Характеристики слуховых аппаратов

05 Марта в 1:38 5689 0


Успехи в технологии разработки СА определяются, прежде всего, совершенствованием их компонентов, что выражается в улучшении акустических и электрических характеристик, а также в миниатюризации и повышении надежности компонентов.

Упрощенная схема СА
Упрощенная схема СА

Источники питания

Как правило, чем больше усиление и выходной УЗД насыщения СА, тем большей должна быть емкость батареи и, соответственно, большим ее размер. Наиболее распространенными являются воздушно-цинковые батареи (до 63%), в то время как ртутные не превышают 36%, хотя и намечается тенденция к их вытеснению.

Применение других типов батарей - оксид-серебряных или никель-кадмиевых - весьма ограничено. Основным отличительным свойством батарей слуховых аппаратов является относительно пологая характеристика их разряда. Это означает, что в течение жизни батареи она не разряжается резко. Емкость батареи измеряется в мА/час.

При известном разряде тока жизнь батареи определяется по формуле: емкость, деленная на разряд тока. Формула эта справедлива для усилителей типа А, так как разряд тока постоянен и не зависит от установки громкости или входного уровня. В усилителях же типа Б время жизни батареи установить достаточно сложно.

В данном классе усилителей разряд тока - величина непостоянная. Кроме того, разряд имеет большие значения при высоких входных уровнях, высоких уровнях усиления, высоких уровнях окружающего шума, а также при сдвинутом в низкочастотную область диапазоне усиления. Для усилителей класса Б (пуш-пульных, с большим усилением и уровнями выхода) обычными являются значения разряда, равные 3-15 мА.

Преобразователи

К преобразователям СА относятся микрофоны и телефоны. Они активируются одним видом энергии, преобразуя его в другую форму.

Микрофоны. Они преобразуют звуковое давление в небольшие аналоговые электрические сигналы. В микрофонах, используемых в течение десятилетий в слуховых аппаратах, применялись различные принципы, в частности, углеродные и пьезоэлектрические микрофоны (1930). Электромагнитный микрофон с низким входным сопротивлением был впервые применен в 1946 г. в карманном СА и послужил основанием для разработки в начале 1950-х годов транзисторного усилителя. Ограничения данного класса микрофонов - плохая низкочастотная характеристика ответа и относительно высокая чувствительность к механическим повреждениям и вибрации.

Начиная с 1971 г., в СА используются электретные микрофоны, что обусловлено их высокой чувствительностью, прекрасным широкополосным частотным ответом и качеством звука, небольшими размерами, надежностью, низким внутренним шумом и низкой чувствительностью к механическим вибрациям.
Категории: микрофоны, используемые в СА, могут характеризоваться как по давлению (всенаправленные), так и по градиенту давления (направленные).

К дополнительному входу, используемому в СА, относится индукционная катушка. Она используется как при разговоре по телефону, так и в помещениях с индукционной петлей.

Кроме того, в большинстве современных СА имеется аудиовход, обеспечивающий подсоединение СА к внешним источникам звуков.

Телефоны (или приемники) предназначены для преобразования усиленного электрического сигнала в акустический или вибраторный сигнал на выходе. Соответственно, различаются телефоны воздушного и костного звукопроведения.

Усилители

Усилитель предназначен для усиления слабого электрического сигнала на выходе микрофона. Нередко процесс усиления разделяется на несколько стадий. В современных СА усиление обеспечивается использованием транзисторов, которые могут рассматриваться как полупроводниковые резисторы, регулирующие ток или действующие как преобразователь. Так в СА он преобразует ток, поступающий от батареи, в требуемый на выходе ток. При этом общее усиление контролируется входным током микрофона.

Как правило, усилители, используемые в СА, представляют собой монолитные интегральные схемы или же гибридные интегральные схемы, а также их комбинации.

Схемы, используемые в СА, имеют три или более стадий усиления. Финальная выходная стадия усилителя может подразделяться на классы А, В и D.

Класс А обычно используется в СА с низким усилением и выходным УЗД, в которых пиковое усиление не превышает 50 дБ. Они имеют постоянный разряд тока вне зависимости от уровня входного сигнала.

