張戌寶吳毓祥

·技術(shù)與方法·

現(xiàn)代助聽(tīng)器的方向性麥克風(fēng)技術(shù)和性能

張戌寶1吳毓祥2

助聽(tīng)器輸出聲音的信噪比（signal-noise ratio，SNR）與言語(yǔ)理解度直接相關(guān)。在某些聽(tīng)音環(huán)境中，助聽(tīng)器的時(shí)域和頻域降噪技術(shù)能改善輸出SNR，但是，在多數(shù)情況下SNR并沒(méi)有得到改善。因此，有關(guān)的研究人員、聽(tīng)力學(xué)家和助聽(tīng)器生產(chǎn)廠家對(duì)方向性麥克風(fēng)（directional microphone，DM），也稱麥克風(fēng)波束形成，進(jìn)行了多年的研究并取得了令人鼓舞的成就。Hamacher等［1］較早而全面地闡述了高檔助聽(tīng)器的多種技術(shù)的原理和進(jìn)展，其中DM技術(shù)被列為主要的?；趯?shí)際的聽(tīng)音環(huán)境，Yanz［2］探討了模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換的DM的言語(yǔ)檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用；Flynn［3］設(shè)計(jì)的多種波束模式并行處理在不同空間噪聲中能進(jìn)行快速而最佳的DM模式選擇，確保了后續(xù)降噪處理的需求。Chalupper等［4］開(kāi)發(fā)了一種輕聲級(jí)DM技術(shù)，將它并入常規(guī)的多頻道DM系統(tǒng)中，使之在輕聲級(jí)輸入時(shí)也能改善SNR；后來(lái)，Chalupper等［5］又開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)目標(biāo)波束形成技術(shù)，解決了言語(yǔ)來(lái)自后方時(shí)的情景需要。Nyffeler等［6］介紹了另一種更實(shí)際的波束模型控制技術(shù)，當(dāng)言語(yǔ)來(lái)自后方或側(cè)面時(shí)，使用后向或側(cè)向的波束，因而SNR改善更多。Phonak開(kāi)發(fā)了一種雙側(cè)窄波束DM算法，對(duì)雙側(cè)常規(guī)DM的輸出進(jìn)行加權(quán)求和處理，可使得雙側(cè)DM合成后的波束比非合成的單側(cè)波束更窄［7］。常規(guī)的自適應(yīng)DM技術(shù)只用零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)噪聲源，而當(dāng)今的自適應(yīng)DM還能使目標(biāo)波束指向側(cè)面或后方，打破了波束僅面向前方的慣例。

為了驗(yàn)證助聽(tīng)器新DM技術(shù)的性能，開(kāi)發(fā)廠家和有關(guān)聽(tīng)力學(xué)專家進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室的功能驗(yàn)證和外場(chǎng)的性能評(píng)估。Wu等［8］在駕駛汽車的環(huán)境中，于兩種談話位置，對(duì)三個(gè)不同廠家的新一代自適應(yīng)DM助聽(tīng)器進(jìn)行了較為全面的錄音和測(cè)試，結(jié)果表明，新的DM比全向性麥克風(fēng)（omnidirectional microphone，OM）和常規(guī)DM效果好。本文對(duì)部分有關(guān)DM的最先進(jìn)技術(shù)（不包括麥克風(fēng)陣列即多于二個(gè)麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)）進(jìn)行模擬分析、討論和性能評(píng)估，并指出應(yīng)用的局限性。

1 助聽(tīng)器方向性麥克風(fēng)的基礎(chǔ)理念

在理論上和實(shí)踐中，DM被證實(shí)能顯著提高SNR。DM用延遲（通常在后麥克風(fēng)電路中）相減或延遲相加的電路構(gòu)成，前者有很好的方向特性，故實(shí)際中總是被選用；后者的方向性較差，但SNR較高。當(dāng)兩麥克風(fēng)入口的間距是16 mm時(shí)，后麥克風(fēng)對(duì)前麥克風(fēng)的外部聲音延時(shí)約46.6μs；該延時(shí)對(duì)應(yīng)1／4波長(zhǎng)的聲音頻率約為5.4 k Hz。模擬計(jì)算可知，如果DM的內(nèi)部延時(shí)也是46.6μs，則該DM的輸出在5.4 k Hz有最大的前后波束幅度比，形成心臟型波束；如果DM的內(nèi)部延時(shí)是0，則該DM的輸出在5.4 k Hz的前后幅度比為1，且在90°和270°方位上有零點(diǎn)，形成雙極型波束；當(dāng)DM的內(nèi)部延時(shí)在0 μs到46.6μs之間時(shí)，其輸出的前后幅度比大于1；當(dāng)DM的內(nèi)部延時(shí)與外部延時(shí)之比為0.34時(shí)，其方向性最好，形成超級(jí)心臟型波束。將后麥克風(fēng)延時(shí)換成前麥克風(fēng)延時(shí)后，則形成對(duì)應(yīng)的反向波束模型。助聽(tīng)器設(shè)計(jì)好后，外部延時(shí)不能改變，此時(shí)可以討論DM波束的方向性或靈敏度與聲音頻率的關(guān)系。常規(guī)的DM僅對(duì)一個(gè)聲音頻率有最大的靈敏度（前方入射時(shí)），比如，16 mm的入口間距，如內(nèi)部延時(shí)為46.6μs，該DM的最大靈敏度在5.4 k Hz；當(dāng)頻率降低或增高時(shí)，其靈敏度都降低；在低于5.4 k Hz的頻域下降斜率約6 dB／倍頻程，這就是常規(guī)DM在低頻段增益較低的機(jī)理。

