SE436533B - Sett att dempa/eliminera transienta ljud samt transienteliminator for genomforandet av settet - Google Patents

Description

â-ZGÛWZ-Z Fram till 1810-talet har bullermåtningar och därtill hörande risknormer baserats på dBA-nivån där presentationen (visaren) uppvisar en tidskonstant pâ ca 35 ms. vilket ungefär motsvarar hela vårt subjektiva hörselsinnes tidskonstant, dvs. man möter vad som subjektivt upplevs (hörs) och inte det som verkligen skadar. Det år så att den mekaniska delen av våra hörselorgan (från ytteröra t.o.m. basilarmembran) har en betydligt kortare tids-konstant, ca 20-50 us. vilket förklarar att även ljud som ej upplevs speciellt starkt (pJg.a., den långa 'integrationstiden i hjärnan) kan mekaniskt skada basilarmembranet, då- de momentana svångningsamplituderna kan vara mycket höga även om durationen av ljudet är så kort att det upplevs som svagt. Iransienter och ljud med höga peakfaktorer uppvisar ovanstående egenskaper. Detta innebär att det ej enbart år den sammanvägda medelljudenerginivån id8A-nivån). utan i högre grad ljudets egenskaper i tidsplanet, som speglar ett ljuds skadliga inverkan på hörseln.

Det mänskliga örat är följdaktligen ej konstruerat för att tåla de transienta ljud, som vår industrialiserade värld idag skapar. De personer som råkat ut för en grav hörselnedsättning ordineras vanligen någon form av hörapparat.

En hörselnedsâttning innebär förhöjd "hörtröskel"¿ "0behagsnivån“ ligger dock kvar på samma nivå som hos ett normalt öra. och kan till och med i vissa fall även ligga på en lägre nivå. Härvid reduceras dynamiken (se figur 5). Det streckade området D representerar förstärkningsbehovet för relativt svaga ljud. Vid en given frekvens visar pilen A dynamiken hos ett normalhörande öra och pilen B dynamiken vid ' en hörselnedsâttning där obehagsnivån C även skjunkit något.

Medelförstärkningsbehovet kan exempelvis vara' 20 dB. Detta innebår_att även starka ljud förstärks i en sådan hörapparat med 20 dB. vilket ger kraftigt obehag och en väsentlig risk för ytterligare hörselskador. Resultatet blir att patienten sänker hörapparatens ~förstärkningen. _vilket ger sämre taluppfattbarhet. Då det även år ett faktum_ att elektrisk 8200702-2 behandling av ljudet aldrig kan ge samma behaglighet och törmâga till riktningshörsel som utan hörapparat (vid samma ljudtryck), har det visat sig att 60-802 av patienterna väljer att lägga apparaten i byrålâdan. Moderna hörapparater söker reducera problemet med den minskade dynamiken genom olika kompressorsystem bestående av exempelvis en AGC (Automatic Gain Control). Psykoakustiska mätningar har visat att kompressorapparaterna uppvisar bättre taluppfattbarhet men har i gengäld sämre behaglighet än en konventionell hörapparat utan kompressorfunktion. Detta beror på att kompressorerna är frekvensselektiva och behöver en viss integrationstid (attacktid) > 0.5 ms, vilket gör att de höga amplituderna i början av transienten går igenom hörapparaten med en betydligt högre förstärkning än vad som är acceptabelt. Vid låga ljudnivâer är kompressorapparaten dessutom mer brusig än en konventionell hörapparat. man bör i sammanhanget även notera att elektroniken i slutsteget överstyrs vid kraftiga momentannivâer, övilket medför. dels distorsion. dels att resonanser i elektroniken förlänger och förstärker transienta ljud.

Transienters hörselskadliga inverkan samt den obehags- upplevelse som dessa ger upphov till kan ej lösas med känd hörapparatteknik.

Det är sedan länge känt, dock ej idag utnyttjat. att transienter kännetecknas av mycket höga derivator. Derivatan är den egenskap i tidsplanet vilken speglar det som amplitudspektrum i Frekvensplanet ej kan visa. utan hjälp av fasspektrum. vilket i sin tur i praktiken är omöjligt att mäta. Studier har visat att diskriminationen mellan tal och transienta ljud ökar med 6-10 dB genom att derivera ljudsignalerna. Genom att integrera den halv- eller helvågs-likriktade derivatorn erhålls ytterligare förbättrad diskrimination.

Hörapparater med olika former av transienteliminering är sedan tidigare kända. En sådan beskrivs exempelvis i den danska patentpublikationen nr 124439. Den visar en hörapparat vilken %2ÜQ'?02-2 förutom mikrofon, Förstärkare och hörtelefon innefattar Ken elektronisk krets för differentiering av inkommande signal.

