DE69806040T2 - Hörgerät mit mikrophone-array - Google Patents
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Hörgerät zum Verbessern des Hörvermögens von Schwerhörigen, das eine Anordnung von Mikrofonen umfaßt, wobei die elektrischen Ausgabesignale dieser wenigstens einem Übertragungsweg zugeführt werden, der zu einem Ohr gehört.
- Eine Vorrichtung von dieser Art ist aus dem Artikel mit dem Titel "Development of a directional hearing instrument based on array technology" bekannt, der in dem "Journal of the Acoustical Society of America", Vol. 94, Ausgabe 2, Teil 1. Seiten 785-798, August 1993, veröffentlicht ist.
- Es ist allgemein bekannt, daß ein Verlust des Hörens bei Leuten mittels eines Hörgerätes ausgeglichen werden kann, bei dem die Verstärkung des empfangenen Schalls verwendet wird. In Umgebungen mit Hintergrundgeräuschen, z. B. wenn mehrere Leute zur gleichen Zeit sprechen, wie dies im Fall einer Empfangsparty vorliegt, verstärkt das Hörgerät sowohl die erwünschte Sprache als auch den Lärm, so daß als ein Ergebnis dieses das Hörvermögen nicht verbessert ist.
- In dem oben genannten Artikel beschreiben die Autoren einen verbesserten Vorschlag. Das Hörgerät, das in dem Artikel offenbart ist, besteht aus einer Anordnung von z. B. fünf Richtmikrofonen, wobei als ein Ergebnis dessen, es für die Person, die schwerhörig ist, möglich ist, jemanden zu verstehen, der ihr direkt gegenüber spricht. Das Hintergrundgeräusch, das aus anderen Richtungen ausstrahlt, wird durch die Anordnung unterdrückt.
- Aus US-A 4 956 867 ist ein Apparat zum Unterdrücken von Signalen aus Geräuschquellen bekannt, die eine Zielquelle umgeben. Dieser Apparat umfaßt eine aufnehmende Anordnung, die zwei in einem Abstand voneinander beabstandete Mikrofone enthält. Die Ausgaben der Mikrofone werden so kombiniert, daß ein primärer Signalkanal und ein Signalkanal für Geräusche erhalten werden. Die Ausgaben der Kanäle werden voneinander abgezogen, um den Lärm von dem primären Signalkanal auszulöschen.
- Das Ziel der Erfindung ist es, ein Hörgerät der Art, die im Oberbegriff erwähnt ist, bereit zu stellen, mit welchem die oben genannten Nachteile vermieden werden und die Verständnisfähigkeit und die Natürlichkeit der Wiedergabe auf eine einfache Art und Weise verbessert werden.
- Das Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß Mittel zum Ableiten von zwei Ausgabesignalen der Anordnung von den Ausgabesignalen der Mikrofone bereitgestellt werden, wobei die Anordnung zwei Hauptrichtungen der Empfindlichkeit aufweist, die in einem Winkel mit bezug auf die Hauptachse der Anordnung verlaufen und von denen jede mit einem Ausgabesignal der Anordnung in Beziehung steht und bei der jedes Ausgabesignal der Anordnung zu seinem eigenen Übertragungspfad geführt wird, eines zu dem linken Ohr und das andere zu dem rechten Ohr einer Person, die schwerhörig ist.
- Bei dieser Einrichtung werden die Signale der Mikrofone der Anordnung kombiniert, um ein Signal für das linke Ohr und ein Signal für das rechte Ohr zu ergeben. Die Anordnung hat zwei Hauptrichtungen der Empfindlichkeit oder Hauptkeulen, die mit Bezug zueinander in einem Winkel verlaufen, wobei das Signal des linken Ohres im wesentlichen den Schall wiedergibt, der von der ersten Hauptrichtung der Empfindlichkeit herrührt und das Signal des rechten Ohres den aus der anderen Hauptrichtung der Empfindlichkeit wiedergibt. Die Ausgabesignale der Anordnung, d. h. das Signal für das linke Ohr und das Signal für das rechte Ohr werden über ihren eigenen Übertragungsweg dem linken Ohr bzw. dem rechten Ohr zugeführt. Die Verstärkung des Signals und Umwandlung des elektrischen Signales in ein Schallsignal wird in dem Übertragungsweg verwendet.