聽(tīng)力學(xué)家很關(guān)注DM的方向特性并用方向性指數(shù)（directivity index，DI）來(lái)度量。DI被定義為正前方入射純音的輸出功率與全部非前方入射純音的平均輸出功率之比。實(shí)際中，可用離散化的下列公式計(jì)算，

n＝0，1，2，…N.（N為入射角樣本數(shù)）

公式中f為純音頻率，P（n，f）為離散入射角序號(hào)n的純音輸出功率，n＝0表示DM正前方的入射角（0°）；n＞0表示非正前方的入射角（≠0°）。在自由場(chǎng)中，在DM的最佳靈敏度頻率下，全向型波束的DI為0 dB，心臟型波束的DI為4.8 dB，超級(jí)心臟型波束的DI為6 d B，是DM中最大的。DI可以反映DM在某個(gè)頻率的SNR得益。助聽(tīng)器的實(shí)際DI越高，其言語(yǔ)識(shí)別閾降低越多。

助聽(tīng)器麥克風(fēng)內(nèi)設(shè)的放大器會(huì)產(chǎn)生噪聲，DM相消電路輸出的噪聲比單個(gè)麥克風(fēng)輸出的噪聲增加3 dB。另一方面，人耳對(duì)言語(yǔ)的正確識(shí)別率與聲音的SNR直接關(guān)聯(lián)：SNR在2～9 d B時(shí)，言語(yǔ)識(shí)別率近似線性增加，從20%到80%［2］。因此，如果DM模式能使輸出的SNR在該范圍，則啟動(dòng)DM；反之則維持OM模式以避免DM電路產(chǎn)生的附加噪聲，形成自動(dòng)DM處理。在有多個(gè)噪聲源的聽(tīng)音環(huán)境中，單頻道的自適應(yīng)DM波束圖最多有兩個(gè)零點(diǎn)，只能消掉最多兩處空間噪聲。當(dāng)采用多頻道的自適應(yīng)DM處理時(shí)，如果每個(gè)噪聲源的頻率不同，不同的頻道可形成對(duì)付不同噪聲源的波束圖零點(diǎn)，因而可相消掉多個(gè)空間噪聲。常規(guī)多頻道DM的波束固定地指向前方。

2 模式并行處理的多頻道自適應(yīng)方向性麥克風(fēng)技術(shù)

在很多情況下，掩蔽噪聲（競(jìng)爭(zhēng)噪聲）與目標(biāo)言語(yǔ)（欲聽(tīng)談話聲）處于不同的位置，利用DM處理可以區(qū)分它們，進(jìn)而提高輸出語(yǔ)噪比（voice-noise ratio，VNR）。Flynn［3］認(rèn)為，基于預(yù)測(cè)的某個(gè)環(huán)境分類而利用相應(yīng)的DM算法，得到的結(jié)果難以如愿。為此，他設(shè)計(jì)了對(duì)付常見(jiàn)噪聲環(huán)境的三種DM模式：全頻帶全向性（surround）、分裂方向性（split directionality）和全頻帶方向性（full directionality），執(zhí)行時(shí)三者可并行處理，以確保在不同環(huán)境的空間噪聲中實(shí)時(shí)選用最佳波束模型。這些模式在各頻道的處理還要配合輸入信號(hào)的檢測(cè)、分析和判定等人工智能活動(dòng)，如圖1所示。

