragungsfunktionen
(Head Related Transfer Functions HRTF), die eine Übertragung
von Schall einer Schallquelle zu einem Trommelfell eines Ohres oder
zu einem Mikrofon eines Hörhilfsgeräts beschreibt. Übertragungsfunktionen
sind sehr empfindlich auf Änderungen
im akustischen Umfeld, beispielsweise auf eine geänderte Einfallsrichtung,
aus der der Schall auf das elektroakustische Gerät trifft. Dementsprechend unterscheiden
sich auch die HRTFs von verschiedenen Personen.
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Die Kenntnis der jeweils relevanten Übertragungsfunktionen
ist entscheidend für
die Verbesserung von Algorithmen, deren Wirkungsweise vom akustischen
Umfeld, z.B. von der Schalleinfallsrichtung, abhängt. Dies ist beispielsweise
bei Algorithmen der Fall, die zur Richtmikrofonbildung, zur Richtkegelausrichtung,
zur Rekonstruktion von natürlichen HRTFs
aus Mikrofonsignalen oder zur binauralen Störgeräuschbefreiung verwendet werden.
Eine Übertragungsfunktion
beschreibt in diesen Fällen meist
die Schallübertragung
von der Schallquelle zu einem oder zu mehreren Mikrofonen.
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Um eine optimale Wirkung der Algorithmen zu
erreichen, ist es wünschenswert
bei der Anpassung des elektroakustischen Geräts, beispielsweise bei der
Anpassung eines Hörhilfsgeräts, die Übertragungsfunktionen
für jedes
mögliche
akustische Umfeld zu messen. Beim Hörgerät heißt das, dass die HRTFs für jeden
Hörhilfsgerätbenutzer
neu vermessen werden müssen.
Solche Messungen sind im Allgemeinen sehr zeitaufwendig und erfordern
teuere Spezialgeräte,
da z.B. aufgrund der Richtungsabhängigkeit der Übertragungsfunktionen
diese für
viele verschiedene Einfallsrichtungen gemessen werden müssen.
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Im Bereich der Hörhilfsgerätetechnologie wird versucht,
durch wenige Parameter den Effekt des Kopfes zu berücksichtigen.
Dazu wird z.B. ein Amplituden- und Phasenausgleich bei Richtmikrofonsystemen
durchgeführt.
Beispielsweise ist aus
DE 199
27 278 C1 ein Verfahren zum Anpassen eines Hörhilfegeräts bekannt,
in dem ein Hörhilfegerät mit mehreren
Mikrofonen, die zum Erzeugen einer Richtcharakteristik miteinander
verschaltet sind, während
des Tragens in einem geeigneten Messraum beschallt und die Richtcharakteristik
aufgenommen. Sich daraus ergebende Filterparameter sind den Mikrofonen
nachgeschalteten parametrierbaren Filtern zuführbar. Die gewünschte ideale
Richtcharakteristik ist dadurch unter Berücksichtigung der individuellen
akustischen Gegebenheiten beim Tragen des Hörhilfegeräts approximierbar.
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Aus
US 5,870,481 A ist eine Apparatur zur Anpassung
von interauralen Pegeldifferenzen bekannt. Dazu wird eine Mehrzahl
von Hörtests
bei verschiedenen Frequenzen durchgeführt, wobei der Schall mit einer
Schallquelle erzeugt wird, die sich relativ zu einer Testperson
bewegen lässt.
Die Hörgerätantwort
des einen Ohres wird im Verhältnis
zum anderen Ohr angepasst, indem beispielsweise eine Abschwächung oder
Verstärkung
durchgeführt
wird. Die Einstellung erfolgt im Hinblick auf das Lokalisationsvermögen der
Testperson.
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Eine Methode zur Auswahl der besten
HRTF aus einem vorgegebenen Satz von HRTFs durch einen perzeptiven
Test wird in "Effiziente
Auswahl der individuell-optimalen aus fremden Außenohrübertragungsfunktionen", B. Seeber, H. Fastl,
DAGA 2001, Oldenburg, beschrieben. Bei dieser Methode stehen im
Satz von HRTFs nur eine begrenzte Anzahl von HRTFs zur Verfügung, so
dass unter Umständen eine
individuell geeignete HRTF nicht gefunden werden kann.
