DE69908662T2

DE69908662T2 - Hörgerät mit adaptiver anpassung von mikrofonen

Info

Publication number: DE69908662T2
Application number: DE69908662T
Authority: DE
Inventors: Baekgaard Lars JENSEN
Original assignee: Widex AS
Current assignee: Widex AS
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: DE69908662D1; DK1198974T3; EP1198974B1; EP1198974A1; ATE242588T1; JP4523212B2; AU5418999A; CA2380396C; CA2380396A1; JP2003506937A; US6272229B1; WO2001010169A1; AU763363B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Hörhilfe mit einer steuerbaren Richtungscharakteristik, umfassend wenigstens zwei voneinander beabstandete Mikrophone in wenigstens zwei Mikrophonkanälen, wenigstens eine Signalverarbeitungseinheit, wenigstens einen Ausgangswandler und ein Richtungssteuersystem, mit einer Einrichtung zum adaptiven Anpassen der Eigenschaften von wenigstens zwei Mikrophonen.
Hintergrund der Erfindung
Die WO 97/11533 A offenbart eine Hörhilfe mit einer steuerbaren Richtungscharakteristik, umfassend zwei voneinander beabstandete Mikrophone mit entsprechenden Mikrophonkanälen und einer Signalverarbeitungseinheit.
Die EP-A-0 690 656 offenbart ein Gerät zum Anpassen der Empfindlichkeit von zwei Mikrophonen.
In Hörhilfesystemen des im Oberbegriff genannten Typs, die wenigstens zwei voneinander beabstandete Mikrophone verwenden, ist es bekannt, daß in der Technik zum Steuern der Richtungsabhängigkeit und der Richtwirkungsbearbeitung (beam forming) unter Verwendung mehrerer Mikrophone, üblicherweise zweier Mikrophone, die Realisierung davon abhängt, daß die Mikrophone bezüglich ihres Zeit- und Phasenverhältnisses sowie ihrer Empfindlichkeit so eng wie möglich aneinander angepaßt sind, da Richtwirkungstechniken Gebrauch machen von der Zeit/Phasendifferenz zwischen voneinander beabstandeten Mikrophonen bezogen auf die Richtung des Schalls, der von einer Schallquelle empfangen wird.
Die Ankunftszeitdifferenz von Signalen beim Mikrophon bestimmt, bei welchen Winkeln die Nullen in der Richtungscharakteristik erzeugt werden.
Jegliche Störung dieser Ankunftszeitdifferenz wird die räumliche Position der Nullen stören, und das Richtungsverhalten wird in diesem Fall nie optimal werden.
Empfindlichkeitsdifferenzen zwischen Hörhilfemikrophonen desselben Typs können bis zu 6 dB betragen, was zu einem Richtungsverhalten führen würde, welches – für einen praktischen Einsatz – gar keines ist.
Die Phasendifferenz könnte bei tiefen Frequenzen bis zu 10° betragen, und zwar aufgrund von Fertigungstoleranzen in Verbindung mit der niedrigeren Grenzfrequenz in den Mikrophonen.
Bei Hörhilfen mit vorzugsweise zwei Mikrophonen werden diese normalerweise um einen Abstand von 1 cm voneinander entfernt plaziert. Dies entspricht einer akustischen Verzögerung zwischen den Mikrophonen von ungefähr 30 μs. Störungen in den Ankunftszeiten könnten selbstverständlich sehr ernst sein, denn sie könnten tatsächlich größer als die eigentliche akustische Verzögerung zwischen den zwei Mikrophonen sein.
Eine Methode zur Lösung dieses Problems lag bislang darin, Mikrophone zu verwenden, die seitens des Herstellers in ihrer Empfindlichkeit und Phase aneinander angepaßt waren.
Allerdings hat diese Methode einige Nachteile:

1. Mikrophone können in ihrer Empfindlichkeit durch den Hersteller nicht besser als ungefähr 0,5 dB aufeinander angepaßt werden. Allerdings ist 0,5 dB groß genug, um das Richtungsverhalten bei 200 bis 300 Hz stark zu verschlechtern.
