DE2628626A1 - Amplitudenkompressions- bzw. dekompressionsschaltung - Google Patents

Amplitudenkompressions- bzw. dekompressionsschaltung

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DE2628626A1
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Description

Beschreibung zum Patentgesuch
der Fa. Hearing Health Group, Inc., 1381 North Scottsdale Road, Scottsdale, Arizona 85257, USA
betreffend
Amplitudenkompressions - bzw. Dekompressionsschaltung
Die Erfindung betrifft eine Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung für mehrfrequente, elektrische Spannungen. Insbesondere ist die Erfindung bestimmt zur Verwendung in Hörgeräten, oder ganz allgemein bei der Amplitudensteuerung- oder regelung von elektrischen Equivalenten von Schallwellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Kompression bzw. Dekompression der an die Schaltung angelegten Eingangssignale im "real time" - Bereich zu verwirklichen, dh. mindestens näherungsweise verzögerungsfrei. Besonders bedeutungsvoll ist diese Aufgabe für die elektrische Verstärkung von Sprache, wie noch im einzelnen zu erläutern.
Kompressions- und Dekompressionsschaltungen sind bekannt. Im allgemeinen unterscheidet man Schaltungen für automatische Verstärkungsregelung oder automatische Amplitudenregelung. Bei solchen bekannten Schaltungen wird im allgemeinen ein Teil der Welle, deren Amplitude gesteuert werden soll, während einer
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kurzen Zeitperiode gespeichert, und über jeweils eine kurze Zeitperiode von z.B. einer Millisekunde wird der Mittelwert aas dem gespeicherten Wert gebildet. Die so erzeugte mittlere Spannung wird für die Steuerung oder Regelung der Amplitude einer elektrischen Welle verwendet, die einläuft, nach dem die mittlere Spannung gebildet worden ist. Aus diesem Grunde sind diese bekannten Schaltungen keine verzögerungsfreien oder "real time"-Schaltungen. Das bedeutet, daß die Steuerung der Amplitude einer gerade vorliegenden Welle gemäß einer mittleren Amplitude von vorher vorliegenden Wellen erfolgt. Aus diesem Grunde können solche Kantenschaltungen die elektrische Welle so verzerren, daß der Hörer der Schallwelle in die das elektrische Signal schließlich gewandelt wird, nicht in der Lage sein kann, das Geräusch zu verstehen, obwohl keine Schwierigkeit besteht es zu hören. Beispielsweise können Explosionslaute, wie "t", "p" und andere komprimiert werden, gemäß der Amplitude eines Lautes, der ihnen vorangeht, wobei der Explosionslaut viel von seiner charakteristischen Explosionsqualität verliert, was es schwierig macht diese Laute zu verstehen. Darüberhinaus folgen weiche oder leisere Laute oft lauteren Lauten in der normalen Sprache, und wenn der leisere Laut komprimiert wird, entsprechend der Amplitude eines unmittelbar vorangehenden lauten Lautes, wie dies bei bekannten Kompressionsschaltungen der Fall ist, kann der leise Laut vollständig verloren gehen. Wenn man daher bekannte Kompressionsschaltungen in einer Hörhilfe für Personen mit vermndertem Hörvermögen verwendet, oder wenn eine bekannte Kompressionsschaltung bei einem Lautsprecher vorgesehen ist, bei dem es sich ebenfalls um eine Hörhilfe handelt, um Schall in einen Bereich abzustrahlen, wo darüberhinaus noch Hintergrundstörgeräusche vorliegen, so verringert die bekannte Kompressionsschaltung die Erkennbarkeit des von ihr verarbeiteten Schalls. Das bedeutet, daß infolge der Wirkung bei den bekannten Konpressionsschaltungen das Geräusch gehört wird, jedoch unverständlich bleibt für Personen mit beeinträchtigtem Hörvermögen, oder für Personen, die sich in einem Gebiet mit Hintergrundgeräusch be-
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finden. Zusammengefaßt kann man sagen, daß zwar bekannte Kompressionsschaltungen den Amplitudenbereich von Geräuschen, die von ihnen verarbeitet werden, komprimieren, doch daß sie dies für alle Geräusche tun, die von der gespeicherten Welle gesteuert werden. Aufgrund dieser Nachteile ist es wünschenswert, wie im einzelnen noch zu erläutern, die Amplitude von Schallwellen oder ihren elektrischen Equivalenten zu komprimieren oder expandieren ( = dekomprimieren) ohne Verwendung einer Steuer- oder Regelschaltung, die auf vorher gespeicherten Amplituden beruht, um so eine "real time" - Amplitudenkompression oder Expansion zu bewirken. Bisher bekannte Kompressions- und Dekompressionsschaltungen sind dazu nicht in der Lage.