圖1 模式并行處理的多頻帶自適應(yīng)DM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2.1 三種DM模式 全頻帶全向性模式：做前后麥克風(fēng)的求和運(yùn)算，得到的輸出幾乎沒(méi)有方向性，提高SNR約3 dB；當(dāng)輸入聲音輕時(shí)（低于對(duì)話聲聲級(jí)），或當(dāng)風(fēng)噪聲較強(qiáng)，或目標(biāo)聲源在后方時(shí)，該模式可以改善SNR。分裂方向性模式：當(dāng)輸入聲音中度時(shí)（相當(dāng)于對(duì)話聲聲級(jí)），該DM系統(tǒng)分流麥克風(fēng)輸出信號(hào)進(jìn)入各頻帶，在低頻帶（＜1 k Hz）使用OM處理，而在中、高頻帶使用常規(guī)的自適應(yīng)DM處理，如：DI值較大的心臟型波束；這樣既避免了低頻帶常規(guī)DM引起的較低SNR，又確保在中、高頻帶常規(guī)DM降低空間噪聲的獲益；在中度環(huán)境噪聲或風(fēng)噪聲時(shí)，該模式輸出有盡可能小的噪聲。全頻帶方向性模式：當(dāng)輸入聲音強(qiáng)時(shí)（大于對(duì)話聲聲級(jí)），該系統(tǒng)在全部頻帶中執(zhí)行常規(guī)的自適應(yīng)DM處理，如：DI值最大的超級(jí)心臟型波束，以抑制強(qiáng)的空間噪聲；當(dāng)一個(gè)頻帶的DM零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)一個(gè)方位來(lái)的噪聲時(shí)，該系統(tǒng)將空間的多個(gè)噪聲降至盡可能低。

風(fēng)噪聲的能量主要分布在甚低頻帶，常規(guī)的自適應(yīng)DM在低頻帶SNR很差，不宜使用。為此，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到風(fēng)噪聲存在時(shí)，就使用全頻帶全向性或分裂方向性模式。當(dāng)言語(yǔ)來(lái)自后方或側(cè)面時(shí)，該系統(tǒng)使用全向型波束拾起它們，使SNR盡可能地提高，而沒(méi)有自動(dòng)的目標(biāo)波束形成。DM模式工作時(shí)，系統(tǒng)可調(diào)節(jié)內(nèi)部延時(shí)，得到雙極型波束以抑制側(cè)面來(lái)的噪聲。

2.2 三個(gè)聲級(jí)通道和并行處理的最佳模式判定作為言語(yǔ)優(yōu)先處理（voice priority processing）的一部分，該DM系統(tǒng)對(duì)需要的模式做并行處理，為最

佳模式的選用提供足夠的依據(jù)。圖1中，輸入聲音用幅度檢測(cè)器分為輕、中、強(qiáng)三類，對(duì)于輕聲音通道，該系統(tǒng)需用全頻帶全向性模式計(jì)算它的VNR；對(duì)于中度聲音通道，該系統(tǒng)需用全頻帶全向性模式和分裂方向性模式作并行處理，計(jì)算它們的VNR；對(duì)于強(qiáng)聲音通道，該系統(tǒng)需用全頻帶全向性模式、分裂方向性模式和全頻帶方向性模式作并行處理，計(jì)算三者的VNR。這三個(gè)通道輸出之一的VNR集，聯(lián)合風(fēng)噪聲的判定和前后方聲級(jí)比數(shù)據(jù)，再作最后的模式擇優(yōu)判定。最后的判定中，風(fēng)噪聲的判定和前后方聲級(jí)比的判定可以壓倒多頻帶VNR最大的判定。

例如：65 dB SPL的言語(yǔ)信號(hào)從模擬人頭（knowles electronic mannequin for acoustic research，KEMAR）后方或側(cè)面的揚(yáng)聲器發(fā)出，噪聲信號(hào)來(lái)自其它5個(gè)揚(yáng)聲器，形成一種嘈雜的周邊噪聲，整體約56 d B SPL。經(jīng)測(cè)試，在該KEMAR耳中，模式并行處理的多頻帶自適應(yīng)DM助聽(tīng)器進(jìn)入分裂方向性模式［9］。

3 輕聲級(jí)的多頻道自適應(yīng)方向性麥克風(fēng)技術(shù)

