DE69629814T2

DE69629814T2 - Lautstärkebegrenzung

Info

Publication number: DE69629814T2
Application number: DE69629814T
Authority: DE
Inventors: Dr.sc.techn. Herbert Bächler
Original assignee: Phonak AG
Current assignee: Sonova Holding AG
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1996-10-01
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: EP0836363A1; EP0836363B1; ATE249134T1; DK0836363T3; DE69629814D1

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Begrenzen des an das menschliche Ohr übertragenen Signals in Abhängigkeit von einem ankommenden Schaltsignal gerichtet und ist ferner auf eine Hörvorrichtung gerichtet, die einen Eingangs-Schall/Elektrisch-Wandler besitzt, dessen Ausgang mit dem Eingang einer Signalprozessoreinheit mit einer steuerbaren spektralen Übertragungscharakteristik wirkverbunden ist, wobei der Ausgang dieser Prozessoreinheit mit dem Eingang von einem Ausgangswandler für das menschliche Ohr wirkverbunden ist.
Definition der Lautheit
Die Lautheit eines Schallsignals ist eine psychoakustische Größe. Um die Lautheit zu quantifizieren, die eine einzelne Standardperson in Abhängigkeit von ankommenden Schallsignalen wahrnimmt, sind mehrere Modelle entwickelt worden. Es wird beispielsweise verwiesen auf

– E. Zwicker, "Psychoakustik", Springer-Verlag Berlin, Hochschultext, 1982;
– A. Leijon "Hearing Aid Gain for Loudness-Density Normalization in Cochlear Hearing Losses with Impaired Frequency Resolution", Ear and Hearing, Bd. 12, Nr. 4, 1990;
– EP-0 661 905 des gleichen Anmelders wie die folgende Anmeldung;
– H. Dillon, "Compression? Yes, but for low or high frequencies, for low or high intensities, and with what response times?", Ear and Hearing, Bd. 17, Nr. 4, 1996.

Alle Modelle, die zur Berechnung des Lautheitseindrucks verwendet werden, wenden das Konzept einer Gehörfilterbank an und unterteilen ein Schallsignal in Spektralbänder. In der Psychoakustik werden diese Filterbänder die kritischen Bänder genannt. Sie liefern auf einer psychoakustischen Frequenzskala eine kon stante Filterbandbreite, die nach Bark (Zwicker) oder ERB (B. Moore, "Perceptual consequences of cochlear damage", Oxford Psychology Series 28, Oxford University Press, 1995) normiert ist.
In einem ersten Schritt führt die Gehörfilterbank eine Transformation des physikalischen Spektrums in ein so genanntes Erregungsmuster aus. Das Erregungsmuster, die Ausgangsantwort der Gehörfilterbank, kann für beliebige Signalspektren berechnet werden, wobei Verfahren in der Literatur beschrieben sind (Moore).
In dem zweiten Schritt wird aus den Beiträgen in jedem kritischen Band die von der jeweiligen Cochlear-Erregung gelieferte Lautheit berechnet, die die spezifische Lautheit genannt wird und die über alle Bänder der Gehörfilterbank weiter integriert oder summiert wird, was die Gesamtlautheit des Signalspektrums liefert.
Die Parameter des Lautheitsmodells sind für normal Hörende bekannt und standardisiert und können für beeinträchtigte Personen dementsprechend geändert werden, wobei Verfahren für die Messung der Lautheitsmodellparameter von einzelnen Personen vorgeschlagen worden sind (S. Launer, "Loudness Perception in Listeners with Sensorineural hearing Impairment", Dissertation, Abteilung Physik, Universität Oldenburg, Deutschland, 1995).