Die oben definierte Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Danach umfaßt die Schaltung eine Mehrzahl von Trennschaltkreisen, beispielsweise erste Filter, die an eine Signalquelle, beispielsweise eine mechanisch elektrischen Wandler angeschlossen sind. Jedem ersten Euter ist ein Potenzierschaltkreis zugeordnet/, gefolgt von einem zweiten Filter. Die Potenzierschaltkreise erzeμgen eine Welle, deren Amplitude eine Potenz der angelegten Welle ist. Wenn die Potenz kleiner als 1 ist, so wird die Welle komprimiert. Ist die Potenz größer als 1, wird die Welle expandiert. Wenn die Potenz genau gleich 1 ist, erfolgt weder Kompression noch Dekompression. Vor den ersten Filtern oder nach den zweiten Filtern oder an anderer Stelle der Schaltung können Verstärker vorgesehen werden. Während in den Filtern beispielsweise oder anderen Schaltungskomponenten eine gewisse Verzögerung auftreten kann, arbeiten die Potenzierschaltkreise im wesentlichen augenblicklich oder verzögerungsfrei. Da die Änderung der Amplitude in den Potenzierschaltkreisen erfolgt, hängt sie von der Augenblickamplitude der gerade verarbeiteten Welle ab, und nicht von der Amplitude
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einer vorhergehenden Welle oder den Mittelwert von vorhergehenden Wellen, Da darüberhinaus ein leises Geräusch, bzw. sein elektrisches Equivalent um eine Größe komprimiert wird die abhängt von der Amplitude dieses leisen Geräuschs oder seines elektrischen Equivalenz selbst, geht hier nichts verloren. Da nämlich die Wurzel einer Größe die selbst kleiner als 1 ist, größer ist als die Grosse selbst, kann gemäß' der Erfindung ein feises Geräusch eine Amplitudenvergrößerung erfahren. Da darüberhinaus die lauten Geräusche auf den Wert ihrer Wurzel verringert werden, kann der Bereich von Amplituden von Geräuschen gemäß der erfindungsgemäßen Kompressionsschaltung verringert werden. Diese beiden Ergebnisse sind unabhängig von den Wirkungen der Vor- oder Nachverstärkung, d.h. eine Nachverstärkung von Io würde die leisen Geräusche nicht absolut lauter machen, sondern nur lauter relativ zu den lauten Geräuschen.
Die Unteransprüehe definieren bevorzugte Weiterbildungen des Gegenstandes des Hauptanspruchs.
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung im einzelnen erläutert.