3.1 輕聲級(jí)啟動(dòng)的方向性麥克風(fēng) 言語(yǔ)加噪聲的實(shí)驗(yàn)聽(tīng)音環(huán)境中，如果助聽(tīng)器的輸入聲級(jí)低時(shí)，如55～60 dB SPL，常規(guī)的多頻道自動(dòng)DM總是在全部頻道中選擇OM模式處理以克服在低頻道SNR差的缺陷；實(shí)際上，這樣的處理并未完全發(fā)揮DM的益處。Chalupper等［4］設(shè)計(jì)了一種DM，其方向性和SNR均在OM的和常規(guī)DM的之間，稱為輕聲級(jí)（soft level）DM。原理上，只要環(huán)境背景噪聲在OM的噪聲和DM的噪聲之間，讓助聽(tīng)器轉(zhuǎn)換到輕聲級(jí)DM，就可進(jìn)一步獲益，特別是對(duì)某些低頻聽(tīng)力好的助聽(tīng)器用戶。實(shí)際中，每個(gè)頻道DM的噪聲聲級(jí)是不同的，低頻道的高，而中、高頻道的低；因此，在每個(gè)頻道的OM和DM模式轉(zhuǎn)換門(mén)限之下建立各自的輕聲級(jí)DM門(mén)限，以擴(kuò)展DM至輕聲級(jí)的應(yīng)用；這樣的DM能從較低噪聲和較低言語(yǔ)中獲益，而構(gòu)成輕聲級(jí)的多頻道自適應(yīng)DM。圖2顯示一輕聲級(jí)DM門(mén)限設(shè)置圖，圖中每個(gè)頻道的輕聲級(jí)DM門(mén)限區(qū)的設(shè)置是不同的，也就是說(shuō)它們是輸入噪聲和頻道的二維函數(shù)；在低頻道，噪聲聲級(jí)門(mén)限是40至60 dB SPL；在高頻道，是20至40 dB SPL；在中間頻道，在這兩個(gè)范圍之間。

考慮到每個(gè)用戶的聽(tīng)力狀況不同，DM的模式轉(zhuǎn)換門(mén)限是可調(diào)的。比如，DM的轉(zhuǎn)換門(mén)限可設(shè)置為輸入噪聲聲級(jí)48、54和60 dB SPL。為了得到甚低噪聲的DM處理，選擇48 dB SPL作為門(mén)限；不過(guò)該DM系統(tǒng)的門(mén)限默認(rèn)值是54 dB SPL，它是多數(shù)用戶喜歡的；而48 dB SPL是為那些偏愛(ài)DM模式的用戶所設(shè)；60 d B SPL是高門(mén)限，是為那些偏愛(ài)OM模式的用戶所設(shè)，或者是為了更好地定位聲音源而選用。只要確定選用DM模式，輕聲級(jí)DM就自動(dòng)激活作為默認(rèn)設(shè)置。

例如：一助聽(tīng)器設(shè)有輕聲級(jí)DM模式，當(dāng)輸入聲音是50 dB SPL時(shí)，它的處理進(jìn)入輕聲級(jí)DM模式，有一個(gè)零點(diǎn)明顯升高的心臟型波束圖；當(dāng)輸入聲音是65 dB時(shí)，它進(jìn)入了常規(guī)的DM模式，其波束圖與標(biāo)準(zhǔn)心臟型波束圖幾乎沒(méi)有差別［4］。

圖2 輕聲級(jí)的多頻道自適應(yīng)DM的門(mén)限區(qū)設(shè)置

3.2 目標(biāo)波束形成 常規(guī)的自適應(yīng)DM的波束總是指向前方，而極性波束圖零點(diǎn)總是對(duì)準(zhǔn)后方或側(cè)面，這是常見(jiàn)環(huán)境中DM的零點(diǎn)與噪聲方位的匹配，抑制噪聲的效果很好。但是在某些特殊環(huán)境中，用戶不能面向談話者（如用戶正在駕車，而乘客坐在后方或側(cè)面），這種情景下，常規(guī)的自適應(yīng)DM效果不是最好的。為此，Chalupper等［5］開(kāi)發(fā)出一種新算法，稱為言語(yǔ)聚合（speech focus），意指目標(biāo)波束形成。該算法的三個(gè)波束為全向性波束、前向性波束和后向性波束，工作時(shí)能自動(dòng)地選用其中之一，比如：指向前方或后方的言語(yǔ)源，而其零點(diǎn)分別對(duì)準(zhǔn)后方或前方的噪聲源。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，目標(biāo)波束分析器將設(shè)計(jì)好的三種波束模型作并行處理，并分析它們的輸出，其中輸出最大所對(duì)應(yīng)的模型應(yīng)是與環(huán)境言語(yǔ)匹配的模型。是否選擇為最佳方向模型進(jìn)行處理還需要確認(rèn)其輸出的言語(yǔ)屬性，該分析器的最后判定還要依賴調(diào)制檢測(cè)：典型的言語(yǔ)調(diào)制頻率為4 Hz左右，如輸出滿足該準(zhǔn)則，則判定為言語(yǔ)，維持分析器的判定；如不滿足該準(zhǔn)則，則要檢查其它模式處理的輸出；該判斷過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，分析時(shí)間窗至少1秒。在多數(shù)聽(tīng)音環(huán)境下，該目標(biāo)波束形成是不必要的，因此，可以將它置于一個(gè)單獨(dú)的程序中，僅在需要時(shí)啟動(dòng)，不需要時(shí)維持輕聲級(jí)自適應(yīng)DM處理，因它是該系統(tǒng)默認(rèn)的DM模式。