2. Mikrophone können in ihrer Phase nicht besser als ungefähr 2° aneinander angepaßt werden, und zwar aufgrund der benötigten Präzision bei den zum Messen der Mikrophone verwendeten Geräte. 2° entspricht bei 200 Hz ungefähr 28 μs, was in vielen Fällen groß genug ist, um die Richtungscharakteristik zu bewegen, so daß Richtungen, die eigentlich gedämpft werden sollten, nahezu ungedämpft bleiben und daher mit der gleichen Stärke übertragen werden wie das aus der gewünschten Richtung ankommende Signal.
3. Damit die Richtwirkungsbearbeitung gut funktioniert, müssen auch die zwei elektrischen Eingänge in der Hörhilfe aneinander angepaßt werden. Dies beinhaltet eine spezielle Auswahl von zu verwendenden Komponenten, da die Toleranzen beispielsweise von Kondensatoren nicht hinreichend gering sind.
4. Falls ein Mikrophon oder andere Komponenten fehlerhaft werden, wird es erforderlich sein, alle Mikrophone (oder andere Komponenten) als angepaßte Sets auszutauschen, was die erforderliche Servicearbeit viel teurer machen wird.

Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hörgerät zu schaffen, umfassend spezielle Schaltungen zum Durchführen einer laufenden adaptiven Anpassung zwischen den Mikrophoneingängen und Elektronik sowohl für die Niederfrequenzphasen/Zeitantwort als auch die Empfindlichkeit, so daß keine präzise Auswahl von angepaßten Mikrophonen und Elektronik erforderlich sein wird. Statt dessen wird es ausreichen, zufällig gewählte Mikrophone und Komponenten ihrer jeweiligen Typen auszuwählen, solange sie innerhalb ihrer Fertigungstoleranzen liegen.
Dies wird auch die Servicekosten beträchtlich verringern, da Mikrophone und Komponenten jedes Mal als ein Stück getauscht werden könnten. Ferner können Auswirkungen der Alterung und Änderungen aufgrund von Umwelteinflüssen durch die vorliegende Erfindung kompensiert werden. Insbesondere verwendet die neue adaptive Anpassung keine zusätzlichen Signale, sondern verwendet die akustischen Signale, die jederzeit bei den Mikrophonen vorhanden sind.
Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden bei einer Hörhilfe des oben genannten Typs durch Verwendung einer adaptiven Phasenanpassungsschaltung erzielt, die in die wenigstens zwei Mikrophonkanäle eingesetzt ist, wobei die Ausgänge der adaptiven Phasenanpassungsschaltung an eine Akustikverzögerungskompensationseinrichtung angeschlossen sind, auf die eine Parametersteuerschaltung folgt, deren Ausgabe einer steuerbaren Filtereinrichtung zugeführt wird, die in wenigstens einen der wenigstens zwei Mikrophonkanäle innerhalb der adaptiven Phasenanpassungsschaltung eingesetzt ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Filtereinrichtung vor der Akustikverzögerungskompensationseinrichtung vorgesehen ist.
Die Erfindung wird nun detailliert in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung;
2 schematisch den Schaltungsaufbau einer adaptiven Phasenanpassungsschaltung;
3 schematisch den Schaltungsaufbau der Akustikverzögerungskompensationsschaltung, wie sie in die adaptive Phasenanpassungsschaltung eingebaut ist;
4 sowie 5 schematisch weitere Ausführungsformen der Erfindung, die zusätzlich eine Empfindlichkeitsanpassungsschaltung verwenden; und
6 schematisch den Schaltungsaufbau der adaptiven Empfindlichkeitsanpassungsschaltung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Während alle Operationen des für die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zu beschreibenden Schaltungsaufbaus mit digitalen Implementierungen erfolgen und normalerweise hochintegrierte Schaltungen verwenden werden, versteht es sich, daß grundsätzlich der gesamte Schaltungsaufbau auch in Analogtechnik implementiert sein könnte.