При необходимости использования большего усиления применяются пуш-пульные СА, в которых используются усилители класса В. В них имеются два раздельных устройства, обеспечивающих усиление отрицательных и положительных циклов входной волны. При отсутствии сигнала на входе отсутствует и разряд тока. Иными словами, они более экономичны. Выходная стадия усиления данного класса усилителей теоретически может обеспечить в 4 раза большую амплитуду выходного сигнала в телефоне, по сравнению классом А. Кроме того, усилители класса В обеспечивают больший выходной уровень на высоких частотах.

Усилители класса D - в отличие от предыдущих встроены непосредственно в телефон. Это позволяет запустить телефон относительно низкими уровнями переменного тока. К преимуществам интегральных схем данного класса относятся: 1) меньшее количество элементов и размеры; 2) меньший ток; 3) более высокий уровень насыщения; 4) повышенная надежность СА, обусловленная меньшим количеством внешних связей. Однако, учитывая то, что в современных усилителях класса В также используется минимальное количество внешних связей, отмеченные преимущества относятся прежде всего к классу А.

Наконец усилители подразделяются на одно- и многополосные. Используемые до 1987 года однополосные усилители обеспечивали лишь регулировку высоких и низких частот.

Многополосные усилители аналогичны графическим эквалайзерам. Они обеспечивают раздельную регулировку усиления раздельных частотных полос.

Регулировки

Регулировкам принадлежит особая роль в изменении характеристик СА. Наиболее часто используемой является регулировка усиления, применяемая больным и представляющая собой переменное сопротивление.

Существует также триммерный контроль усиления, представляющий собой регулировку усиления, используемую специалистом.

Электронная регулировка тембра - меняет частотный ответ СА и включает набор фильтров (конденсаторов, сопротивлений). Изменения частотного ответа регулируются дискретной установкой при помощи переключателя или плавной установкой при помощи отвертки. Набор фильтров имеет диапазон от простого пассивного фильтра первого порядка до активных фильтров более высокого уровня, обеспечивающих большее низкочастотное и высокочастотное подавление, а также фильтрацию отдельных полос в многополосных СА.

Регулировка выходного уровня звукового давления (SSPL90) используется для обеспечения максимального выходного уровня, не достигающего однако порогов дискомфорта пациента. Диапазон составляет 15-25 дБ.
Другие регулировки представлены автоматической регулировкой усиления, схемами подавления обратной связи (в основном подавлением высокочастотного усиления, однако иногда и фильтрами).

Ограничивающие системы

Предназначением каждого СА является усиление слабых звуков до достаточно громкого уровня, однако, без их чрезмерного усиления, достигающего дискомфортных уровней. Каждый слуховой аппарат имеет максимально достижимый УЗД (насыщение, перегрузка), определяемый телефоном, напряжением батареи, а также усилителем. На практике, однако, ограничения преимущественно определяются усилителем. Эти уровни могут регулироваться и устанавливаться ниже уровня насыщения.

Кривые входа-выхода линейного СА
Кривые входа-выхода линейного СА

Концепция линейного усиления

Усиление линейного аппарата отображено кривыми входа/выхода.

Линейное усиление означает, что выходной сигнал всегда пропорционален входному сигналу. При увеличении входного УЗД выходной УЗД увеличивается на ту же самую величину до достижения уровня насыщения, после чего дальнейшее увеличение входного УЗД не сопровождается изменением выходного. В большинстве линейных СА насыщение достигается при уровне входного сигнала 90 дБ УЗД.

Передаточная функция (характеристики входа/выхода) всегда изображается под углом в 45° к абсциссе, если и абсцисса, и ордината имеют одинаковую шкалу. Линейное усиление может быть описано как отношение 1:1 в рабочем диапазоне, с наклоном в 45° или постоянным усилением. В подобных системах при достижении уровня насыщения имеет место клиппирование пиков.

Жесткое клиппирование
Жесткое клиппирование

Ограничение выхода путем непосредственного его регулирования.

Жесткое клиппирование

Клиппирование пиков является самым простым способом ограничения выходного уровня СА и определяется как удаление электронным путем пиков сигнала одной или обеих полярностей.

К преимуществам жесткого клиппирования относятся его конструктивная простота и малые размеры при обеспечении эффективного ограничения выхода.

