应用于助听器指向性设计方法

钟灏然

华米（深圳）信息科技有限公司   广东省深圳市510000

摘要：指向性麦克风是助听器的一项重要指标，也是声信号处理过程中唯一能提高信噪比的一种方法；随着用户需求的提高与技术的发展 ，越来越多的麦克风阵列技术得以运用，选用合适的指向性麦克风可以提高听障人士的助听体验。指向性麦克要求前后麦克风有一定的距离，因此一般在耳背式助听器、和耳内式才能实现较好的指向性效果。

关键词：助听器；指向性；麦克风；信噪比

引言

耳聋已经成为世界性难题。对于耳聋听障患者来说，选配一款适合自己的数字助听器是帮助其改善听力的最佳方法。大多数听障患都是老年人，随着年龄的增大，听力衰退，基本都属于典型感音神经性听力损失，系外毛细胞功能受损所致，当在噪声环境下交谈时，他们比听力正常者听到的有效声音信噪比低，更难听清语音，严重影响其对语意的理解。在噪声环境中，听障碍患者与正常人相比需要更多的信噪比才能获得必要的言语可懂度和清晰度。目前公认提高言语清晰度的方法之一是通过方向性技术提高信噪比。试验表明，信噪比每提高1dB，言语清晰度将潜在提高10%。而无指向性功能的助听器对噪声和言语同时等量的放大，无法达到提高信噪比的目的。

1系统设计

1.1单麦克指向性技术

单麦克风指向性技术是指通过一个麦克风设计特殊的进声结构而来。该类麦克风内含两个进声孔，两个进声孔有一定距离，通过且中间有横隔机械振膜隔离开。该项技术的关键点一个麦克风均有两个进声孔，分别是前进声孔和后进声孔，后进声孔内设声学延迟装置（阻尼器）、以及反相器。如图1所示

图1 单麦克风指向性架构图

单麦克风指向性工作原理为当助听器后方的声音声波A进来首先经过后进声孔，而后进声孔内有延迟装置，声波A信号被延迟，像这种延迟信号一般称为内部延迟。同时另一部分声波B经过前进声孔，但由于两个进声孔存在一定距离，将此类声音从后进声孔到前进声口信号所需的时间称之为外部延迟。

此时前后进声孔采集的声音存在相位差，反相器将后进声孔采集的声音取反，当内部延迟=外部延迟时，前后进声孔的声音进行叠加，后方声音被抵消，从而达到指向性拾音功能。

1.2双麦克风指向性技术

双麦克风技术是通过两个全向性麦克风，以及结合DSP的内部延迟装置来实现指向性拾音功能。两个麦克一般采用相同型号MEMS，同时两个麦克风需要进行灵敏度和相位匹配，以保证实现良好的指向性功能。换言之，双麦克风指向性功能实现即依赖于两个麦克风的配合，还需要DSP平台支持两路麦克风的信号输入。以下为双麦克风指向性架构图。如图2所示

图2 双麦克风指向性架构图

双麦克风指向性原理跟单麦克风指向性原理接近，不同的时双麦克延时是通过DSP内部电子延迟装置实现。通过调整DSP内部电子时延，可以实现不同的指向性需求。

双麦克风指向性的好处是由于后置麦克的电子延迟时通过DSP控制实现，用户就可以根据使用场景需要进行全响性和指向性开启和关闭。当后置麦克风电子延迟（内部延迟）关闭时，此时助听器工作在全向性状态，适用于安静场景下使用；当当后置麦克风电子延迟（内部延迟）=外部延迟时，助听器处于心形指向性状态，适用于噪音环境下面对面交流。全向性和心形指向性极性图如图3所示

图3 全响性和指向性极性图

2测试方案

助听器测试一般采用助听器电声分析仪FONIX进行电声参数测试，该设备作为研发端助听算法验证、质量检验，业界认可度较高。助听器指向性测试也可通过助听器电声分析仪FONIX进行测试，测试方法可以从0°开始扫频测试，步进30°，旋转到330°，共计测试12组数据，从而得到不同角度下的助听器实际放大量，即可绘制助听器指向性极性图，从而评估助听器指向性效果。指向性测试方案示图如图4所示