- Die verschiedenen Hauptkeulen führen einen Unterschied im Pegel zwischen den Signalen ein, die zu den Ohren geführt werden. Es ist gefunden worden, daß es nicht nur möglich ist, Schallquellen besser zu lokalisieren, sondern daß Hintergrundgeräusch auch als ein Ergebnis der Richtungswirkung unterdrückt wird, wobei als ein Ergebnis dessen die Verständlichkeit der Sprache trotz des vorhandenen Lärms verbessert wird.
- Die Anordnung kann vorteilhafterweise an der Vorderseite eines Brillenrahmens und/oder auf die Bügel oder Federn montiert werden.
- Im Falle einer Ausführungsform, die vorzugsweise zu verwenden ist, ist jeder Brillenbügel auch mit einer Anordnung von Mikrofonen versehen, wobei die Ausgabesignale von der einen Anordnung dem einen Übertragungsweg zugeführt werden und die Ausgabesignale von der anderen Anordnung dem anderen Übertragungsweg zugeführt werden.
- Was durch dieses Mittel erreicht wird ist, daß die Verständlichkeit nicht nur bei hohen Frequenzen im hörbaren Schallbereich verbessert wird, sondern auch bei verhältnismäßig niedrigen Frequenzen.
- Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Die Erfindung wird in größeren Einzelheiten unten mit Bezug auf die Zeichnungen erklärt. In den Zeichnungen:
- Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Hörgerätes gemäß der Erfindung;
- Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Hörgerätes gemäß der Erfindung in größeren Einzelheiten;
- Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Hörgerätes gemäß der Erfindung;
- Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des Hörgerätes gemäß Fig. 4, in welcher eine Kombination von Anordnungen verwendet wird, wobei diese Ausführungsform bevorzugt verwendet wird;
- Fig. 5 zeigt ein polares Diagramm einer kombinierten Anordnung aus Fig. 1 bei 500 und 1000 Hz;
- Fig. 6 zeigt ein polares Diagramm einer Ausführungsform aus Fig. 1 bei 2000 und 4000 Hz; und
- Fig. 7 zeigt den Richtungsindex der Ausführungsform in Fig. 4 als eine Funktion der Frequenz.
- Das Hörgerät gemäß der Erfindung umfaßt eine Anordnung von Mikrofonen. Diese Anordnung kann jede Form aufweisen.
- Die Anordnung hat zwei Ausgabesignale der Anordnung, die jeweils entlang ihres eigenen Übertragungsweges zugeführt werden, das eine zu dem linken Ohr, das andere zu dem rechten Ohr der Person, die schwerhörig ist. In dem Übertragungsweg wird die Verstärkung und Umwandlung der elektrischen Signale von der Anordnung in Schallvibrationen auf die herkömmliche Art und Weise verwendet.
- Die Anordnung hat zwei Hauptrichtungen der Empfindlichkeit, die mit Bezug zueinander in einem Winkel verlaufen, wobei die verschiedenen Eigenschaften so sind, daß das Ausgabesignal der ersten Anordnung im wesentlichen eine Reflektion des Schalles aus der ersten Hauptrichtung der Empfindlichkeit ist, während das Ausgabesignal der zweiten Anordnung im wesentlichen den Schall aus der zweiten Hauptrichtung der Empfindlichkeit darstellt. Als ein Ergebnis hört das linke Ohr, wie es dies tat, in eine begrenzte erste Hauptrichtung der Empfindlichkeit, während das rechte Ohr in die zweite Hauptrichtung der Empfindlichkeit hört.
- Die Hauptrichtungen der Empfindlichkeit, die mit den Ausgabesignalen der Anordnung in Beziehung stehen, können durch Fokussieren oder Bündeln der Mikrofonsignale erzielt werden.
- Die Anordnung aus Mikrofonen kann auf eine einfache Art und Weise an Brillengestellen befestigt werden. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung aus Mikrofonen an der Vorderseite von Brillenrahmen, wobei eine Bündelung verwendet wird.
- In Fig. 1 wird der Kopf einer schwerhörigen Person diagrammartig durch die Bezugsziffer 1 angezeigt. Die von dieser Person getragene Brille ist diagrammähnlich durch gerade Linien gezeigt, wobei die Brille in der herkömmlichen Art und Weise aus einer Vorderseite 2 und zwei Brillenbügeln oder Federn 3, 4 besteht.
- Die Hauptkeule 5 für das linke Ohr und die Hauptkeule 6 für das rechte Ohr sind als Ellipsen auch in Fig. 1 gezeigt. Die Hauptkeulen liegen mit Bezug zueinander und mit Bezug auf die Hauptachse 7 der Brille in einem Winkel.