К недостаткам жесткого клиппирования прежде всего следует отнести возникновение гармонических и интермодуляционных искажений над уровнем ограничения.

Мягкое клиппирование

Данный вид клиппирования является разновидностью нелинейного усиления, которое характеризуется медленным увеличением выходного уровня при увеличении входного уровня.

Мягкое клиппирование
Мягкое клиппирование

Ограничение выхода путем регулирования усиления в зависимости от времени: схемы обратной связи, преобразования, адаптивные слуховые аппараты.

Автоматическая регулировка усиления

Данные системы имеют встроенную схему, автоматически уменьшающую электронное усиление СА как функцию величины сигнала, подлежащего усилению. Усиление уменьшается, однако способ этот отличается от клиппирования. Двумя основными задачами данной системы являются: 1) снижение усиления СА при повышении входного УЗД таким образом, что не достигается предел выходных характеристик, а искажения снижаются и 2) снижение динамического диапазона выходного сигнала и приведение его к динамическому диапазону поврежденного уха.

Уровень усиления контролируется автоматически. Данный процесс описывается также как компрессия имеющегося динамического диапазона в меньший диапазон. Иными словами, компрессия сводит к минимуму искажения при высоких уровнях входного сигнала, перераспределяет динамический диапазон речи, выполняет функции автоматического регулятора громкости, обеспечивает слуховой комфорт в шумной обстановке.

Кривая входа/выхода СА с автоматической регулировкой усиления может быть разделена на 3 части: линейный отрезок при низких входных значениях УЗД, когда прибавки во входном УЗД вызывают равные прибавки в выходном УЗД; отрезок, соответствующий компрессии, когда прибавки во входном УЗД вызывают меньшие прибавки в выходном УЗД; отрезок с ограничениями, когда прибавки во входном УЗД не оказывают существенного влияния на выходной УЗД.



Компрессия характеризуется следующими понятиями:

Ограничительный уровень - уровень, которым ограничен выходной уровень насыщения СА.

Колено компрессии - порог компрессии или порог автоматической регулировки усиления. Порог компрессии - это минимальный входной уровень, необходимый для срабатывания компрессии. Колено компрессии может быть охарактеризовано как точка, в которой кривая входа/выхода отстоит на 2 дБ по оси выходного УЗД от продолжения линейного участка кривой входа/выхода (при нелинейной компрессии). Уровень, на котором проявляется это колено, различает аппараты с высокими и низкими уровнями компрессии.

Коэффициент компрессии - степень компрессии представляет собой результат отношения величины изменения (увеличения) входного УЗД к величине изменения (увеличения) выходного УЗД в области действия компрессии.

Варианты компрессии
Варианты компрессии

Коэффициент компрессии может определяться также как отношение порога дискомфорта к величине динамического диапазона.

Постоянная времени. В процессе стабилизации при новых значениях усиления возникают временные задержки, обусловленные схемами обратной связи.

Время атаки (время срабатывания) относится к промежутку времени, необходимому для схемы обратной связи для установки нового значения усиления при высокоинтенсивных сигналах на входе. Как правило, время атаки равно 1 - 5 мс.

Время восстановления относится к промежутку времени, необходимому для схемы обратной связи для возвращения сниженных значений усиления к предыдущим величинам, когда прекращается подача высокоинтенсивных сигналовна вход. Время восстановления всегда больше времени атаки. Время восстановления может колебаться от 40 мс до нескольких секунд.

Компрессия может разделяться на низкопороговую и высокопороговую.

Нелинейная компрессия. При нелинейной компрессии коэффициент компрессии меняется в зависимости от входного уровня.

Рассматривая весь диапазон компрессии, можно вычислить средний эффективный коэффициент компрессии.

Большинство компрессионных технологий можно разделить на следующие категории: компрессия, регулируемая по входу (AGC-I), и компрессия, регулируемая по выходу (AGC-0).

Компрессия, регулируемая по входу. При компрессии сигнала до его усиления можно использовать низкие значения порога и коэффициента компрессии. Можно также использовать AGC-I для ограничения компрессии при высоких значениях порога и коэффициента компрессии. При этом следует иметь в виду, что положение регулятора громкости влияет на максимальный выходной уровень сигнала.