Fig. 1 in Diagrammform eine Hörhilfe mit einer Schaltung gemäß der Erfindung
Fig. 2 zeigt in einzelnen einen Potenzierschaltkreis, zur Verwendung in der Hörhilfe gemäß Fig. 1
Fig. 3 ist ein Erläuterungsdiagramm für die Wirkungsweise der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 ist ein Mikrofon Io mit seinem Ausgang an einen Verstärker 12 angeschlossen. Das vom Verstärker 12 erzeugte Ausgangssignal gelangt an eine Mehrzahl von ersten Filtern Wie dargestellt, ist jedes Filter 14 ein Bandpaßfilter und jedes von Ihnen läßt ein anderes Frequenzband im hörbaren Schallbereich durch. In der Zeichnung sind drei Bandfilter
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14 dargestellt/ doch können mehr oder weniger verwendet werden. Das gestrichelte Rechteck 14' soll andeuten, daß im Bedarfsfalle mehr Filter verwendet werden können. Die Anzahl der Filter 14 im einzelnen und die Bandbreite, die von Ihnen durchgelassen wird, sind so gewählt, daß die Welle am Ausgang der Hörhilfe nach Fig. 1 ein gutes Abbild der am Mikrofon Io eingespeisten Schallwelle ist. Die benötigte Filteranzahl ist an sich bekannt. Jedes Filter 14 ist mit einem zugeordneten Potenzierschaltkreis 16 verbunden. Wiederum ist ein Potenzierschaltkreis 16' gestrichelt dargestellt, um anzudeuten, daß im Bedarfsfalle mehr Potenzierschaltkreise vorgesehen werden können. Jeder Patenzierschaltkreis 16 ist an ein zugeordnetes zweites Bandfilter 18 angeschlossen und wiederum soll durch ein Filter 18' angedeutet werden, daß auch den weiteren Potenzierschaltkreisen 16" solche Filter nachzuschalten sind. Die zweiten H.LTER 18 sind mit dem Eingang eines Verstärkers 2o verbunden, wo die Ausgangssignale der zweiten Filter 18 summiert werden. Eine Welle,die ein gutes komprimiertes oder expandiertes Abbild der an das Mikrofon angelegten Welle ist, erscheint am Ausgang des Verstärkers 2o und am Ausgang des Schallwandlers 22. Sowohl das Mikrofon Io als aich der Schallwandler oder Lautsprecher 22 sind mechanisch elektrische bzw. elektrisch mechanische Wandler. Im Betrieb unterteilen die ersten Filter 14 die angelegte Welle in Bänder, der Potenzierschaltkreis 16 ändert die Amplitude der Wällen in den jeweiligen Bändern, wobei Verzerrungen erzeugt werden, wie Wellen, die harmonische oder Differenzen der angelegten Wellen sind. Die Filter 18 übertragen die Wellen in dem an die Potenzierschaltkreise 16 angelegten Band und sperren die Wellen, welche die Verzerrungen enthalten, da diese außerhalb des von dem jeweiligen Filter 18 durchgelassenen Bandes liegen. Als Potenzierschaltkreis 16 kann jeder bekannte Potenzierschaltkreis verwendet werden.
Fig. 2 stellt einen solchen Potenzierschaltkreis dar, der als Potenzierschaltkreis 16 in Fig. 1 eingesetzt werden kann.
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Er umfaßt eine Eingangsklemme, an der die Welle V 1 anliegt, deren Amplitude zu ändern ist. Ein Eingangswiderstand 24 ist zwischen die Klemme 23 und die negative Eingangsklemme eines Operationsverstärkers 26 gelegt, der eine niedrige Driftspannung aufweist. Die positive Klemme des Operationsverstärkers liegt an Masse. Zwei entgegengesetzt gepolte Dioden 28 und 3o liegen zwischen der negativen Eingangsklemme des Verstärkers 26 und seiner Ausgangsklemme. Ein Ausgangswiderstand 32 ist zwischen die Ausgangsklemme des Operationsverstärkers 26 und Masse gelegt. Der Logarythmus der Eingangsspannung V 1 liegt dann über dem Widerstand 32.