Den uppvisar ett flertal nackdelar. Bl.a. bryter den ljudsignalen till hörtelefonen fullständigt vid detektering av en transient vilket orsakar att nya transienter skapas i "flankerna". Ekoeffekter uppstår vid återinkopplingen av hörtelefonen på grund av att transienterna som förorsakat avbrottet har betydande efterklang I>100 ms). Den totala avsaknaden av ljud under avbrottsperioderna upplevs som obehagliga. Denna hörapparat måste betraktas som en primitiv konstruktion och âr i praktiken ej användbar.

Ytterligare nackdelar är att ett relativt högt tröskelvärde på transientsignalens nivå, måste -sättas på grund av diskriminationsproblem mellan "grundtonen" .i tal (som är av transient karaktär) och de icke önskvärda transienterna. Den beskrivna hörapparaten uppvisar 7 dessutom enbart momentanvärdestriggning. vilket kräver mycket snabba komparatorer vilket i praktiken år i det närmaste omöjligt att åstadkomma. Slutligen skall även påpekas att- dåmparen ej år återtriggningsbar utan ljudavbrottets' längd är en gång för alla bestämt och kan alltså ej påverkas av att flera transienter uppstår exempelvis precis innan ljudet återinkopplas. Detta medför att efterklangen kan bli besvärande. !! f; s g u I l sl!-V l Ia ! I Ändamålet med föreliggande uppfinning år att erbjuda ett sätt att dämpa/eliminera transienta ljud. ' företrädesvis vid hörapparater avsedda för hörselskadade eller för hörselskydd. varvid derivatan för inkommande ljudsignal beräknas som eliminerar dessa nackdelar och detta har åstadkommit: genom att ljudsignalens medelderivata styr dämpningen/elimineringen av de i ljudsignalen uppträdande skadliga obehagliga transienta ljuden. Dessutom har uppfinningen till ändamål att åstadkomma en transienteliminator för genomförande av sättet och som år I driftsâker och enkel att använda.

Transienteliminatorn skall. på ett för användaren behagligt 8-200702-2 5 sätt; eliminera/dämpa skadliga/obehagliga transienta ljud men ändå tillåta icke skadliga ljud att passera. t.ex. normala samtal och som kännetecknas av att en omvandlare är anordnad i signalbehandlingsenheten och inrättad att konvertera den från derivatorn avgivna medelderivatan~/differentialen till en styrsignal. vilken är anordnad att proportionellt styra en därför anordnad dämpare på så sätt att skadligafobehagliga transienta ljud uppträdande i den till mikrofonen tillförda ljudsignalen dämpas/elimineras. . . _ .

Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas i ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar.

Figur 1 visar i ett blookschema en uppfinningsenlig transienteliminator.

Figur 2a-c visar närmare i. detalj olika alternativ av en omvandlare.

Figur 2d visar ett uppkopplingsexempel på en "ideal diod", Figur 3 visar en analog dämpare.

Figur 4a~c visar signaldiagram.

Figur S visar ett diagram vilket beskriver hörselns frekvensberoende i kombination med hörselnedsättning.

Beskrivning av utfëringsexgmggl Den i figur 1 schematiskt visade. uppfinningsenliga, transienteliminatorn innefattar en mikrofon 1, vilken omvandlar detekterade ljud till elektriska signaler. en signalbehandlingsenhet 2 för behandling av inkomande elektriska signaler samt en hörtelefon eller högtalare 3 för konvertering av de färdigbehandlade elektriska signalerna till ljud.

Signalbehandlingsenheten 2 består av ett flertal kretsdelar varav flertalet år utförda som integrerade kretsar i komplementär HOS-teknik. Detta utförande garanterar en låg strömförbrukning vilket ger förhållandevis långa 820070242 driftsperioder mellan batteribytena. Denna teknik år dessutom enkel att integrera-till små dimensioner vilket -är mycket viktigt när det gäller hörapparater. Dessa måste vara miniatyriserade av estetiska och praktiska skäl. Mikrofonen 1 år ansluten till en första förstärkare 4 vars utsignal tillföras dels en fördröjningskrets 5 och dels en derivator 6.

Fördröjningskretsen 5. som år utförd i s.k. CCD-teknik (Charge Coupled Devices). “klockar" fram informationen. som tillförs ingången. till utgången i takt med den interna oscillatorns (ej visade) frekvens. Till utgången på fördröjningskretsen 5 âr en dämpare 7 ansluten vars dämpning styrs av en omvandlare 8. Fördröjningskretsen 5 är alltså anordnad att fördröja insignalen till dåmparen 7 så att en maximal dämpning kan erhållas vid transienternas högsta passager. Derivatorn 5 är anordnad att derivera inkommande ljudsignal och tillföra den resulterande signalen till omvandlare 8.