Компрессия, регулируемая по входу
Компрессия, регулируемая по входу

В некоторых СА используется фронтальная AGC-I (высокий порог для ограничения компрессии) и вторичная AGC-I для компрессии обычных сигналов ниже высокого порога срабатывания входной компрессии. Применяется также первичная нелинейная обработка сигнала, предполагающая использование низкого порога компрессии для восстановления нормального ощущения громкости.

Компрессия, регулируемая по выходу

В данном случае при компрессии сигнала после его усиления необходимо использовать высокие значения порога и коэффициента компрессии. Положение регулятора громкости минимально влияет на максимальный выходной уровень сигнала. Первичная линейная обработка не предназначена для восстановления нормального ощущения громкости, а используется в основном для уменьшения искажений (сравните с клиппированием) при высоких уровнях входного сигнала.

Компрессия, регулируемая по выходу
Компрессия, регулируемая по выходу

Ограничение компрессии

Ограничение компрессии может быть использовано как при компрессии, регулируемой по входу, так и при компрессии, регулируемой по выходу. При этом отсутствует необходимость в использовании специальной электронной схемы. Ограничение компрессии используется для предотвращения искажений, дискомфорта и болевых ощущений при громких звуках. Обычно применяются высокие значения порога и коэффициента компрессии. Данная функция может быть сравнена с "ударом по тормозам".

Следующей разновидностью компрессии является компрессия в широком динамическом диапазоне. В данном случае используется низкий порог компрессии - не выше 55 дБ. Иногда именуется компрессией в полном динамическом диапазоне.

Слоговая компрессия. Компрессия с низкими значениями порогов и коэффициентов характеризуется коротким временем срабатывания и отпускания - 50 - 150 мс.

Таким образом, ограничение усиления может происходить как при компрессии, регулируемой по входу, так и при компрессии, регулируемой по выходу, однако компрессия, регулируемая по входу, не обязательно ограничивает усиление, в то время как компрессия, регулируемая по выходу, всегда ограничивает усиление.

Компрессия в широком динамическом диапазоне всегда является компрессией, регулируемой по входу. В то же время, компрессия, регулируемая по входу, не обязательно является компрессией в широком динамическом диапазоне.

Слоговая компрессия всегда является компрессией в широком динамическом диапазоне, но последняя не всегда является слоговой.

Автоматическая обработка сигнала (ASP)

Представлена схема, включающая многообразие принципов обработки сигнала. До настоящего времени в подобных схемах предусматривалось ослабление усиления на высоких уровнях и/или увеличение усиления на низких уровнях без изменения частотных характеристик (фиксированный частотный ответ - FFR). В данных схема предусмотрено использование схем традиционной автоматической обработки сигнала (схем автоматической регулировки усиления или компрессии).

Схема, отображающая принципы автоматической обработки сигнала
Схема, отображающая принципы автоматической обработки сигнала

В современных схемах предусмотрено также и изменение частотного ответа как функции входного сигнала (частотный ответ, зависящий от уровня - LDFR).

Типы частотного ответа, зависящего от уровня

Тип 1 (BILL) - повышение низких частот на низких уровнях и понижение их на высоких уровнях.

Типы частотного ответа, зависящего от уровня
Типы частотного ответа, зависящего от уровня

Тип 2 (TILL) - повышение высоких частот на низких уровнях и понижение их на высоких уровнях.

Тип 3 (PILL) - программируемое повышение (модификация частотного ответа) на низких уровнях, зависящее от уровня, в нескольких частотных полосах.

Схема К-амр

Наиболее распространенными схемами автоматической обработки сигнала являются схемы, обеспечивающие усиление низких частот на низких уровнях и снижение их на высоких. В отличие от этого, в К-амр на низких уровнях усиливаются высокие частоты, которые ослабляются на высоких уровнях. Как правило, данный тип используется у больных с высокочастотной тугоухостью.

Электроакустические искажения, влияющие на характеристики слухового аппарата.