Allerdings wird die digitale Version bevorzugt eingesetzt.
Da alle von den Mikrophonen ausgegebenen Signale in analoger Form vorliegen, versteht es sich, daß zwischen den wenigstens zwei Mikrophonen und den digitalen Schaltungen der hier zu beschreibenden Erfindung eine Analog/Digital-Umwandlung vorgenommen werden muß, beispielsweise unter Verwendung von Sigma-Delta-Umwandlungstechniken.
Die in den 1 und 2 gezeigte erste Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine adaptive Phasenanpassungsschaltung 1 mit Eingangsanschlüssen a, b und Ausgangsanschlüssen c, d, und umfaßt eine Akustikverzögerungskompensationsschaltung 2, eine Parametersteuereinrichtung 3 und eine steuerbare Filtereinrichtung 4.
Die adaptive Phasenkompensationsschaltung ist zur Kompensation der wenigstens zwei Mikrophone vorgesehen. In einer Testumgebung konnte die Phasenkompensation auf Testschall gestützt werden, der durch eine räumlich festgelegte Testschallquelle erzeugt wurde, die während einer anfänglichen oder periodischen Anpassungsprozedur zu verwenden ist. Im praktischen Einsatz jedoch, und da der Testschall vorzugsweise im Audiofrequenzbereich liegen sollte, ist eine räumlich festgelegte Testschallquelle für eine kontinuierliche Einstellung während normalen Gebrauchs nicht geeignet. Daher kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung diese Kompensation statt dessen auf den im umgebenden Raum vorhandenen Schall gestützt werden.
Würden die Mikrophone genau die gleichen Schallsignale empfangen, so wäre die einzige Differenz die inhärente Phasen- und Verzögerungsdifferenz (abgesehen von der Empfindlichkeitsdifferenz).
Dies bedeutet, daß eine optimale Phasenanpassung nur dann erreicht werden kann, wenn die Mikrophone das gleiche Signal empfangen, d. h. die akustischen Signale genau gleichzeitig bei den Mikrophonen ankommen. Die Mikrophone werden jedoch selbstverständlich mit einem Abstand voneinander plaziert sein, was tatsächlich zu einer Zeitverzögerung zwischen den Mikrophonen abhängig vom Ort der Akustiksignalquelle im Raum führen wird.
Der Schall aus der Umgebung kommt nicht zwangsläufig zur gleichen Zeit bei den Mikrophonen an. Die Ankunftszeiten sind nämlich normalerweise für die zwei oder mehr Mikrophone unterschiedlich und ändern sich selbstverständlich. Daher werden die Schallsignale eine bestimmte Verzögerung relativ zueinander haben. Daher muß die Akustikverzögerungskompensation diese Verzögerung kompensieren, um einen virtuellen Testschall basierend auf dem im umgebenden Raum vorhandenen Schall zu erzeugen.
Zu diesem Zweck ist eine Akustikverzögerungskompensationsschaltung an der Ausgangsseite an den Anschlüssen c, d der adaptiven Phasenanpassungsschaltung 1 angeschlossen. Diese Akustikverzögerungskompensationsschaltung 2 mit ihren Eingangsanschlüssen e, f und Ausgangsanschlüssen g, h versucht, diese Verzögerung zu kompensieren, indem sie in wenigstens einem der zwei Mikrophonkanäle eine Extraverzögerung anwendet, um ihn anzupassen, bis eine minimale Differenz zwischen den Eingangssignalen der beiden Mikrophone erreicht wird.
Zur Steuerung der Phasenanpassung ist eine Parametersteuerschaltung 3 an den Ausgangsanschlüssen g, h der Akustikverzögerungskompensationsschaltung 2 angeschlossen.