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Die praktische Bedeutung einer subjektiven Technik
zum Verfeinern einer Frequenzverstärkungscharakteristik eines
Hörhilfsgeräts im Hinblick
auf eine Hörerpräferenz (Simplex-Verfahren)
wird in "An Examination
of the Practicality of the Simplex Procedure", J. E. Preminger et al., Ear & Hearing 2000,
Lippincott Williams & Wilkins
beschrieben.
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Ein Modell zur Beschreibung von HRTFs wird
in "A model of head-related
transfer functions based on principal component analysis and minimum-phase
reconstruction." D.
Kistler, F. Wightmann, JASA (1992), Vol. 91, No. 3,p. 1637-1647" beschrieben. Das
Modell basiert auf einer Hauptachsentransformation (Principal Component
Analysis PCA), die es erlaubt, die HRTFs als Linearkombination von
mehreren Hauptkomponenten darzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Erzeugung und Verwendung einer an ein akustisches
Umfeld angepassten Übertragungsfunktion
für ein
elektroakustisches Gerät
anzugeben, das schneller und im Wesentlichen genauso genau ist wie
eine zeitaufwändige
Messung der Übertragungsfunktion.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Erzeugung und Verwendung einer Übertragungsfunktion
für ein
elektroakustisches Gerät
mittels mehrerer Basisfunktionen, die jeweils eine grundlegende
Eigenschaft eines spektralen Verlaufs von im elektroakustischen
Gerät verwendbaren Übertragungsfunktionen
aufweisen, wobei für
jede Basisfunktion jeweils ein Wichtungsfaktor derart bestimmt wird,
dass ein Betrieb des elektroakustischen Geräts unter Berücksichtigung
der mit den Wichtungsfaktoren und Basisfunktionen gebil deten Übertragungsfunktion
an ein akustisches Umfeld angepasst ist, wobei des Weiteren die Übertragungsfunktion
aus den mit den Wichtungsfaktoren gewichteten Basisfunktionen erzeugt
und im elektroakustischen Gerät
abgespeichert und verwendet wird.
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Von grundlegender Bedeutung für das Verfahren
ist die Möglichkeit,
eine Übertragungsfunktion mit
Hilfe von Basisfunktionen darzustellen. Dies ist beispielsweise
mit einer Hauptachsentransformation möglich, die die Übertragungsfunktion
in den Basisfunktionen entsprechenden Hauptkomponenten zerlegt.
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Eine Basisfunktion beschreibt jeweils
eine grundlegende Eigenschaft eines spektralen Verlaufs der Übertragungsfunktion.
Dabei können
bei der Darstellung durch Basisfunktionen richtungsabhängige Effekte
getrennt von richtungsunabhängige
Effekten des akustischen Umfelds behandelt werden. Des Weiteren
ist es möglich,
eine Übertragungsfunktion
in Betrag und Phase zu differenzieren. Je nach Bedarf kann dann
der Verlauf beispielsweise des Betrags der Übertragungsfunktion mittels
Basisfunktionen dargestellt werden.
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In einer ersten Basisfunktion kann
beispielsweise als grundlegende Eigenschaft der allgemeine Trend
der Frequenzabhängigkeit
festgehalten werden. Weitere Basisfunktionen ermöglichen es, feinere Strukturen
des Verlaufs der Übertragungsfunktion zu
reproduzieren.
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Kombiniert man die Analyse in Basisfunktionen
mit einer kontinuierlichen Veränderung
der Wichtungsfaktoren, steht der gesamte perzeptiv relevante Suchraum
für die
Erzeugung der Übertragungsfunktion
zur Verfügung.