例如：測(cè)試助聽(tīng)器樣品同上，具有目標(biāo)波束形

成；言語(yǔ)（75 d B SPL）位于環(huán)境后方，會(huì)聚噪聲位于前方，測(cè)試得到的目標(biāo)波束模型為反向心臟型，正符合設(shè)計(jì)要求［5］。

4 雙側(cè)窄波束的多頻道自適應(yīng)方向性麥克風(fēng)技術(shù)

4.1 波束自動(dòng)控制的方向性麥克風(fēng) Nyffeler等［6］設(shè)計(jì)了一種能進(jìn)行波束指向控制的DM，稱為聚增控制（zoom control，ZC），意指目標(biāo)波束控制?；谇昂蠓?、左右側(cè)四個(gè)指向的波束模式，早期的ZC通過(guò)遙控器人工設(shè)置DM的波束方向，如言語(yǔ)來(lái)自側(cè)面時(shí)采用OM波束，雖然這與Chalupper的設(shè)計(jì)類似，但該目標(biāo)波束控制能通過(guò)無(wú)線連通傳輸雙側(cè)DM信號(hào)。它一方面降低言語(yǔ)源對(duì)側(cè)的DM的輸出，同時(shí)將其同側(cè)的DM信號(hào)傳輸至對(duì)側(cè)的DM而提升較低的SNR。后來(lái)Nyffeler將ZC升級(jí)為自動(dòng)目標(biāo)波束控制（auto ZC，AZC），利用無(wú)線傳輸將雙側(cè)DM的輸入信號(hào)聯(lián)合分析，精確監(jiān)測(cè)和分類空間聲音。比如，利用不同方位聲音的聲強(qiáng)和SNR，確定相應(yīng)最佳SNR的波束指向。當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)言語(yǔ)來(lái)自前方或后方時(shí)，AZC就自動(dòng)控制DM的波束為前向心臟型或后向心臟型，實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)言語(yǔ)源方位匹配。在執(zhí)行這一算法時(shí)，AZC還考慮了對(duì)側(cè)助聽(tīng)器的輸出響度和音調(diào)，讓用戶不會(huì)感覺(jué)到明顯在變化。另外，對(duì)雙耳不對(duì)稱聽(tīng)力損失的用戶，使用AZC時(shí)還要考慮雙側(cè)壓縮放大特性的不同，這樣用戶個(gè)人的言語(yǔ)理解力才能最佳。

圖3 雙側(cè)窄波束形成DM的方框圖

4.2 雙側(cè)窄波束形成 在某些聽(tīng)音環(huán)境中，目標(biāo)言語(yǔ)源和掩蔽噪聲源相隔不夠遠(yuǎn)，如兩者與用戶的方位差小于60°，這時(shí)常規(guī)的1階DM的SNR改善就會(huì)下降許多，這一問(wèn)題通過(guò)觀察心臟型或超級(jí)心臟型波束的主瓣寬度可以證實(shí)。為了改進(jìn)這種不足，Phonak［7］提出了一種窄化波束的DM算法，能用于雙側(cè)連通的助聽(tīng)器，稱為雙側(cè)聚增（stereo zoom）算法，意指雙側(cè)窄波束形成。該算法連通左右兩側(cè)的常規(guī)1階DM的輸出，作加權(quán)求和處理，如圖3所示。事先優(yōu)化設(shè)計(jì)的權(quán)系數(shù)｛wi｝能使各自的輸出具有更窄的波束特性。這種組合處理要保證DM數(shù)據(jù)在極短的時(shí)間內(nèi)雙向傳輸，才能得到雙側(cè)多頻道DM的窄波束。該DM的全頻道處理和雙側(cè)信號(hào)的延時(shí)不超過(guò)數(shù)ms。由于這兩側(cè)DM的距離較兩個(gè)麥克風(fēng)入口的距離大很多，該系統(tǒng)對(duì)空間不同方位進(jìn)入信號(hào)的處理差異明顯增大。該系統(tǒng)不是3階均勻線陣的DM，因而沒(méi)有那樣高的DI值和低頻道的靈敏度急劇下降；相反，它的低頻道言語(yǔ)波束的空間分辨率還有提高。由于雙側(cè)窄波束DM不是在任何環(huán)境中都有必要，Phonak又開(kāi)發(fā)了一個(gè)自動(dòng)啟動(dòng)該系統(tǒng)的聲音數(shù)流（sound flow）算法［10］，它分析兩側(cè)助聽(tīng)器提供的信息，僅在某種組合的條件下才啟動(dòng)窄波束形成，確保該窄波束DM在獲益時(shí)啟動(dòng)，不獲益時(shí)關(guān)閉以省功耗。當(dāng)它與雙側(cè)窄波束一起工作時(shí)，要確保系統(tǒng)的工作較為平穩(wěn)和自然；開(kāi)啟時(shí)間需要不多的幾秒，與環(huán)境的復(fù)雜程度有關(guān)。