Eine solche Parametersteuerschaltung führt im Prinzip einen gewissen Vergleich zwischen Ausgangssignalen durch, in diesem Fall aus der Akustikverzögerungskompensationsschaltung 2, und bestimmt, auf welche Weise Steuerwerte eingestellt werden müssen, um die Schaltungen zu steuern, in diesem Fall ein steuerbares Filter 4. Üblicherweise werden diese Einstellwerte integriert, um die Steuerparameter zu erzeugen, die zur Steuerung steuerbarer Vorrichtungen, Schaltungen oder dergleichen verwendet werden können. Wie bereits gesagt wurde, umfaßt diese adaptive Phasenanpassungsschaltung 2 wenigstens ein steuerbares Filter 4, das in wenigstens einem der wenigstens zwei Mikrophonkanäle innerhalb der adaptiven Phasenanpassungsschaltung 1 enthalten ist.
Vorzugsweise jedoch verwendet man zusätzliche Filtereinrichtungen 5 und 6, die an die Ausgangsanschlüsse der adaptiven Phasenanpassungsschaltung angeschlossen und vor der Akustikverzögerungskompensationsschaltung 2 angeordnet sind. Es kann vorteilhaft sein, Hochpaßfilter vor der Akustikverzögerungskompensationsschaltung zu verwenden, um DC-Komponenten zu entfernen. Dies will nämlich das Amplitudenspektrum für die tiefsten Frequenzen ein wenig ändern.
Andererseits könnte das steuerbare Filter 4 entweder ein Allpaßfilter oder ein Hochpaßfilter sein. Dieses Filter könnte die Phasenanpassung und gleichzeitig im Fall eines Hochpaßfilters auch die Eliminierung jeglicher DC-Komponenten durchführen.
Wie man in 3 sieht, enthält die Akustikverzögerungskompensationsschaltung 2 eine weitere Parametersteuerschaltung 7, die an die Ausgangsanschlüsse g, h der Schaltung angeschlossen ist und eine steuerbare Verzögerungsvorrichtung 8 steuert, die in wenigstens einen der wenigstens zwei Mikrophonkanäle zwischen Eingangsanschlüssen e, f und Ausgangsanschlüssen g, h eingefügt ist.
Allerdings ist es sicherlich vorteilhaft, eine adaptive Empfindlichkeitsanpassungsschaltung 9 vor der adaptiven Phasenanpassungsschaltung 1 wie in Verbindung mit den 1 bis 3 beschrieben zu verwenden. Wenn man die Empfindlichkeitsanpassung abhängig macht von den Signalen nach der Phasenanpassung, wie in 5, können Amplitudenfehler, die verursacht werden durch Filter vor der Phasenanpassung oder durch die Phasenanpassung selbst, kompensiert werden. Diese Kompensation kann bei gewünschten Frequenzen oder Frequenzbereichen erfolgen. Allerdings kann eine Kompensation auch beispielsweise nur bei tiefen Frequenzen vorgenommen werden, was den Fehler zu höheren Frequenzen verschieben wird, wo Probleme aufgrund schlechter Anpassung weniger schlimm sind.
Wie in den 4 und 5 gezeigt, existieren zwei mögliche Vorgehensweisen, um die adaptive Empfindlichkeitsanpassungsschaltung mit der adaptiven Phasenanpassungsschaltung zu kombinieren. Wie nun detaillierter beschrieben wird, umfaßt die in 6 gezeigte adaptive Empfindlichkeitsanpassungsschaltung 9 mit Eingangsanschlüssen i, j, Ausgangsanschlüssen k, l und Steueranschlüssen m, n im wesentlichen zwei Pegeldetektoren 10 und 11, die an Steueranschlüsse m, n und somit an die Ausgangsanschlüsse k, l angeschlossen sind, um die Signalpegel in den wenigstens zwei Mikrophonkanälen zu bestimmen, gefolgt von einer Parametersteuerschaltung 12, die einen gewissen Vergleich der zwei Signalpegel durchführt und bestimmt, in welcher Weise die Verstärkung eines steuerbaren Verstärkers 13 eingestellt werden sollte, um die zwei Signalpegel möglichst gleich zu machen.