In Bezug auf den Standard von normal Hörenden wird verwiesen auf ISO 226, "Acoustics – normal equal-loudness contours", International Organization for Standardization, Geneva 1987.
Die Lautheit eines Schallsignalspektrums kann allgemein ausgedrückt werden:
L(P): Lautheit
L'_k(S_k(f),P_k): spezifische Lautheit, Lautheitsbeitrag des Frequenzbands Nr. k
P_k: bandspezifische Modellparameter
S_k(f): das physikalische Spektrum des Signals im Band Nr. k aus dem physikalischen Spektrum S(f).
P: die Entität der Parameter P_k.
In dieser Literatur ist die Lautheit anstatt mit L, L' häufig mit dem Symbol N bzw. N' bezeichnet.
Wegen der Sicherheit und des Komforts ist bekannt, dass Hörgeräte ein System erfordern, dass die Leistung der Signale begrenzt, da besonders der Tondruck für Elektrisch/Schall-Ausgangs-Wandler, der an das menschliche Ohr übertragen wird, von den ankommenden Schallsignalen abhängt. Selbst unter einem breiteren Aspekt und somit unter dem Aspekt des Schutzes des menschlichen Ohres in einer sehr lauten Umgebung ist die Notwendigkeit einer solchen Begrenzung offensichtlich.
In der heutigen Hörgerätetechnologie sind zwei Begrenzungstechniken bekannt, d. h. die so genannte Technik der "Spitzenabschneidung (PC)" und die so genannte Technik der "automatischen Verstärkungsregelung (AGC)" (H. Dillon).
Gemäß der PC-Technik wird die übertragene Leistung an einen Schwellenwert geklemmt. Dies hat offensichtlich den Nachteil, dass eine beträchtliche Menge harmonischer Störung auftritt, sobald das gesendete Signal den Abschneidepegel erreicht. Somit ist es bei Hörgeräten dieser Technik üblich, den Grenzschwellenwert einstellbar bereitzustellen.
Gemäß der AGC-Technik wird die übertragene Leistung im Vergleich zu einem zugelassenen Pegel gemessen und die Verstärkung des Hörgerätes gemäß dem Ergebnis dieses Vergleichs wie durch Rückkopplungs-Steuerung eingestellt. Dabei ist weiter vorgeschlagen worden, die Übertragungscharakteristiken des Hörgerätes in verschiedene Spektralbänder zu unterteilen, für jedes Spektralband einen spezifischen Schwellenwert einzustellen und die übertragene Leistung getrennt in jedem Frequenzband durch die AGC zu begrenzen.
Alle diese Zugänge weichen von dem Versuch ab, den Leistungspegel gemäß einer Leistungsgrenze zu begrenzen, bei der das Hören unangenehm oder sogar schädlich wird. Dabei ist bekannt, dass Menschen nicht die physikalische Leistung als speziellen Tondruckpegel empfangen, sondern die psychoakustische Lautheit empfangen, und dass durch zu hohe Lautheit ein besonderes Unbehagen verursacht wird.
Dieser Erkenntnis folgend, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wie oben angegebenes Verfahren und eine wie oben angegebene Vorrichtung zu schaffen, die dieses an das menschliche Ohr übertragene Signal gemäß der menschlichen Wahrnehmung von Schallsignalen begrenzen.
Abweichend von einem wie oben angegebenen Verfahren, wird diese Aufgabe gelöst durch:

– Vorsehen einer begrenzenden Hörvorrichtung, die aus einem eingehenden Schallsignal ein Ausgangssignal erzeugt, das an das menschliche Ohr mit einer steuerbaren Übertragungscharakteristik übertragen wird;
– Speichern eines Schwellenwertes in der Vorrichtung;
– Erzeugen eines von der Lautheit des an das menschliche Ohr übertragenen Signals abhängenden Signals in der Vorrichtung;
– Verringern der Lautstärke des an das Ohr übertragenen Signals durch automatisches Einstellen von Parametern der Übertragungscharakteristik, die die Lautheit des an das menschliche Ohr übertragenen Signals bestimmen, sobald das von der Lautheit des übertragenen Signals abhängende Signal den Schwellenwert erreicht.

Demgegenüber und insbesondere gegenüber dem Zugang der AGC wird die Lautheit des übertragenen Signals erfindungsgemäß als Testentität überwacht oder modelliert. Dies wird dadurch ausgeführt, dass ein Modell angewendet wird, das die wahrgenommene Lautheit aus einem Spektrum berechnet, das ein akustisches Signal repräsentiert, und es ist diese Lautheit, die mit einem Schwellenwert angenehmer Lautheit verglichen wird, die ein Standard ist und/oder die individuell durch Experimente bestimmt wird, um die Lautheit des übertragenen Signals zu begrenzen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Verringerung der Lautheit dadurch ausgeführt, dass die Lautheitsbeiträge in allen kritischen Bändern oder in einem dominierenden Teil der kritischen Bänder individuell oder gemäß einem gleichen Prozentsatz verringert wird.
Außerdem wird das erfindungsgemäße Verfahren, ohne die vorliegende Erfindung zu beschränken, hauptsächlich bei einem Hörgerät als die begrenzende Vorrichtung angewendet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die spektrale Übertragungscharakteristik der Vorrichtung in Abhängigkeit von der Lautheit, die von einer einzelnen Person wahrgenommen wird, die das Hörgeräte trägt, und in Abhängigkeit von der Referenzlautheit, die von einer einzelnen Standardperson ohne Hörgerät wahrgenommen würde, gesetzt oder dauerhaft eingestellt.
Die erfindungsgemäße Hörvorrichtung, die in der Weise konstruiert ist, dass sie die wie obenerwähnte Aufgabe löst, umfasst eine voreinstellbare Speichereinheit und einen Ausgangs-Wandler mit einem Eingang, der mit dem Ausgang der Prozessoreinheit wirkverbunden ist, wobei die Recheneinheit ein Ausgangssignal erzeugt, das von der Lautheit eines Schallsignals abhängt, das durch das Signal am Eingang des Ausgangs-Wandlers repräsentiert wird. Der Ausgang der voreinstellbaren Speichereinheit und der Ausgang der Recheneinheit sind mit den jeweiligen Eingängen einer Vergleichseinheit wirkverbunden, deren Ausgang mit den Einstelleingängen in die Signalprozessoreinheit wirkverbunden ist, wodurch ihre Übertragungscharakteristik automatisch eingestellt wird. Dabei wird durch Einstellen der Übertragungscharakteristik der Signalprozessoreinheit die sich ergebende Lautheit, wie sie gemäß einem im Voraus gewählten Modell durch die Recheneinheit überwacht wird, dementsprechend verringert, bis sie z. B. in einer Gegenkopplungs-Steuerschleife oder durch Iteration den wie in der Speichereinheit voreingestellten Wert erreicht, der dem Lautheitspegel der maximal akzeptablen Lautheit MAL entspricht.
Die Erfindung und weitere Ausführungsformen werden vom Fachmann beim Lesen der ausführlichen Beschreibung und der folgenden Ansprüche verstanden. Die Figuren zeigen:
1 einen stark vereinfachten Funktionsblockschaltplan/Signalablaufplan einer erfindungsgemäßen Begrenzungsvorrichtung, die dieses erfindungsgemäße Verfahren ausführt,
2 einen Funktionsblockschaltplan/Signalablaufplan eines Hörgerätes, das gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, in der heute bevorzugten Form,
3 heuristisch das Spektrum eines Signals am Ausgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das zu einer Überlautheit führt und auf eine Lautheit unter oder bei der MAL begrenzt wird.
Gemäß 1 umfasst eine erfindungsgemäße Begrenzungsvorrichtung einen Eingangs-Schall/Elektrisch-Wandler 1, dessen Ausgang mit dem Eingang einer Prozessoreinheit 3 wirkverbunden ist, deren Ausgang mit einem Ausgangs-Wandler, wie gezeigt mit einem Ausgangs-Elektrisch/Mechanisch-Wandler 5, wirkverbunden ist.
Die Signalprozessoreinheit 3 besitzt eine Übertragungscharakteristik T(f) als Funktion der Frequenz f (in Hz, Bark oder ERB), die, wie beispielhaft mit den Charakteristiken im Einheitsblock 3 gezeigt ist, an den Steuereingängen E₃ einstellbar ist. Wie später in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform beschrieben wird, wird die Übertragungsfunktion T vorzugsweise von einer Bank von Filtern, z. B. in einer parallelen Struktur, gebildet, wobei jedes Filter in einem bestimmten Spektralband, z. B. gemäß den kritischen Bändern des menschlichen Hörens, definiert ist und somit vorzugsweise wirkt.