例如：在一自由聲場(chǎng)、低反射實(shí)驗(yàn)室中，使用雙側(cè)窄波束形成的DM，測(cè)得每側(cè)極性波束圖的目標(biāo)波束寬度約±45°，而常規(guī)的1階DM的目標(biāo)束波束寬度約±60°［7］。

5 方向性麥克風(fēng)性能的外場(chǎng)評(píng)估

Wu等［8］在外場(chǎng)對(duì)三種助聽(tīng)器DM新技術(shù)的性能進(jìn)行了評(píng)估，25例試聽(tīng)者均有助聽(tīng)經(jīng)驗(yàn)，雙耳下降型感音神經(jīng)性聽(tīng)力損失，雙耳聽(tīng)閾差在15 d B以內(nèi)。試驗(yàn)用三個(gè)不同的助聽(tīng)器，有各自的新DM技術(shù)：HA1有目標(biāo)波束形成（Back-Dir）技術(shù)，當(dāng)言語(yǔ)在前方時(shí)，它能形成前向波束；當(dāng)言語(yǔ)在后方時(shí)，能形成后向波束；HA2有雙側(cè)無(wú)線傳輸（side-transmission）加目標(biāo)波束控制技術(shù)，具有前后向波束控制的能力，同時(shí)雙側(cè)言語(yǔ)數(shù)據(jù)可以無(wú)線連通分析以互補(bǔ)得益；HA3有雙側(cè)抑制（side-suppression）功能，對(duì)側(cè)面來(lái)的噪聲用雙極型波束對(duì)付，對(duì)后方來(lái)的言語(yǔ)用OM波束拾起。三個(gè)助聽(tīng)器的其它可選特性均為默認(rèn)設(shè)置，如壓縮、降噪、最大輸出等，使之更接近實(shí)際。

試驗(yàn)在一小型客貨車中進(jìn)行，Wu等在司機(jī)前座右側(cè)安放了一個(gè)KEMAR，它的左側(cè)和后方各安裝一揚(yáng)聲器作言語(yǔ)源，分別在波束圖中的270°和180°方位，離KEMAR中心0.5米處；它的右耳靠窗戶，測(cè)試得到的交通噪聲約78 dB A，其左耳朝向司機(jī)，噪聲約75 dB A。言語(yǔ)強(qiáng)度的設(shè)置：在后方言語(yǔ)條件下確保其右耳的SNR為-1 d B，在側(cè)面言語(yǔ)條件下確保其左耳的SNR為-1 dB。使用關(guān)聯(lián)語(yǔ)音測(cè)試（connected speech test，CST）材料，因?yàn)樗艽砣粘?duì)話用語(yǔ)。助聽(tīng)器按平均聽(tīng)力損失曲

線，采用AudioScan Verifit適配軟件來(lái)建立澳國(guó)家聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室非線性版本1（NAL-NL1）目標(biāo)增益曲線。該車在高速公路上行駛，70英里／小時(shí)，車窗關(guān)閉，空調(diào)打開(kāi)以模擬實(shí)際駕駛情景。每個(gè)助聽(tīng)器分別手控在OM、常規(guī)DM和新DM程序中，連同兩處言語(yǔ)源和三個(gè)助聽(tīng)器，組合成18種工作條件。記錄完成后的數(shù)據(jù)需在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理，以確?；胤配浺魰r(shí)試聽(tīng)者耳機(jī)中所聽(tīng)見(jiàn)的聲音強(qiáng)度和頻譜與汽車行駛中KEMAR耳中所聽(tīng)見(jiàn)的完全相同。同時(shí)還要對(duì)單個(gè)試聽(tīng)者的聽(tīng)力損失做補(bǔ)償，因?yàn)閭€(gè)人的聽(tīng)力損失與平均損失有差別。評(píng)估時(shí)，加了噪聲的CST測(cè)試句通過(guò)耳機(jī)要求試聽(tīng)者完成兩個(gè)任務(wù)：一是要求試聽(tīng)者能重復(fù)聽(tīng)見(jiàn)的測(cè)試句，每個(gè)測(cè)試條件播放一對(duì)語(yǔ)段，每個(gè)語(yǔ)段中含有25個(gè)關(guān)鍵詞，根據(jù)復(fù)述關(guān)鍵詞的正確率打分。二是試聽(tīng)者對(duì)助聽(tīng)器的偏愛(ài)打分，從CST測(cè)試句中隨機(jī)選出一句子，用三個(gè)助聽(tīng)器樣品試聽(tīng)后，基于總的喜好，給每個(gè)助聽(tīng)器打分。打分前聽(tīng)音測(cè)試要重復(fù)10次，每個(gè)試聽(tīng)者共有180次判斷機(jī)會(huì)。