Eine andere Möglichkeit, die zwei adaptiven Anpassungsschaltungen zu kombinieren, ist speziell in 5 gezeigt, wo die Ausgänge der adaptiven Phasenanpassungsschaltung 1 Steueranschlüssen m, n der adaptiven Empfindlichkeitsanpassungsschaltung zugeführt werden, um zusätzlich die adaptiv angepaßte Phasenbeziehung auch der adaptiven Empfindlichkeitsanpassungsschaltung zuzuführen.
Auch im Fall der adaptiven Empfindlichkeitsanpassungsschaltung 9 kann es vorteilhaft sein, Filtereinrichtungen 14, 15 vor den Pegeldetektoreinrichtungen 10, 11 anzuordnen. Diese Filter könnten dann verwendet werden, um ebenfalls jegliche möglichen DC-Komponenten zu eliminieren. Es kann daher wünschenswert sein, die Filter 14, 15 derart auszuwählen, daß sie auf spezielle Frequenzen (typischerweise die tiefen Frequenzen) fokussiert sind. Jede andere Auswahl gemäß unterschiedlicher Frequenzbänder ist ebenfalls möglich.
Mit dem erfindungsgemäßen neuartigen Schaltungsaufbau konnten eine adaptive Phasen- und Empfindlichkeitsanpassung erzielt werden, ohne daß die Verwendung irgendwelcher zusätzlichen Signale erforderlich war, und zwar durch Verwendung der jederzeit bei den Mikrophonen vorhandenen akustischen Signal.
Alle in den einleitenden Seiten genannten Ziele der Erfindung konnten mit dem offenbarten Schaltungsaufbau erreicht werden.

Claims

Hörhilfe mit einer steuerbaren Richtungscharakteristik, umfassend wenigstens zwei voneinander beabstandete Mikrophone (Mic 1, Mic 2) in wenigstens zwei Mikrophonkanälen, wenigstens eine Signalverarbeitungseinheit, wenigstens einen Ausgangswandler und ein Richtungssteuersystem, mit einer Einrichtung zum adaptiven Anpassen der Eigenschaften von wenigstens zwei Mikrophonen, gekennzeichnet durch eine adaptive Phasenanpassungsschaltung (1) mit Eingangsanschlüssen (a, b) und Ausgangsanschlüssen (c, d), die in die wenigstens zwei Mikrophonkanäle eingesetzt ist, wobei die Ausgänge (c, d) der adaptiven Phasenanpassungsschaltung (1) an eine Akustikverzögerungskompensationseinrichtung (2) angeschlossen sind, auf die eine Parametersteuerschaltung (3) folgt, deren Ausgabe einer steuerbaren Filtereinrichtung (4) zugeführt wird, die in wenigstens einen der wenigstens zwei Mikrophonkanäle innerhalb der adaptiven Phasenanpassungsschaltung eingesetzt ist.
Hörhilfe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Filtereinrichtung (5, 6) vor der Akustikverzögerungskompensationseinrichtung (2) vorgesehen ist.
Hörhilfe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Akustikverzögerungskompensationseinrichtung (2) mit Eingangsanschlüssen (e, f) und Ausgangsanschlüssen (g, h) eine Parametersteuerschaltung (7) zum Steuern einer steuerbaren Verzögerungseinrichtung (8) umfaßt, die in wenigstens einen der wenigstens zwei Mikrophonkanäle zwischen jeweiligen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen der Akustikverzögerungskompensationseinrichtung eingesetzt ist.
Hörhilfe nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Hinzufügung einer adaptiven Empfindlichkeitsanpaßschaltung (9) vor der adaptiven Phasenanpaßschaltung (1 ), die an die wenigstens zwei Mikrophone (Mic 1, Mic 2) und die jeweiligen Mikrophonkanäle angeschlossen ist, umfassend Eingangsanschlüsse (i, j), Ausgangsanschlüsse (k, l) sowie Steueranschlüsse (m, n), wobei die adaptive Empfindlichkeitsanpaßschaltung für jeden Mikrophonkanal und an die Steueranschlüsse (m, n) angeschlossen eine Pegeldetektoreinrichtung (10, 11) umfaßt, auf die eine Parametersteuereinrichtung (12) zum Steuern eines steuerbaren Verstärkers (13) folgt, der in wenigstens einem der zwei Mikrophonkanäle angeordnet ist, um jegliche Empfindlichkeitsdifferenz der wenigstens zwei Mikrophone zu beseitigen.