Durch Variieren von wenigen notwendigen Wichtungsfaktoren kann die
mit den Basisfunktionen gebildete Übertragungsfunktion an das akustische
Umfeld angepasst werden.
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Unter Erzeugen einer Übertragungsfunktion wird
dabei verstanden, dass diese zumindest in parametrisierter Form
zur Verfügung
steht, d.h., dass sie beispielsweise anhand der Wichtungsfaktoren
in einem relevanten Frequenzbereich berechenbar ist.
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Bei der Erzeugung der Übertragungsfunktion können zuvor
vernachlässigte
Größen, wie
die richtungsunabhängigen
Effekte oder die Richtungsabhängigkeit
der Phase, wieder einbezogen werden.
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Die vollständige Übertragungsfunktion wird im
elektroakustischen Gerät,
welches beispielsweise ein Hörhilfsgerät, ein System
zur Erzeugung virtueller Akustik oder ein Multimediasystem sein
kann, abgespeichert und verwendet. Die Speicherung und Verwendung
kann mittels der Wichtungsfaktoren und Basisfunktionen oder in einer
anderen Parametrisierung erfolgen. Letzteres ist z.B. vorteilhaft,
wenn die Abspeicherung und Verwendung der Übertragungsfunktion auf dem
von dem jeweiligen Gerät
bearbeiteten spektralen Bereich eingeschränkt werden soll.
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Ein Vorteil des Verfahrens nach der
Erfindung liegt darin, dass es durch die Synthese der Übertragungsfunktion
mittels Basisfunktionen möglich
ist, auf sehr schnelle Art und Weise den gesamten perzeptiv relevanten
Suchraum zur Erzeugung der Übertragungsfunktion
abzutasten, d.h., dass der gesamte perzeptiv relevante Suchraum
zur Erzeugung der Übertragungsfunktion
zur Verfügung
steht. D. Kistler und F. Wightman haben in dem eingangs zitierten
Beitrag gezeigt, dass beispielsweise mit fünf Basisfunktionen eine Übertragungsfunktion
ausreichend gut dargestellt werden kann. Entsprechend könnte der
Suchraum durch die Anpassung dieser fünf Wichtungsfaktoren ausreichend
fein und sehr schnell abgetastet werden.
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Das Verfahren lässt sich auf die Bestimmung eines
ganzen Satzes von Übertragungsfunktionen
für z.B.
verschiedene Ein fallsrichtungen anwenden. Dabei kann das Verfahren
zusätzlich
dadurch beschleunigt werden, dass Zusammenhänge zwischen den richtungsabhängigen Wichtungsfaktoren
berücksichtigt
werden und nur ausgewählte
Richtungen optimiert werden und danach weitere Richtungen in geeigneter
Form interpoliert werden.
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Das Verfahren ist ,schnell' im Vergleich mit einer
Messung von richtungsabhängigen
kopfbezogenen Übertragungsfunktionen,
welche z.B. in 5°-Schritten
zur Abstimmung von Mikrofonen durchgeführt wird. Eine solche Messung
ist zeitaufwändig, da
sie für
jeden Winkelschritt, d.h. für
jede neue Position einer Signalquelle, durchgeführt werden muss. Des Weiteren
muss sie für
jeden Hörhilfsgeräteträger neu
durchgeführt
werden.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
des Verfahrens wird ein Wichtungsfaktor für eine auf einen Kopf einer
Person bezogenen Übertragungsfunktion
derart bestimmt, dass bei der Person ein räumlicher Höreindruck bei Berücksichtigung
der mit den Wichtungsfaktoren und Basisfunktionen gebildeten Übertragungsfunktion
im elektroakustischen Gerät
erzeugt wird. Neben dem räumlichen
Höreindruck
kann zusätzlich
oder alternativ eine Sprachqualität, eine Klangqualität, eine
Lokalisationsleistung und/oder eine Externalisierung von einer oder
mehreren Signalquellen bewertet werden. Unter Externalisierung wird
dabei folgendes verstanden: Bei Kopfhörerdarbietung von akustischen
Signalen oder bei der Benutzung von Hörhilfsgeräten wird der Ort der Entstehung
eines Schallereignisses häufig
als innerhalb des Kopfes liegend wahrgenommen. Wird die Schallquelle
in der gleichen Hörsituation
außerhalb
des Kopfes lokalisiert, so bezeichnet man diesen Effekt als Externalisierung.