Ein Exponentenwandlerschaltkreis mit dem eine Potenz größer oder kleiner als 1 gebildet wird, ist an den Ausgang des beschriebenen Logaryhtmxerschaltkreises angeschlossen. Dieser Potensierschaltkreis umfaßt ehen Eingangswiderstand 42, der zwischen den Ausgang des Verstärkers 26 un d den negativen Eingang eines weiteren Verstärkers 44 gelegt ist, der ebenfalls eine niedrige Driftspannung besitzt. Die positive Klemme des Operationsverstärkers 44 liegt an Masse. Ein variabler Widerstand 46 ist zwischen dem negativen Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers 46 gelegt. Ein Lastwiderstand 48 verbindet den Ausgang des Operationsverstärkers 44 und Masse. Der Ausgang des Exponentenänderungsoder Potenzierschaltkreises liegt über dem Widerstand 48 und die Amplitude dieses Signis hängt ab vom Verhältnis der Widerstände 46 und 42. Wenn beispielsweise der Widerstand 46 doppelt so groß ist, wie der Widerstand 42 beträgt die Amplitude des Signals über dem Widerstand 48 das zweifache der Amplitude der Spannung über dem Widerstand 32, und wenn der Widerstand 46 halb so groß ist, wie der Widerstand 42, so ist die Amplitude des Signals über dem Widerstand 48 die Hälfte der Spannung über dem Widerstand 32.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 44 ist verbunden mit
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dem Emitter des PNP Transistors 34 und dem Emitter des NPN Transistors 36, deren Basisanschlüsse an unterschiedlichen Konstantspannungen VC1 bzw. VC0 liegen. Die Kollektoren der beiden Transistoren 34 und 36 sind miteinander verbunden, und mit der negativen Eingangsklemme eines Spannungsoperationsverstärkers 38 mit niedriger Drift, dessen positive Eingangsklemme an Masse liegt. Ein Rückkopplungswiderstand 5o ist zwischen den Ausgang - und den negativen Eingang des Operationsverstärkers 38 gelegt.
Eine an der Ausgangsklemme 4o des Operationsverstärkers 38 erscheinende Spannung ist eine Potenz oder eine Wurzel der Spannung V , angelegt an die Eingangsklemme 23 je nach dem wie das Verhältnis der Widerstände 46 und 42 bemessen ist. Diese Ausgangsspannung an der Klemme 4o ist das Quadrat der Eingangsspannung V an Klemme 23, wenn das Verhältnis 2 beträgt und ist die Quadratwurzel der Eingangsspannung V1, wenn dieses Verhältnis 1/2 beträgt. Natürlich können höhere oder niedrigere Potenzen größer als 1 oder kleiner als 1 vorgesehen werden, oder auch die Potenz 1. Wenn die Potenz größer als 1 ist, wird die Welle dekomprimiert oder expandiert. Wenn die Potenz kleiner als 1 ist, erfolgt Kompression.
Um den Unterschied zu verdeutlichen, zwischen der Kompression bei bekannten Kompressionsschaltungen und der Kompressionsschaltung gemäß der Erfindung, sei eine zeitliche Abfolge von relativen Amplituden 16,9,4,1 und o,5 betrachtet. Bei Verwendung einer bekannten Kompressionsschaltung und aufeinanderfolgendem Anlegen von Wellen, die Amplituden verschiedener Größen dieser Serie haben, würde die Speicherung der Zeitsequenzamplitude 16 ihre Verringerung um irgendeinen Faktor, beispielsweise 1/2 bewirken, und die gleiche Verringerung würde für jedes Glied der Serie wirksam, und zwar während mehrerer -Millisekunden. Benutzt man nun 1/2