Hörhilfe nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine vor der Pegeldetektoreinrichtung (10, 11) angeordnete Filtereinrichtung (14, 15).
Hörhilfe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe der adaptiven Phasenanpaßschaltung (1) den Steueranschlüssen (m, n) der adaptiven Empfindlichkeitsschaltung (9) zugeführt wird.
Verfahren zum Betrieb einer Hörhilfe mit steuerbarer Richtungscharakteristik, umfassend wenigstens zwei voneinander beabstandete Mikrophone in wenigstens zwei Mikrophonkanälen, wenigstens eine Signalverarbeitungseinheit, wenigstens einen Ausgangswandler und ein Richtungssteuersystem sowie eine Einrichtung zum adaptiven Anpassen der Phase der wenigstens zwei Mikrophone durch Zuführen der Ausgangssignale der adaptiven Phasenanpaßschaltung zu einer Akustikverzögerungskompensationseinrichtung zum Bestimmen eines Parametersteuerwerts zur Steuerung einer steuerbaren Filtereinrichtung, die in wenigstens einen der wenigstens zwei Mikrophonkanäle innerhalb derselben adaptiven Phasenanpaßschaltung eingesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Filtern der Ausgangssignale der adaptiven Phasenanpaßschaltung, bevor die gefilterten Ausgangssignale der Akustikverzögerungskompensationseinrichtung zugeführt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 und 8, gekennzeichnet durch ein Rückkoppeln der Ausgabe der Akustikverzögerungskompensationseinrichtung zum Bestimmen aktualisierter Parameterwerte und Verwenden derselben zur Steuerung einer steuerbaren Verzögerungseinrichtung, die innerhalb der Akustikverzögerungskompensationseinrichtung in wenigstens einen der wenigstens zwei Mikrophonkanäle zwischen den jeweiligen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen eingesetzt ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 bis 9 zum Anpassen der Eigenschaften der wenigstens zwei Mikrophone der wenigstens zwei Mikrophonkanäle hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit und/oder ihres Phasenverhältnisses durch Zuführen der Ausgangssignale der wenigstens zwei Mikrophone zu einer adaptiven Empfindlichkeitsanpaßschaltung, auf die eine adaptive Phasenanpaßschaltung folgt, und Rückkoppeln der Ausgangssignale der adaptiven Empfindlichkeitsanpaßschaltung zu einem Steuereingang derselben adaptiven Empfindlichkeitsanpaßschaltung.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch das Filtern des Ausgangssignals der adaptiven Empfindlichkeitsanpaßschaltung, bevor es den Steueranschlüssen derselben adaptiven Empfindlichkeitsanpaßschaltung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch das Filtern des Ausgangssignals der adaptiven Empfindlichkeitsanpaßschaltung für jeden Mikrophonkanal, Zuführen jedes der entsprechenden Ausgangssignale zu einem Pegeldetektor und Vergleichen der zwei resultierenden Pegel, Verwenden des Resultats des Vergleichs zum Anpassen und Aktualisieren der Verstärkung in wenigstens einem der zwei Mikrophonkanäle, um eine Identität der zwei Signalpegel zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch das Rückkoppeln des Ausgangssignals der adaptiven Phasenanpaßschaltung zu den Steueranschlüssen der adaptiven Empfindlichkeitsanpaßschaltung.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch das Filtern des Ausgangssignals der adaptiven Phasenanpaßschaltung, bevor es den Steueranschlüssen der adaptiven Empfindlichkeitsanpaßschaltung zugeführt wird.