Dies hat den Vorteil, dass der subjektive Höreindruck optimiert wird, d.h.,
dass der Einfluss durch das akustische Umfeld auf das subjektive
Empfinden berücksichtigt wird.
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In einer Ausführungsform erfolgt die Bestimmung
der Wichtungsfaktoren mittels eines Optimierungsverfahrens, in dem durch
Variation mindestens eines Wichtungsfaktors schrittweise ein Herantasten an
die optimalen Wichtungsfaktoren erfolgt. Die Optimierung kann beispielsweise
nach dem Simplex-Verfahren
erfolgen, das mithilfe von Paarvergleichen von ,nächsten' Nachbarn den Satz
von Wichtungsfaktoren für
z.B. einen optimalen Höreindruck
findet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
werden zur Bestimmung der Wichtungsfaktoren das elektroakustische
Gerät,
das akustische Umfeld sowie die Übertragungsfunktion
elektronisch simuliert und beispielsweise in Kopfhörersignale
integriert. Dies hat den Vorteil, dass die Bestimmung der Übertragungsfunktion
unabhängig
von der Präsenz
des elektroakustischen Geräts
erfolgen kann.
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In einer Ausführungsform erfolgt die Erzeugung
der Übertragungsfunktion
durch interaktives Anpassen der Wichtungsfaktoren an das unter Umständen auch
simulierte akustische Umfeld. Dazu werden Aussagen eines Benutzers
des elektroakustischen Geräts
bezüglich
des erzeugten Höreindrucks
zur Anpassung verwendet.
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In einer Ausführungsform ist ein Initialisierungssatz
von Wichtungsfaktoren mit einer dazugehörigen Übertragungsfunktion gegeben,
wobei aus dem Initialisierungssatz mindestens ein veränderter Satz
von Wichtungsfaktoren erzeugt wird, in dem mindestens einer der
Wichtungsfaktoren verändert wurde,
wobei mindestens eine veränderter Übertragungsfunktion
aus dem veränderten
Satz erzeugt wird, und wobei zwei durch zwei unterschiedliche Übertragungsfunktionen
bewirkte Anpassungen an ein akustisches Umfeld miteinander verglichen
werden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens
werden mehrere Übertragungsfunktionen
erzeugt und verwendet, die jeweils für eine Einfallsrichtung eines akustischen
Signals an das akustische Umfeld angepasst sind.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Es folgt die Erläuterung von mehreren Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der 1 bis 4. Es zeigen
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1 eine
Skizze zur Thematik der richtungsabhängigen Übertragungsfunktion bei Hörhilfsgeräten,
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2 ein
schematisches Flussdiagramm eines beispielhaften Ablaufs des Verfahrens
nach der Erfindung,
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3 eine
Skizze zu einer beispielhaften Durchführung des Verfahrens mithilfe
von computergenerierten Lautsprechersignalen und
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4 verdeutlicht
die Erzeugung der computergenerierten Lautsprechersignale aus 3.
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1 verdeutlicht
die Thematik von richtungsabhängigen Übertragungsfunktionen
bei Hörhilfsgeräten. Ein
solches Hörhilfsgerät kann z.B.
ein im Ohr getragenes Hörhilfsgerät 1 oder
ein hinter dem Ohr getragenes Hörhilfsgerät 3 sein.
Eine Schallquelle 5, z.B. ein Gesprächspartner, erzeugt Schallwellen,
die sich bis zum Träger 7 eines
Hörhilfsgerätes 1,3 ausbreiten.
Die Schallwelle wird durch das äußere Umfeld,
in diesem Fall durch den Kopf des Trägers 7 beeinflusst.