Der Eingang einer Recheneinheit 7 ist wirkverbunden mit dem Ausgang der Prozessoreinheit 3 und berechnet die Lautheit L(S, P) des Ausgangssignals der Einheit 3. Diese Einheit führt die Berechnung der Lautheit L nach einem ausgewählten Lautheitsmodell aus, wie es z. B. in der EP-0 661 905 oder in S. Launer offenbart ist, wobei die beiden Literaturhinweise in Bezug auf die Lautheitsmodellierung in die vorliegende Beschreibung eingefügt sind.
Die ausgewählten Modellparameter P werden in die Recheneinheit 7 eingegeben. Das Ausgangssignal der Recheneinheit 7, die die Lautheit als eine psychoakustische Entität repräsentiert, wird einem Eingang einer Vergleichseinheit 9 zugeführt, deren anderer Eingang mit einer Speichereinheit 11 wirkverbunden ist, die mit einem MAL-Wert entweder einer einzelnen Person oder als allgemeiner Standardsicherheitswert geladen wurde. Falls der Lautheits-L-Wert, wie er durch die Einheit 7 berechnet wird, den MAL-Wert erreicht oder übersteigt, wirkt die Komparatoreinheit 9 auf eine Einstelleinheit 13, in der die an E₃ angelegten Übertragungsfunktions-Steuersignale in der Weise eingestellt werden, dass die Lautheit L(S, P), wie sie durch die Recheneinheit 7 modelliert wird, verringert wird.
Somit wird die tatsächliche Lautheit, wie sie an das menschliche Ohr übertragen und somit wahrgenommen wird, überwacht und das an das menschliche Ohr übertragene Signal verringert, sobald die überwachte Lautheit die MAL erreicht.
In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die vorzugsweise in einem Hörgerät enthalten ist.
Die Prozessoreinheit 30 ist als Filterbank mit einer Anzahl von Bandpassfiltern, z. B. in einer parallelen Struktur, konstruiert, wobei vorzugsweise jedes hauptsächlich in einem der kritischen Frequenzbänder wirkt, oder ist als Einheit für die schnelle Fourier-Transformation realisiert. Die Aufmerksamkeit wird auf EP-0 661 905, insbesondere auf die 12a bis 16, und auf die jeweilige Be schreibang in Bezug auf diese Filterbank gelenkt, die für die Lautheitskorrektur an einer einzelnen Person "I" vorgesehen ist, an die über den Ausgangs-Wandler 5 lautheitskorrigierte Schallsignale übertragen werden.
An dem Ausgang A der Prozessoreinheit 30 berechnet die Recheneinheit 70a gemäß einem ausgewählten Lautheitsmodell die Lautheit L_I(S, P_I), die die einzelne Person "I" wahrnimmt, und wie sie durch die Prozessoreinheit 30 des Hörgerätes korrigiert wird. Die Modellparameter PI der einzelnen Person, beispielsweise die Parameter gemäß dem Leijon-Modell, werden in die Einheit 70a eingegeben, wobei die EP-0 661 905 oder S. Launer (siehe oben) als in die vorliegende Anmeldung eingefügt zu betrachten sind. Insbesondere wird die Aufmerksamkeit auf 15 sowie auf die 3 bis 9 und auf die dementsprechende Beschreibung der EP-0 661 905 gelenkt.
Ähnlich ist der Signaleingang in die Prozessoreinheit 30 zu einer Recheneinheit 70b geführt, die in der gleichen Hardware-Einheit wie die Einheit 70a implementiert sein kann und tatsächlich dieselbe Einheit sein kann. Dort wird gemäß den Standardparametern P_N, wie außerdem in der EP-0 661 905 und in Launer beschrieben ist, die hier ebenfalls als in die vorliegende Beschreibung eingefügt zu betrachten sind, die Standard-(N)-Lautheit L_N(S, P_N) des ankommenden Signals S berechnet. Das Ausgangssignal der Recheneinheiten 70, das die Lautheit L_N bzw. L_I repräsentiert, ist jeweils mit einer Steuereinheit 72 wirkverbunden, in der die zwei Lautheitswerte verglichen werden. Die Steuereinheit 72 wirkt mit ihren Ausgängen an den Steuereingängen E₃₀, die die lautheitsrelevanten Parameter P₃₀ in der Prozessoreinheit 30, d. h. in den jeweiligen Filtern der darin enthaltenen Filterbank, steuern. Die wahrgenommene und berechnete tatsächliche Lautheit LI wird in der Vergleichseinheit 90 als einzelner zeitlich veränderlicher Wert mit dem von dem Speicher 110 ausgegebenen MAL-Wert verglichen. Das Vergleichsergebnis, d. h. das Ausgangssignal der Komparatoreinheit 90, wirkt auf eine Codierereinheit 112, die eine Anzahl von Ausgangssignalen erzeugt, die zu einer Wichtungseinheit 114 geführt werden, in der die von der Steuereinheit 72 zum Einstellen der Übertragungsfunktion der Einheit 30 ausgegebenen Parameterwerte weiter eingestellt werden, wodurch verhindert wird, dass L_I über die MAL steigt.
In 3 ist das Spektrum a) eines von der Prozessoreinheit 30 ausgegebenen Signals A über der z. B. in Barks skalierten Frequenz gezeigt. Das Spektrum a) führt zur Lautheit L_Ia, wie sie durch die Fläche repräsentiert wird, die unter dem Spektrum a) gut über dem MAL-Wert schattiert ist.
Durch die Erfindung gemäß den 1 oder 2 wird dies erfasst, wobei die Übertragungsfunktion der Einheit 30 z. B. in der Weise eingestellt wird, dass sich z. B. ein Signal A gemäß der Charakteristik b) ergibt, das nun und gemäß dem schraffierten Flächeninhalt unter der Charakteristik b) einer Lautheit L_Ib gut unter der MAL entspricht.
Durch die vorliegende Erfindung wird das an das menschliche Ohr übertragene Signal gemäß der psychoakustischen Lautheitswahrnehmung des menschlichen Ohres und nicht durch Vorauswahl irgendwelcher physikalischen Grenzwerte begrenzt.