CCD-tekniken. som nämnts ovan. är en kombination av analog och digital teknik vilket gör AID- och D/A-omvandlare samt minnen överflödiga. Tekniken går ut på att den analoga signalen samolas in i en analog samplingskedja med en viss frekvens.

Tas signalen ut efter N sampel och klockfrekvensen är f erhålles en fördröjning på tli sN/f. Tidsfördröjningar av elektriska signaler" kan i och för sig utföras på många olika sätt. men då det gäller hörapparater måste storlek och energikonsumtion beaktas. Av denna anledning har CCD-tekniken valts i detta utföringsexempel med vilken -teknik valfria fördröjningar från några /ßs till åtskilliga ms kan åstadkommas.

Efter fördröjningskretsen 5 och dämparen 7 är anordnat dels ett lågpassfilter (LP-filter) 8, vars grånsfrekvens exempelvis kan sättas till 10 kHz, dels en signalkontrollenhet 10, med vilken den behandlade signalen kan .valfritt justeras med avseende på ton och volym. En slutförstärkare 11 är anordnad mellan signalkontrollenheten 10 och högtalaren 3.

I figur 2a visas, närmare i detalj. den i figur 1 såsom ett block visade. omvandlaren 8. Den innefattar. i en första 8200702-2 utföringsform, en diod 13a seriekopplad med ett första motstånd 14. Dioden 13a likriktar inkommande signal och åstadkommer, genom sitt framspänningsfall. en begynnelsetröskel för dämparens 7 analoga arbetsområde. En kondensator 15 och ett motstånd 15 är vidare parallellkopplade och anslutna till apparatjord. Motståndet 14, resistansen i dioden 13a och kondensatorn 15 bildar, då dioden 13a är framspänd, en RC-krets vars tidskonstant fortsättningsvis benämnes Ton _ Motståndet 16 och kondensatorn 15 bildar på liknande sätt en RC-krets med en tidskonstant Toçç. då dioden 13a är backspänd.

Omvandlaren B innefattar även en externt justerbar kontrollkrets 16 med vilken dämparen 7 helt eller delvis kan kopplas ur. I vissa miljöer där störande transienter år mycket ovanliga t.ex. i en föreläsningssal. kan det vara lämpligt att minska inverkan från dämparen 7.

Figur 2b och 2c visar alternativa utföringsformer varvid en A/D-omvandlare 19 år anordnad Före kontrollkretsen 18, och vilken A/D-omvandlare 19 är ämnad att omvandla den analoga signalen till en digital signal. Denna digitala signal används För styrning av en digitalstyrd dämpare vilken kan utnyttjas i stället för den tidigare nämnda analoga dämparen T. Fördelarna med att använda en digitalstyrd dämpare (multiplicerande DAC). är att den är lätt att göra logaritmisk, är lätt att integrera samt att den inte kräver någon kritisk intrimning.

I figur; 2c visas en omvandlare 8 försedd med en "ideal diod" 13b och en "sann“ integrator. En ideal diod 13b kan exempelvis bestå av bl.a en operationsförstärkare och två dioder (se figur 2d). Genom att en sådan "ideal diod" uppvisar låg impedans vid sin utgång blir tidskonstanterna Ton och Tar; ungefär lika stora. Med denna utföringsform erhålles ej den fördelaktiga tröskelnivån vilken erhölls när enbart en vanlig diod användes.

En uppfinningsenlig dämpare 7 av analog typ visas närmare i detalj i figur 3. Den innefattar en förstärkare 20. ett 82Û07Û2-2 motstånd 21 samt en fälteffekttransistor 22.

Gmvandlaren 8 konverterar alltså derivatan/differentialen till en. för ändamålet avpassad, styrsignal vilken styr dämparen 7 som dämparleliminerar ljudsignalenltransienten proportionellt.

Styrsignalen utgöres härvid av ljudsignalens “medelderivata".

Med medelderiveta 'avses att derivatan hel eller halvvågslikriktas och tillföras . ett integrationsnåt.

Tidskonstanterna i integrationsnätet Ton och Tgfp behöver ej vara lika stora. I det här beskrivna utföringsexemplet (fig 2a. 2b) är flmungefâr lika med 1-4 ms och Tag betydligt större dock mindre är 200 ms (se streckade linjen B i figur Ab). I utföringsexemplet enligt figur '2c är T on =Tg{T vilket betraktas såsom "sann" integrering. Med proportionell dämpning menas här att dämpningen år en linjär. eller logaritmisk. funktion av potentialen över kondensatorn 15 i figurerna 2a-2c. Genom att införa en tidskonstant vid "attack". Ton = värdet på diodens 13a resistans + värdet på motståndet 16 multiplicerat med värdet på kondensatorn 15, erhålles mycket god diskrimination mellan tal och skadliga transienter. Ett lämpligt värde på Tgq har befunnits vara 1-4 ms vid vilken tidskonstant god diskrimination har erhållits mellan tal och _skadliga transienter. Stora vården på Ton innebär samtidigt att fördröjningstiden i Fördröjningskretsen 5 måste ökas.