Die Schallwellen werden von einem Mikrofon in einem der Hörhilfsgeräte 1,3 detektiert.
Der Einfluss des akustischen Umfelds hängt von der Lage des Mikrofons
ab und unterscheidet sich z.B. für
die beiden Hörhilfsgeräte 1,3.
Er unterscheidet sich auch für
Hörhilfsgeräte, die
jeweils am linken und rechten Ohr des Trägers 7 angeordnet sind.
Des Weiteren hängt
die Übertragungsfunktion von
der Richtung ab, in welcher sich die Schallquelle 5 in
Bezug zum Mikrofon befindet. Entsprechend wird sich die Übertragungsfunktion ändern, wenn
sich die Schallquelle horizontal oder vertikal um den Kopf des Trägers
7 bewegt.
Eine genaue Kenntnis der Übertragungsfunktion
ist für
Hörhilfsgeräte 1,3 wichtig,
um einen möglichst
natürlichen
Höreindruck
beim Träger 7 zu
erzeugen. Des Weiteren ist die Übertagungsfunktion
z.B. für
den Einsatz von Lokalisationsalgorithmen wichtig.
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2 verdeutlicht
eine mögliche
Vorgehensweise bei der Erzeugung der Übertragungsfunktion nach dem
Verfahren der Erfindung. Ausgangspunkt des Verfahrens sind Basisfunktionen 11A,...11D,
die zur Erzeugung einer Übertragungsfunktion
benutzt werden. In 2 sind
schematisch mögliche
Verläufe
der Beträge
der Basisfunktionen 11A,...11D in Abhängigkeit
der Frequenz f angedeutet. Die Basisfunktionen werden einmalig mithilfe
einer Transformation aus mehreren Testmessungen von Übertragungsfunktionen
(Testübertragungsfunktionen)
gewonnen. Die erste Basisfunktion 11A wird dabei beispielsweise
durch eine Mittelung aller Testübertragungsfunktionen
erzeugt. Zur Erzeugung der zweiten Basisfunktion 11B werden
die Differenzen von allen Testübertragungsfunktionen
mit der ersten Basisfunktion 11A genommen. Die Differenzen
werden wiederum gemittelt und ergeben so die Basisfunktion 11B.
Zur Erzeugung weiterer Basisfunktionen 11C,11D werden entsprechend
die Differenzen der Testbasisfunktionen und der Summe aller bis
dahin ermittelten Basisfunktionen genommen und ebenfalls gemittelt.
Mithilfe dieser Basisfunktionen lassen sich durch eine ,Rück'-Transformation beliebige Übertragungsfunktionen
erzeugen.
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Bei der Erzeugung der Basisfunktionen
werden beispielsweise Übertragungsfunktionen,
die über viele
Individuen gemittelt wurden, derart transformiert, dass sie die
perzeptiv relevanten Merkmale erhalten.
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Der Vorteil in der Verwendung von
den Wichtungsfaktoren zur Erzeugung der Übertragungsfunktion liegt darin,
dass die Dimension des Raumes, d.h. die Anzahl der Variablen, erheblich
kleiner ist. Eine geeignete Transformation stellt die Haupt achsentransformation
(Prinzipal Component Analysis PCA) dar. Sie erlaubt es, die HRTFs
als Linearkombination von z.B. fünf
Hauptkomponenten darzustellen.
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Für
die ,Rück'-Transformation werden
Wichtungsfaktoren 13A,...13D,13A'...13D' benötigt. Beispielsweise
wird mit der Transformation 15 die Übertragungsfunktion 17 erzeugt
oder mit der Transformation 15' die Übertragungsfunktion 17'. Diejenige der Übertragungsfunktionen 17 und 17', die einen Betrieb
eines elektroakustischen Geräts
am besten an ein akustisches Umfeld anpasst, wird durch einen Vergleich
der Wirkungen der Übertragungsfunktionen 17,17' auf z.B. den
Höreindruck
bestimmt.