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als den Faktor, so wird die Serie mit den Größen 8, 4 1/2, 2, 1/2 und o,25 abgebildet und der Bereich von Amplituden, der vorher 32 betrug, bleibt unverändert. Bei Verwendung der erfindungsgemäß vorgesehenen Kompressionsschaltung, die einmal auf die Quadratwurzel eingestellt sein soll, wird die Serie von Amplituden abgebildet, als 4,3,2,1, und o,7 und der Bereich der Amplituden wird von 32 auf die Quadratwurzel von 32 oder auf 5,6 komprimiert. Man erkennt, daß die grossen Größen mehr reduziert werden, als die kleinen Größen. Außerdem wird im Gegensatz zu der dynamischen Wirkungsweise der bekannten Kompressionsschaltungen die Größe o,5 tatsächlich auf o,7 vergrößert. Die lauten Geräusche werden mithin leiser und die leisen Geräusche werden lauter. Dies trifft zwar sowohl für die erfindungsgemäße Schaltung, wie auch für bekannte Schaltungen bei stetigen Geräuschen zu. Bei dynamischen Geräuschen jedoch gilt dies nur für die erfindungsgemäße Schaltung, insbesondere, wenn auf ein lautes Geräusch schnell ein leises Geräusch folgt. Dieses Merkmal der erfindungsgemäßen Schaltung ist insbesondere brauchbar, wenn der Schall in ein stark geräuschverseuchtes Gebiet abgestrahlt wird, wo im anderen Falle die leisen Geräusche verloren gehen würden. Darüberhinaus werden z.B. auch Explosionslaute durch die Kompressionsschaltung gemäß der Erfindung nicht "aufgeweicht". Es muß noch einmal wiederholt werden, daß die statischen oder stetigen Betriebsbedingungen bekannter Kompressionsschaltungen sehr ähnlich sein können, denen der erfindungsgemäßen Kompressionsschaltung doch ist der dynamische Betrieb ganz abweichend da er abhängt von der Speicherung vorhergehender Amplituden. Wenn sie h die zu komprimierende Welle bei einer bisher üblichen Kompressionsschaltung nicht in ihrer Amplitude ändert, oder so langsam ändert, daß die Amplitude der zu komprimierenden Welle sich nur geringfügig ändert, so kann man unterstellen, daß die Schaltung statisch oder stetig arbeitet. Es sei hier auf Fig. 3 hingewiesen,
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um die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltung für eine Welle zu verdeutlichen, deren Amplitude sich sehr schnell ändert, wobei auch die Wirkungsweise der bekannten Kompressionsschaltungen herangezogen wird.
Fig. 3 stellt die Hüllkurve einer Sinuswelle dar, die symmetrisch bezüglich der Nullinie 5o ist. Die Amplitude der Welle sei repräsentiert durch die Linie 52. Es sei nun angenommen, daß die Amplitude plötzlich de Spitze 53 aufweist. Gemäß der Erfindung wird dann die Amplitude auf die Größe gemäß Linie 54 komprimiert, einschließlich deren gestrichelten Abschnitt 56. Dies ist deshalb so, weil die Kompression der Amplitude beinahe augenblicklich erfolgt. Bei bekannten Kompressionsschaltungen nimmt,da die Kompression auf gespeicherten vorhergehenden Amplituden beruht de Welle die Form an, die mit dem durchgezogenen Linien 58 und 54 dargestellt ist, d.h. die Amplitude springt zunächst auf die Spitze oder nahezu bis zu der Spitze, die vorläge, wenn keine Kompression da wäre, und fällt dann recht schnell auf den komprimierten Wert ab. Wenn in analoger WEise die Amplitude plötzlich von ihrer Größe gemäß Linie 54 abfällt, so wird sie mit der erfindungsgemäßen Schaltung auf die Amplitude gemäß Linien 62 und 6o gelangen. Wenn jedoch bekannte Kompressionsschaltungen verwendet werden, so nimmt die Welle, deren Amplitude plötzlich verringert wird, die Amplituden 64 und 6o an, da sie die Tendenz hat, um den Betrag verringert zu werden, um den die Wellenamplitude selbst abfällt, und die Kompressionsschaltung benötigt Zeit, um die Wellenamplitude auf den eigentlichen Kompressionswert 6o zurückzuführen.