Används en CCD-delay line år detta inget problem. Om man enbart vore intresserad av att dämpa mycket starka. hörselskadliga. transienter kan Ton sättas ungefär lika med 0 sek. Med Ton = 1-4 ms blir dock hörapparaterna betydligt behagligare att bära utan att mera elektronik behöver introduceras.

"Slåpptiden“, d.v.s. dämpningens avtagande, som bestäms av tidskonstanten Tag = värdet på motståndet 16 multiplicerat med värdet på kondensatorn 15. bör göras betydligt större än Tbn, då annars styrsignalen kommer att innehålla mycket rippel. Det har dessutom visat sig att dämpningen i slutet av en transient bör vara något större än envelopen på derivatan för att ge en behaglig ljudbild. Då styrsignalen B har ett högre värde än tröskelnivån (markering C i figur kb) kan dämpningen lämpligen 8200702-2 vara maximal. exempelvis 30 dB.

I figurerna 4a-c visas olika diagram där de vertikala axlarna visar signalamplitud och de horisontella axlarna visar tid.

Kurvan åskådliggjord i figur La visar ett typiskt utseende av en deriverad talsignal där karakteristiska transienter förekommer med jämna* intervall. Dessa transienter har förhållandevis låg amplitud men kan ändå "trigga" en transienteliminator vars detektering enbart sker genom tröskeldetektering, d.v.s. även vanlig samtalston kan få en sådan hörapparat att bryta ljudet till örat. Risken för att ett vanligt samtal skall aktivera transienteliminatorn enligt föreliggande uppfinning är mycket liten då det är medelvärdet av den deriverade signalen som styr dämpningen av signalen.

I figur kb visas närmare i detalj hur en transient signal detekteras i föreliggande uppfinning. Den streckade linjen B visar potentialen över kondensatorn 15 vilken ökar med tiden då en transient med ett flertal översvängar detekteras. Det är härvid viktigt att tidskonstanten Ton är betydligt mindre än tidskonstanten 1'0çç så att tillräckligt snabb stigtid erhålles.

I figur hc visas ett sammansatt diagram med tre horisontella tidsaxlar. Detta förenklar tidsjämförelse av de olika visade signalerna. Den översta visar schematiskt formen på en transient signal som den kan tänkas se ut efter att ha passerat ¥örstärkaren 4 i signalbehandlingsenheten 2. På den mellersta tidsaxeln visas samma signal efter tidsfördröjning i tidsfördröjningskretsen 5, d.v.s. den signal som tillföras dåmparen 7. På den nedersta tidsaxeln visas styrsignalen från omvandlaren 8 till dämparen T, d.v.s. medelderivatan av den inkommande signalen. Härvid framgår hur ljudsignalens medelderivata snabbt höjs så att maximal dämpning erhålles i dämparen 7 då transienten passerar. För att undvika obehagliga "eko-effekter" orsakade av transientens efterklang tillåtas dämpsignalen endast att sakta avta med tiden.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till ovan 3200702-2 10 beskrivet utföringsaxempsl utan ett flertal alternativa utföringsformer är tänkbara _inom ramen för patentkravens skyddsomfång.

Claims (2)

8200702-2 PATENTKRAV

1. Sätt att dämpa/eliminera transienta ljud. föreLrådesvis vid hörapparater avsedda för hörselskadade eller för hörselskydd. varvid derivatan för inkommande ljudsignal beräknas, kännetecknad därav. att ljudsignalens medelderivata styr dämpningen/elimineringen av de i ljudsignalen uppträdande skadliga/obehagliga trans- ienta ljuden.

2. Transienteliminator för genomförande av sättet enligt patentkrav 1. d.v.s. för dämpning av transienta ljud. innefattande en signalbehandlingsenhet (2) vilken bl.a. består av en mikrofon (1). elektriskt ansluten till en förstärkare (4). en derivator (6) och en fördröjningskrets (S). båda anslutna till förstärkaren (4) samt en högtalare (3). kånnetecknad därav. att en omvandlare (8) är ansluten till derivatorns (B) utgång och anordnad att konvertera den från derivatorn (6) avgivna momentanderivatan till en medelderivata utgörande en styrsignal. att en dämpare (7) är ansluten dels till fördröjningskretsens (5) utgång och dels till omvandlarens (8) utgång. varvid dämparen (7) är anordnad att proportionellt mot styrsignalen från omvandlaren (8) styra dämpningen av signalen från mikrofonen (1). överförd via förstärkaren (4) och fördröjningskretsen (5). på så sätt att skadliga/obehagliga transienta ljud uppträdande i den till mikrofonen (1) tillförda ljudsignalen dämpas/elimineras.