圖4 不同廠家的三個(gè)助聽(tīng)器采用DM新技術(shù)的性能改善

圖4中的三個(gè)圖分別顯示了三個(gè)助聽(tīng)器在三種DM模式和兩種言語(yǔ)位置情況下CST測(cè)試的平均得分?？梢?jiàn)，當(dāng)言語(yǔ)源在后方時(shí)，HA1新DM技術(shù)的CST得分明顯優(yōu)于OM和常規(guī)DM的得分，因?yàn)镠A1具有的Back-Dir波束形成被激活了。HA2的新DM技術(shù)的CST得分也明顯優(yōu)于OM和常規(guī)DM的得分，因?yàn)镠A2具有的Back-Dir波束形成也被激活了。在側(cè)面言語(yǔ)條件下，HA2的新DM性能優(yōu)于HA1，這是由于HA2激活Back-Dir的同時(shí)還有雙側(cè)連通的傳輸，它改善了頭影效應(yīng)造成的右側(cè)DM的SNR較低，增強(qiáng)了言語(yǔ)提示。當(dāng)言語(yǔ)來(lái)自側(cè)面時(shí)，HA3的新DM技術(shù)的CST性能明顯優(yōu)于OM和常規(guī)DM技術(shù)的性能?？偠灾?，在這種特殊環(huán)境中，OM的性能通常優(yōu)于常規(guī)DM的性能，而新DM技術(shù)的性能通常優(yōu)于OM的性能，具有Back-Dir加雙側(cè)連通傳輸?shù)腍A2優(yōu)于HA1和HA3。但當(dāng)言語(yǔ)來(lái)自后方和側(cè)面時(shí)，HA3的新DM和OM技術(shù)得分落后于HA1和HA2較多，這不正常。Wu等［8］檢查發(fā)現(xiàn)，HA3工作時(shí)錄音環(huán)境的交通噪聲確實(shí)較HA1和HA2工作時(shí)的大，特別在后方言語(yǔ)情景時(shí)，SNR低約7 d B，表明在同等的噪聲條件下HA3的得分應(yīng)比圖4中顯示的更好。

6 方向性麥克風(fēng)的局限性

在許多聽(tīng)音環(huán)境中，DM能提高聲音信號(hào)的SNR，但在一些情況下會(huì)受到限制。這里列舉以下兩個(gè)方面：

6.1 耳道開(kāi)放式助聽(tīng)器與方向性麥克風(fēng)的結(jié)合耳道開(kāi)放（open canal，OC）適配使得耳道內(nèi)的氣壓與外界氣壓平衡，因而消除了患者的耳堵塞感；同時(shí)它能降低低頻段（750～1 500 Hz以下）增益，提高中、高頻段增益，因此，長(zhǎng)期以來(lái)OC適配常被患者選用。不過(guò)，當(dāng)OC與DM一起使用時(shí)，DM的性能會(huì)受到不可忽視的影響。Bentler等［11］用一個(gè)OC式助聽(tīng)器裝在一KEMAR中，分別測(cè)試該助聽(tīng)器OM模式和DM模式的極性波束圖，結(jié)果顯示，當(dāng)純音頻率為0.5 k Hz時(shí)，OM與DM的波束圖幾乎相同，即沒(méi)有方向特性；在1、2和4 k Hz時(shí)，DM仍有明顯的方向特性，與OM差別較大。當(dāng)選用OC時(shí)，環(huán)境聲音有兩條路進(jìn)入耳道，一是通過(guò)助聽(tīng)器放大后進(jìn)入，稱為放大路；另一是通過(guò)通氣孔進(jìn)入耳道，稱為直接路。聽(tīng)音環(huán)境的聲音經(jīng)過(guò)直接路到達(dá)耳道與放大路輸出的聲音合成，造成來(lái)自零點(diǎn)方向的輸出合成值增加，多少取決于聲音的頻率：如頻率低，聲音容易穿過(guò)通氣孔，使零點(diǎn)方向的輸出增加很多，造成波束圖缺乏方向性；而中、高頻段聲音不容易穿過(guò)通氣孔，零點(diǎn)方向的輸出仍然由放大路的輸出主控，故波束圖變化較小，患者仍然獲益。目前解決低頻段方向性差的途徑是選用適當(dāng)尺寸的通氣孔，讓兩方面兼顧而使患者滿意。