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Da die Wichtungsfaktoren 13A,...13B' kontinuierlich
eingestellt werden können,
kann der gesamte perzeptiv relevante Suchraum für die Übertragungsfunktionen abgetastet
werden. Das Abtasten kann nach verschiedenen Optimierungsverfahren
erfolgen. Im sogenannten Simplex-Verfahren tastet man sich z.B. über einen
Paarvergleich von Übertragungsfunktionen,
die sich beispielsweise in nur einem Wichtungsfaktor unterscheiden,
an die optimale Übertragungsfunktion
heran. Nach jedem Paarvergleich wird in der Nachbarschaft der günstigeren Übertragungsfunktion
durch Variation mindestens eines Wichtungsfaktors 13A,...13D eine
weitere Übertragungsfunktion
erzeugt, mit der wiederum ein Paarvergleich durchgeführt wird.
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Hat man die optimale Übertragungsfunktion 17,17' gefunden, wird
diese in einer für
das elektroakustische Gerät
geeigneten parametrisierten Form 19 abgespeichert und im
elektroakustischen Gerät 21 verwendet.
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Bei der Optimierung der Wichtungsfaktoren wird
vorzugsweise von einer sinnvollen Initialisierung ausgegangen, d.h.
die Wichtungsfaktoren des Initialisierungssatzes sind beispielsweise
durch gemittelte Wichtungsfaktoren von an die vorliegende akustische
Situation, z.B. an die Verwendung eines im Ohr Hörhilfsgeräts, angepassten Übertragungsfunktionen
gegeben.
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Das Verfahren nach der Erfindung
hat den Vorteil, dass eine Anpassung der Übertragungsfunktion an beispielsweise
den individuellen Hörhilfsgeräteträger durch
eine überschaubare
Anzahl von Parametern erfolgt. Die Anpassung der Übertragungsfunktion
ist im Vergleich zur aufwändigen
und zeitraubenden direkten Messung der Übertragungsfunktion beim Hörgeräteakustiker
erheblich schneller.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens
nach der Erfindung liegt darin, dass der Suchraum, in dem die Übertragungsfunktion
erzeugt werden können,
erheblich vergrößert ist,
da mithilfe der PCA im wesentlichen jede Übertragungsfunktion erzeugt
werden kann.
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3 zeigt
einen möglichen
Aufbau zur Bestimmung von Übertragungsfunktionen
für eine
Person 31. Mithilfe von Kopfhörern 33 werden der
Person 31 akustische Signale vorgespielt. Diese Signale werden
in einem Rechner 35 erzeugt. Bei der Erzeugung werden beispielsweise
entsprechend 4 im Rechner 35 zuerst
ein akustisches Signal 41 erzeugt. In das Signal 41 wird
anschließend
das akustische Umfeld 43 und eine Übertragungsfunktion 45 eingerechnet.
Das so simulierte Signal entspricht dem Signal der Schallquelle 5 aus 1 unter Berücksichtigung
des akustischen Umfelds und der dazugehörigen Übertragungsfunktion. Das simulierte
Signal wird anschließend
dem Lautsprecher 47 zugeführt.
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In 3 können beispielsweise
mehrere akustische Signale von verschiedenen Musikinstrumenten erzeugt
werden. Das akustische Umfeld 43 wird dabei beispielsweise
durch Positionen 37A,...37E der Musikinstrumente
bestimmt. Die Übertragungsfunktion
wird anschließend
derart angepasst, dass für
die Person 31 z.B. ein räumlicher Höreindruck entsteht, indem er
die verschiedenen Musikinstrumente korrekt dem vorgegebenen akustischen
Umfeld zuordnen kann (Lokalisation und Externalisierung von Signalquellen).
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Mithilfe des Rechners 35 können die Übertragungsfunktionen
für die
verschiedenen Musikinstrumente jeweils in die akustischen Signale
eingerechnet werden. Die Anpassung der verschiedenen Übertragungsfunktionen
durch die Anpassung der Wichtungsfaktoren erfolgt ebenfalls mithilfe
des Rechners 35.