Claims

Verfahren zum Begrenzen eines an das menschliche Ohr übertragenen Signals in Abhängigkeit von einem ankommenden Schallsignal, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Vorsehen einer begrenzenden Hörvorrichtung, die aus einem eingehenden Schallsignal (S) ein Signal (A) erzeugt, das an das menschliche Ohr mit einer steuerbaren Übertragungscharakteristik übertragen wird; – Speichern eines Schwellenwertes (MAL) in der Vorrichtung; – Erzeugen eines von der Lautheit (L(S, P); L_I(S, P_I)) des übertragenen Signals abhängenden Signals in der Vorrichtung; – Verringern der Lautheit des an das Ohr übertragenen Signals (A) durch Einstellen von Parametern der Übertragungscharakteristik, die die Lautheit (L; L_I) des an das Ohr übertragenen Signals (A) bestimmen, sobald das von der Lautheit (L; L_I) des übertragenen Signals (A) abhängende Signal den Schwellenwert (MAL) erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Implementieren der Hörvorrichtung in einem Hörgerät.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Schritte, bei denen die Übertragungscharakteristik in Abhängigkeit von der Lautheit, die von einer bestimmten einzelnen Person wahrgenommen wird und in Abhängigkeit von der Lautheit, die von einem Standard wahrgenommen wird, individuell eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, das ferner die Schritte umfaßt, bei denen: – die Lautheit (L_N(S, P_N)), die durch einen Standard bei einem in die Vorrichtung eingegebenen Schallsignal (S) wahrgenommen wird, berechnet wird; – die Lautheit (L_I(S, P_N)), die von der einzelnen Person bei dem Schallsignal wahrgenommen wird, in Abhängigkeit von der Lautheit des übertragenen Signals (A) berechnet wird; – eine gewünschte Hörgerät-Übertragungscharakteristik aus den berechneten Lautheiten des Standards bzw. der einzelnen Person berechnet wird; – die Übertragungscharakteristik (T) des Hörgeräts in Übereinstimmung mit der gewünschten Übertragungscharakteristik eingestellt wird; – die Begrenzung durch zusätzliches Einstellen der gewünschten Übertragungscharakteristik in Abhängigkeit von der Lautheit des übertragenen Signals (A) und des Schwellenwertes (MAL) ausgeführt wird.
Hörvorrichtung, mit – einem Eingangs-Schall/Elektrisch-Wandler (1), dessen Ausgang wirkverbunden ist mit dem Eingang – einer Signalprozessoreinheit (3; 30) mit einer steuerbaren Übertragungscharakteristik (T), deren Ausgang wirkverbunden ist mit einem Eingang von – einem Ausgangs-Wandler (5) für das menschliche Ohr, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind: – eine im voraus setzbare Speichereinheit (11; 110); – eine Recheneinheit (7, 70a), deren Eingang mit dem Ausgang der Prozessoreinheit (3, 30) wirkverbunden ist und die ein Ausgangssignal erzeugt, das von der Lautheit eines Schallsignals abhängt, das durch das Signal am Eingang des Ausgangs-Wandlers (5) repräsentiert wird, wobei – die Ausgänge der Recheneinheit (7; 70a) bzw. der im voraus einstellbaren Einheit (11; 110) mit entsprechenden Eingängen einer Vergleichseinheit (9; 90) wirkverbunden sind; – der Ausgang der Vergleichseinheit (9; 90) mit Einstelleingängen (E₃; E₃₀) für die Charakteristik der Prozessoreinheit (3; 30) wirkverbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (1, 5) und die Prozessoreinheit (3; 30) Teil eines Hörgeräts sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch – eine zweite Recheneinheit (70b), deren Eingang mit dem Ausgang des Eingangs-Wandlers (1) wirkverbunden ist und die ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Standardlautstärke eines in den Eingangs-Wandler (1) eingegebenen Schallsignals repräsentiert; – wobei die Ausgänge der einen und der weiteren Recheneinheit (70a, 70b) mit einer dritten Recheneinheit (72) wirkverbunden sind; – und der Ausgang der weiteren Berechnungseinheit (72) mit den Einstelleingängen (E₃₀) wirkverbunden ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozessoreinheit (3; 30) eine vorgegebene Anzahl von Bandpaßfiltern umfaßt, wovon jedes hauptsächlich in einem entsprechenden Spektralband wirkt, wobei die Einstelleingänge (E₃, E₃₀) mit Einstelleingängen der Filter wirkverbunden sind.