- Als ein Ergebnis der oben verwendeten Hauptkeulen und der getrennten Zuordnung dieser zu den Ohren wird künstlich ein Unterschied zwischen dem Pegel der Ausgabesignale der Anordnung abhängig von der Lokalisierung der Schallquelle und auch für den Lärm eingeführt. Als ein Ergebnis des künstlichen Unterschiedes in den Pegeln der Ausgabesignale der Anordnung ist eine schwerhörige Person in der Lage, die Schallquelle zu lokalisieren, jedoch ist gefunden worden, daß der Unterschied auch die Verständlichkeit von Sprache in der Gegenwart von Lärm verbessert.
- Das Positionieren der Anordnung aus Mikrofonen auf einem oder beiden der Brillenbügel ist auch vorteilhaft.
- Die Zuordnung der Ausgabesignale der Anordnung zu den in Beziehung stehenden Hauptkeulen der Anordnung kann auf einfache Art und Weise mittels einer sogenannten parallelen oder seriellen Konstruktion erzielt werden.
- In dem Fall der parallelen Konstruktion umfaßt das Mittel zum Ableiten der Ausgabesignale der Anordnung eine Additionsvorrichtung, wobei die Ausgabesignale der Mikrofone den Eingaben der Additionsvorrichtung mittels einer diesbezüglichen fequenzabhängigen oder frequenzunabhängigen Vorrichtung mit Wichtungsfaktor zugeführt werden. Ein Ausgabesignal der Anordnung kann dann an der Ausgabe der Additionsvorrichtung abgenommen werden. Eine Hauptrichtung der Empfindlichkeit, die mit dem diesbezüglichen Ausgabesignal der Anordnung in Beziehung steht, kann durch Kalibrieren der Vorrichtung mit Wichtungsfaktor erhalten werden.
- In dem Fall der sogenannten seriellen Konstruktion enthält das Mittel zum Ableiten der Ausgabesignale der Anordnung eine Anzahl von Additionsvorrichtungen und Vorrichtungen mit Wichtungsfaktor, wobei in jedem Fall die Vorrichtungen mit Wichtungsfaktor mit der Eingabe und Ausgabe der Additionsvorrichtungen in Reihe verbunden sind. Mit dieser Einrichtung ist ein äußerstes Mikrofon mit der Eingabe einer Vorrichtung mit Wichtungsfaktor verbunden, von dem die Ausgabe dann mit der Eingabe einer Additionsvorrichtung verbunden ist. Die Ausgabe des Mikrofons, das an das äußerste Mikrofon angrenzt, ist mit der Eingabe der Additionsvorrichtung verbunden. Die Ausgabe der Additionsvorrichtung ist mit der Eingabe der nächsten Vorrichtung mit Wichtungsfaktor verbunden, von dem die Ausgabe mit der Eingabe der nächsten Additonsvorrichtung verbunden ist. Die Ausgabe des nächsten Mikrofons ist dann wiederum mit der anderen Eingabe dieser Additionsvorrichtung verbunden.
- Diese Einrichtung wird soweit bis zu dem anderen äußersten Mikrofon in der Anordnung fortgeführt. Ein Ausgabesignal der Anordnung, z. B. für das Signal des linken Ohres, kann von der Ausgabe der letzten Additionsvorrichtung abgenommen werden, dessen Eingabe mit der Ausgabe des letztgenannten äußersten Mikrofons verbunden ist. Es könnte auch möglich sein, das Ausgabesignal der Anordnung von der Ausgabe der besagten letzten Additionsvorrichtung mittels einer weiteren Vorrichtung mit Wichtungsfaktor abzuleiten.
- In einer weiteren Entwicklung umfaßt die Vorrichtung mit Wichtungsfaktor eine Verzögerungseinheit, wahlweise durch eine Vorrichtung zur Amplitudenregulierung ergänzt.
- In einer anderen Entwicklung besteht die Vorrichtung mit Wichtungsfaktor aus einer Vorrichtung zur Phasenregulierung, wahlweise durch eine Vorrichtung zur Amplitudenregulierung ergänzt.