Es gibt gehörgeschädigte Personen, bei denen die Schädigung sich so auswirkt, daß die Hörschwelle und die ünbehaglichkeitsschwelle so dicht beieinander liegen, daß mit einem normalen Dynamikbereich von Geräuschamplituden, die an das
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Ohr eines solchen Patienten gelangen, einige Laute unter der Hörschwelle lägen, und andere Amplituden der Laute so hoch wären, daß es unbehaglich oder sogar schmerzhaft für den Patienten wird. Bei Verwendung der Kompressionsschaltung gemäß der Erfindung in einem Hörgerät für eine solche Person, kann der Amplitudenbereich des Schalls innerhalb des Bereichs zwischen der Hörschwelle und der Unbehaglichkeitsschwelle gehalten werden durch Einstellung des komprimierenden Potenzierschaltkreises und durch Nachstellen der Verstärker, die in dem Hörgerät verwendet werden, so daß der gewünschte Bereich der Eingangsschallamplituden zwischen den beiden Schwellwerten gehalten wird. Eine solche Person kann dann hören und auch verstehen, was sie hört, besser als wenn ein Hörgerät mit einer konventionellen Kompressionsschaltung vorgesehen wird.
Bei der Aufaichnungstechnik kann eine Aufzeichnung übersteuert werden, wenn z.B. ein lautes Geräusch mit derselben Amplitude aufgezeichnet wird, mit der es wiedergegeben werden soll, derart, daß zwei benachbarte Spuren auf der Aufzeichnung miteinander interferieren. Es ist üblich solche Lauten Signale bei der Aufzeichnung zu komprimieren, und bei derWiedergabe des Schalls eine komplementäre Expansion vorzunehmen. Wenn man die Kompressions schaltung bzw.. die Dekompressionsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung für diesen Zweck verwendet, so können die bei bekannten Schaltungen für diesen Zweck unvermeidlichen Verzerrungen erheblich vermindert werden.
Patentansprüche:
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Claims (1)

  1. PATE NT ANSPRÜCHE
    ( l.j Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung für mehrfrequente elektrische Spannungen, gekennzeidanet durch Trennschaltkreise zum Anlegen von Komponenten der Spannungen an zugeordnete Potenzierschaltkreise, durch Entzerrschaltkreise zum Unterdrücken der von den Potenzierschaltkreisen hervorgerufenen Verzerrungen, und durch Summierschaltkreise zum Summieren der von den Entzerrschaltkreisen abgegebenen Ausgangssignalen.
    . 2. Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen elektrische Abbildungen von Schallwellen sind.
    3. Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungen im hörbaren Tonfrequenzbereich liegen.
    4. Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltung ein Mikrophon vorgeschaltet ist.
    . 5. Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltung ein elektro-mechanischer Wandler zur Erzeugung, von Schallwellen aus dem summierten Ausgangssignalen nachgeschaltet ist, und daß die Gesamtanordnung als Hörhilfe ausgebildet ist.
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    6. Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Mikrophon und Trennschaltkreise ein Verstärker geschaltet ist.
    7. Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Summierschaltkreise und den Wandler ein Verstärker geschaltet ist.
    8. Amplitudenkoinpressions- bzw. Dekompressionsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschaltkreise Bandfilter umfassen.
    9. Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entzerrschaltkreise Bandfilter umfassen.
    10. Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein Mikrophon, an dessen Ausgang eine Mehrzahl von ersten Bandfiltern angekoppelt ist, durch eine gleichgroße Anzahl von Potenzierschaltkreisen, von denen je einer einem der ersten Bandfilter nachgeschaltet ist, durch eine gleichgroße Anzahl von zweiten Bandfiltern, von denen je eines einem Potenzierschaltkreis nachgeschaltet ist, und durch einen an deren Ausgängen angekoppelten S ch allwandler.
    11. Amplitudenkompressions- bzw. Dekompressionsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Dekompression die Potenzierschaltkreise ihr Eingangssignal mit einer Potenz größer als EINS potenzieren.
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    12. Amplitudenkompressions- und Dekompressionsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kompression die Rtenzierschaltkreise ihr Eingangssignal mit einer Potenz kleiner als EINS potenzieren.
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DE19762628626 1975-07-07 1976-06-25 Amplitudenkompressions- bzw. dekompressionsschaltung Withdrawn DE2628626A1 (de)

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