图4  指向性测试方案示图

除了要绘制助听器指向性极性图外，还需要计算出极性图指向性系数,指向性系数是衡量助听器指向性功能的重要指标，是指目标方向声音灵敏相较其它方向平均灵敏度的差异，用分贝（dB）表示。更确切地说，在噪声环境中，更高的指向性指数意味着麦克风对这些声音（非目标方向）的灵敏度更低，则带来的效果是目标方向的信噪比越高。同时指向性是三维存在，但前面提到的指向性测试方案是通过二维测试，所以也可以通过二维的方式来计算指向性系数。具体计算方法为：指向性系数=目标方向的增益 - 其他360度方向增益的均差。各种极性图指向性系数图表1所示

极性图	全向性	心形	超心形
指向性系数	0dB	4.8dB	5.7dB

表1  极性图指向性系数表

3结构设计要点

关于助听器指向性麦克风设计也非常重要，结构设计是否合理直接会影响助听指向性拾音效果，以下是必须遵循的设计原则。

第一点是前后麦克风相对位置：要求助听器佩戴到用户耳朵上时，前后麦克风必须在同一水平面上，且朝向正前方。当指向性功能开启后，助听器后置麦克风内部延迟等于前向麦克风外部延迟时，即可对后面声音进行衰减，从而达到提高信噪比的效果。前后麦克风相对位置如图5所示

图5 前后麦克风相对位置

第二点是两个麦克风的绝对距离：两个麦克风之间的距离要尽可能的远，如果太近容易导致低频滚降影响用户听感。声音从正前面传来，无论声信号的频率高低，前后麦克风采集的声信号到达反向器的总延迟为外部延迟+内部延迟。低频声波波长长，高频声波波长短，在相同的时延下，信号频率越低则后麦克输出在相位上的滞后越少，即前后两个麦克风信号越相似，抵消的越多，低频衰减就会越多。因此，改变低频滚降可以适当加大两个麦克风距离，提升外部时延，则相位差会越大，低频抵消越少。

4总结和展望

在嘈杂的环境中无法理解言语是听障患者面临的一个重大问题。全向性助听器在安静的情况下工作良好，因为安静环境下语音响度远高于背景噪音响度，信噪比很大，语音可以得到很好放大。相反，当用户需要在嘈杂的环境中听清楚语音，如聚会、酒吧和会议等嘈杂的环境中，全响性助听器不能起到很好的改善作用。虽然频谱滤波降噪算法可以一定程度降低背景噪声，单纯降低背景噪声很难有效提高语音清晰度。然而，针对不需要的噪声源，包括后方噪音和房间噪声，可以通过使用指向性助听器的空间位置进行减弱，从而达到提升信噪比和言语清晰度的目的。随着技术的发展，自适应麦克技术技术也得到运用，相信在不久的将来，自适应麦克技术会有更全面的发展，为听障用户带来更好的助听体验。

结束语

本文研究单双麦克风的指向性工作原理作为切入点，说明了双麦克指向性灵活的高于单麦克指向性，单麦克风仅有一种极性图，双麦克风可以配置内部延迟从而改变极性图，以便适配不同使用场景。讲解了助听器指向性测试方案和指向性系数计算方法，说明了指向性系数的重要性。麦克风结构设计也提出两点设计思路，第一是前后麦克风的绝对位置不能偏移，第二是前后麦克风间距越大可以适当降低低频滚降。开发一款优秀的助听器离不开每一个细节的精益求精，用心去做，用心研究是每一个助听器工程师的宗旨。

参考文献

[1]荆丽.数字助听器中语音增强方法的研究[D].东南大学,2014

[2]薛阳阳.数字助听器的降噪方法研究[D].东南大学,2015

[3]李宁.基于差分麦克风阵列的方向性声学指数研究[D]. 南京理工大学,2019