- Fig. 2 zeigt die parallele Konstruktion mit Verzögerungseinheit. Die Mikrofone 8, 9, 10, 11 und 12 sind rechts in Fig. 2 gezeigt, wobei die Mikrofone in der Zeichnung durch eine Linie verbunden sind, um anzuzeigen, daß es eine Anordnung ist, die hier betroffen ist. Die Ausgaben der Mikrofone 8-12 sind mit den Eingaben der jeweiligen Verzögerungseinheiten 13, 14, 15, 16 und 17 verbunden. Die Ausgaben der Verzögerungseinheiten 13-17 sind mit den Eingaben der Additionsvorrichtung 18 verbunden, wobei an deren Ausgabe ein Ausgabesignal der Anordnung, z. B. ein Signal für das linke Ohr, abgenommen werden kann. Die Vorrichtung zur Amplitudenregulierung, die aus einem Verstärker oder einem Dämpfungsglied bestehen kann, kann auf eine Art und Weise eingebaut sein, die nicht gezeigt ist, in jedem Weg zwischen einem Mikrofon und einem Eingang der Additionsvorrichtung. Vorzugsweise ist das Signal von dem n-ten Mikrofon um eine Periode nie verzögert. Fig. 2 zeigt, daß das Ausgabesignal von dem Mikrofon 8 zu der Eingabe der Additionsvorrichtung 18 mit der Verzögerungsperiode 0 geführt wird, während das Ausgabesignal von dem Mikrofon 9 mit einer Verzögerung τt zu der nächsten Eingabe der Additionsvorrichtung 18 geführt wird. Die entsprechenden Verzögerungen treten auch im Fall der Mikrofone 10, 11 und 12 auf; was die Verzögerungsperioden von 2 τt, 3 τt bzw. 4 τt bedeutet. Die Verzögerungsperiode τt wird so gewählt, daß der Schall, der aus der Richtung ausstrahlt, die mit Bezug auf die Hauptachse der Anordnung einen Winkel von θ ergibt, in Phase summiert wird. Dabei ist: τt = dsin θ/c, wobei d die Distanz zwischen zwei Mikrofonen und c die Geschwindigkeit der Wellenfortpflanzung ist.
- Eine ähnliche Einrichtung kann für das Signal des rechten Ohrs ausgelegt werden.
- Fig. 3 zeigt die sogenannte serielle Konstruktion mit Verzögerungseinheiten.
- Im Falle dieser Ausführungsform wird ein in Reihe geschalteter Stromkreis von vier Verzögerungseinheiten 18-21 und vier Additionsvorrichtungen 22-24 verwendet. Die Verzögerungseinheiten und Additionsvorrichtungen werden abwechselnd in Reihe verbunden. Das Mikrofon 12 ist mit der Eingabe der Verzögerungseinheit 21 verbunden, während die Ausgaben der Mikrofone 8-11 mit den jeweiligen Additionsvorrichtungen 23-26 verbunden sind.
- Auch mit dieser Ausführungsform wird das Signal von dem Mikrofon 12 um eine Verzögerungsdauer von 4-fach τt verzögert, falls jede Verzögerungseinheit eine Verzögerung von τt erzeugt. Nach dem Addieren in der Additionsvorrichtung 26 wird das Ausgabesignal von dem Mikrofon 11 um eine Verzögerungsperiode von 3-fach τt verzögert. Entsprechende Verzögerungen ergeben sich auch in Bezug auf die Mikrofone 9 und 10. Das Ausgabesignal von dem Mikrofon 8 wird nicht verzögert. Falls erwünscht, kann eine weitere Verzögerungseinheit hinter der Additionsvorrichtung 23 eingebaut werden.
- Auch mit dieser sogenannten seriellen Konstruktion ist es auch möglich, Vorrichtungen zur Amplitudenregelung in Form von Verstärkern oder Dämpfungsgliedern in jedem Teil des in Reihe geschalteten Stromkreises einzubauen, wobei jede Vorrichtung zur Amplitudenregelung mit einem Ausgabesignal von einem besonderen Mikrofon in der Anordnung in Beziehung steht. Die verwendete Verzögerungseinheit kann einfach ein Filter für alle Frequenzen der ersten Ordnung sein, der mittels eines Potentiometers eingestellt werden kann.
- Eine 14 cm lange Anordnung von Mikrofonen kann als eine praktische Ausführungsform verwendet werden. Als eine Konsequenz der oben beschriebenen Mittel zur Ableitung der Ausgabesignale von den Mikrofonen, die jeweils mit einer Hauptrichtung der Empfindlichkeit in Beziehung stehen, können die verwendeten Mikrofone sehr einfache Mikrofone mit ungerichteter Empfindlichkeit sein. Fall erwünscht, können Kardioidmikrofone verwendet werden, um eine zusätzliche Richtungsempfindlichkeit zu erhalten.
- Falls der Winkel zwischen den zwei Hauptrichtungen der Empfindlichkeit oder den Hauptkeulen größer wird, wird der Unterschied zwischen den hörbaren Signalen, d. h. der Unterschied der Pegel zwischen den Ohren, größer werden. In der Folge wird die Lokalisierfähigkeit allgemein besser werden.