Искажения

Гармонические искажения возникают при прохождении сигнала через нелинейный усилитель. Усилитель искажает сигнал за счет использования части энергии входного сигнала и передачи его в виде нового сигнала или продуктов искажений, расположенных на частотах, кратных частоте входного сигнала. Так, например, если входной сигнал с основной частотой, равной 500 Гц, проходит через нелинейный усилитель, то результатом будет образование новых сигналов, имеющих частоты кратные основной частоте, а именно, 1000, 1500 и 2000, 2500 Гц и т.д.

При разделении гармоник с основной частотой в выходном сигнале и измерении отношения общего значения гармоник и основной частоты определяется коэффициент гармонических искажений. Чем больше нелинейность усилителя, тем больше гармонические искажения и тем хуже качество усиленных звуков.

Интермодуляционные искажения - это отношение мощности выходного сигнала на частотах, отличных от поступивших к слуховому аппарату, и мощности входного сигнала. Интермодуляционные искажения могут быть продемонстрированы при рассмотрении двух входных частот (например, 500 и 700 Гц) равной амплитуды, однако не связанных гармонически. Как результат прохождения их через нелинейную систему мы имеем на выходе сложный ответ, состоящий как из этих частот, так и из их гармоник (500, 1000, 15000 и 2000; 700, 1400, 2100 Гц).

Дополнительно в ответе присутствуют частоты, соответствующие сумме и разнице двух указанных частот: 1200 и 200 Гц. При сложном входном сигнале, таком как речь, и при высоких уровнях окружающего шума, добавляется значительно большее количество частот.

Существуют также частотные (амплитудные или линейные) и фазовые искажения.

Транзиентные искажения - результат механического и электрического резонанса. Для исключения транзиентных искажений усиление должно быть на 9 дБ меньше оптимального ответа.

Приводим основные характеристики СА:
- Входной УЗД;
- Выходной УЗД;
- УЗД насыщения;
- Акустическое усиление;
- Частотный ответ;
- Частотный диапазон;
- Гармонические искажения;
- Эквивалентный уровень шума на входе;
- Ток батареи;
- Характеристики входа/выхода (для СА с АРУ);
- Динамические характеристики АРУ.

Шум слухового аппарата

Шум усилителя СА может суммироваться с входным сигналом, что изменяет его характеристики. Данный шум не относится к нелинейностям входного сигнала и обычно измеряется как соотношение сигнал/шум. Основным источником шума является микрофон. Дополнительные шумы могут возникать при неадекватном отключении батареи и схемы усилителя.

Обратная связь

Акустическая. Имеет место, когда выходной сигнал воспринимается микрофоном СА и усиливается. Она может быть также обусловлена неадекватным ушным вкладышем или трубкой, а также плохой акустической изоляцией преобразователей (и особенно при высоких значениях усиления) и наличием острых резонансных пиков в частотном ответе СА.

Механическая. Проявляется при механической вибрации телефона, передающейся к близко расположенному микрофону. С целью ее исключения используются резиновые амортизаторы-изоляторы, а также соответствующее расположение микрофона и телефона.

Магнитная. Имеет место при взаимодействии индукционной катушки с другими магнитными полями, например телефона.

Я.А. Альтман, Г. А. Таварткиладзе
Похожие статьи
  • 24.02.2013 37113 15
    Тональная пороговая аудиометрия

    Тональная пороговая аудиометрия осуществляется при помощи аудиометров, которые производятся многими фирмами и отличаются друг от друга по функциональным возможностям и по возможностям управления. В них предусмотрен набор частот 125, 250, 500, 750, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000, и 8000 Гц (в...

    Аудиология
  • 24.02.2013 24541 7
    Тимпанометрия

    Первые работы, посвященные тимпанометрии, содержали описание отдельных тимпанограмм, характерных для той или иной патологии (Terkildsen, Thomsen, 1959; Brooks, 1968; 1969). Позднее были разработаны классификации тимпанограмм, из которых наибольшее распространение получили взаимно дополняющие...

    Аудиология
  • 20.02.2013 7109 10
    Слуховые вызванные потенциалы. Часть 1

    Исследование этого класса реакций определяется возможностью неинвазивной (т.е. с поверхности черепа) регистрации суммарной электрической активности слуховых центров у человека и животных. В виду малой амллитуды реакций при таком способе регистрации и значительного уровня помех за счет других...

    Аудиология
показать еще
 
Оториноларингология