- Wenn der besagte Winkel zwischen den Hauptkeulen größer wird, wird sich jedoch die Dämpfung eines Schallsignales in der Richtung der Hauptachse der Anordnung vergrößern. Die Wahl des Winkels zwischen den Hauptkeulen wird daher in der Praxis ein Kompromiß zwischen einem guten Unterschied der Pegel zwischen den Ohren und einer annehmbaren Dämpfung in der Hauptrichtung der Anordnung sein. Diese Wahl wird vorzugsweise experimentell bestimmt werden.
- Weiterhin werden die Hauptkeulen jenseits eines bestimmten Winkels jeweils in zwei Keulen beim Vergrößern des Winkels zwischen den Hauptkeulen aufgespalten werden. Dieses Phänomen kann durch Verwenden einer Wichtungsfunktion der Amplitude für die Mikrofonsignale vermieden werden.
- Im Falle einer Ausführungsform der Erfindung, die vorzugsweise zu verwenden ist, werden eine Anordnung, die an der Vorderseite des Brillengestelles und zwei Anordnungen, die jeweils an einem Bügel der Brille befestigt sind, verwendet. Ein Beispiel mit elf Mikrofonen ist in Fig. 4 gezeigt. Die Mikrofone 26, 27 und 28, die die linke Anordnung bilden, sind an dem linken Bügel der Brille befestigt und die Mikrofone 34, 35 und 36 der rechten Anordnung sind an dem rechten Bügel der Brille befestigt. Die Mikrofone 29-33 sind an der Vorderseite des Brillengestelles befestigt.
- Die Signale von den Mikrofonen 29-33 werden auf die oben beschriebene Art und Weise den Übertragungswegen für das linke bzw. rechte Ohr zugeführt. Die Signale von den Mikrofonen 26, 27 und 28 werden an den Übertragungsweg für das linke Ohr gekoppelt, während die Signale von den Mikrofonen 34-36 über den anderen Übertragungsweg dem rechten Ohr zugeführt werden.
- Bei hohen Frequenzen wird ein Unterschied der Pegel zwischen den Ohren mit Hilfe der Bündelung der Anordnung an der Vorderseite des Brillengestelles erzeugt und der Schatteneffekt der Anordnungen auf den Bügeln der Brille hat einen Einfluß. Bei niedrigen Frequenzen wird ein Zeitunterschied zwischen den Ohren mittels der Anordnungen auf den Bügeln der Brille erzeugt. Ein Zeitunterschied zwischen den Ohren ist als die Differenz in der Ankunftszeit zwischen den Signalen an den Ohren als eine Folge der Differenz in der Fortpflanzungszeit definiert.
- Fig. 5 zeigt die Richtungseigenschaften der Kombination von Anordnungen in der Fig. 4 bei einer Frequenz von 500 Hz, die von einer Punkt-Strich-Linie angezeigt ist und bei 1000 Hz, die von einer durchgezogenen Linie angezeigt ist. Die Richtungseigenschaften in Fig. 5 werden mit den Anordnungen auf den Bügeln der Brille erhalten. Die Anordnung an der Vorderseite der Brille wird daher abgeschaltet, da sie wenig zusätzliche Richtungswirkung bei niedrigen Frequenzen ergibt. Auf diese Weise wird so eine Zeitdifferenz zwischen den Ohren erzeugt.
- Fig. 6 zeigt die Richtungseigenschaften der Kombination von Anordnungen bei 2000 Hz, die von einer Punkt-Strich-Linie 2 angezeigt wird und bei 4000 Hz, von einer durchgezogenen Linie angezeigt. Im Bereich mittlerer und hoher Frequenzen des hörbaren Schallbereiches sind die Hauptkeulen bei 11º ausgerichtet, so daß wiederum ein Unterschied der Pegel zwischen den Ohren erzeugt wird.
- Fig. 7 zeigt den Richtungsindex als eine Funktion der Frequenz für drei optimierte Frequenzbereiche. Die durchgezogene Linie gilt für niedrige Frequenzen, die bei 500 Hz optimiert ist. Die gestrichelte Linie gilt für die Optimierung bei 4000 Hz und die Strich-Punkt- Linie für die Optimierung bei 2300 Hz.
- Es wird auch herausgestellt, daß ein Unterschied im Pegel zwischen den Ohren auch mit den Anordnungen auf den Bügeln der Brille erzeugt werden kann, wie mit der Anordnung an der Vorderseite des Brillengestelles.
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