6.2 助聽(tīng)器寬動(dòng)態(tài)范圍壓縮與方向性麥克風(fēng)的結(jié)合 助聽(tīng)器寬動(dòng)態(tài)范圍壓縮（wide dynamic range compression，WDRC）使聽(tīng)力受損者在寬聲強(qiáng)范圍的聽(tīng)音環(huán)境中，維持輸出在可聽(tīng)閾值和不舒適聲級(jí)

之間，當(dāng)它與DM技術(shù)一起使用時(shí)，DM的輸出可能會(huì)受壓縮而被抑制。當(dāng)輸入聲音輕時(shí)，WDRC接近線性放大，DM模式的聲音增益不變；當(dāng)輸入聲音強(qiáng)時(shí)，WDRC處于壓縮放大，DM模式的聲音增益降低。Bentler等［11］用聚會(huì)噪聲加言語(yǔ)作輸入，測(cè)試OC適配的壓縮助聽(tīng)器的輸出，對(duì)四種輸入聲級(jí)（55、65、75和85 d B A）時(shí)的放大路和直接路得到的波形進(jìn)行觀察分析，得出助聽(tīng)器的噪聲衰減和SNR均隨輸入聲級(jí)的增加而降低；原因是OC的聲音釋放和壓縮處理的共同作用，放大路的輸出隨輸入聲級(jí)的增加幾乎不增加，而直接路的輸出隨輸入聲級(jí)的增加而線性增加。來(lái)自波束指向的言語(yǔ)通常輸入聲級(jí)較高，其受壓縮的抑制量較輸入噪聲受壓縮的要高。因此，具有WDRC的DM助聽(tīng)器方向性得益會(huì)減少，即SNR會(huì)降低，特別是在輸入聲音強(qiáng)的環(huán)境下。

7 小結(jié)

常規(guī)的多頻道自適應(yīng)DM僅自適應(yīng)地控制極性波束圖的零點(diǎn)來(lái)抑制多個(gè)不同的空間噪聲，而現(xiàn)代自適應(yīng)DM在此基礎(chǔ)上并入了目標(biāo)波束形成，使之指向目標(biāo)聲音源，較完整地實(shí)現(xiàn)了助聽(tīng)器空域信號(hào)處理。①模式并行處理的多頻道自適應(yīng)DM技術(shù)利用最可能匹配大多數(shù)環(huán)境噪聲的三種方向性模式，分析對(duì)它們作并行處理得到的VNR集、前后幅度比和風(fēng)噪聲強(qiáng)度信息，最后判斷哪種模式是當(dāng)前最佳的DM處理模式。該技術(shù)較為成熟，在變化的聽(tīng)音環(huán)境中性能穩(wěn)健，但后向波束模型和雙側(cè)連通傳輸有待改進(jìn)。②輕聲級(jí)的多頻道自適應(yīng)DM技術(shù)對(duì)輕度輸入聲音能啟用特別設(shè)計(jì)的DM，使該DM在噪聲強(qiáng)度較低的范圍獲益。與該技術(shù)組合使用的目標(biāo)波束形成技術(shù)能對(duì)前后方的言語(yǔ)源作波束指向的自動(dòng)控制，解決了與目標(biāo)源匹配的要求，這種組合的DM能與目標(biāo)言語(yǔ)源和環(huán)境噪聲源同時(shí)匹配，使當(dāng)代助聽(tīng)器的DM技術(shù)進(jìn)入了對(duì)空域噪聲和空域言語(yǔ)都自適應(yīng)的新階段，但兩側(cè)數(shù)據(jù)連通的互補(bǔ)有待完善。③雙側(cè)窄波束多頻道的自適應(yīng)DM技術(shù)不但能控制每側(cè)DM的波束，使之指向前后方或左右側(cè)，完成自動(dòng)的波束控制，還可以傳輸雙側(cè)DM的輸入信息，互補(bǔ)單側(cè)DM受到的頭影遮蔽。雙側(cè)窄波束技術(shù)利用雙側(cè)DM信息作加權(quán)處理，使目標(biāo)波束更窄，有利于抑制與言語(yǔ)源相隔較近的掩蔽噪聲。這些技術(shù)的組合是當(dāng)代較為完善的自適應(yīng)DM技術(shù)，但僅適用于雙側(cè)助聽(tīng)器的用戶，信號(hào)處理延時(shí)的縮短、性能進(jìn)一步的穩(wěn)健還有待考慮。

這幾種現(xiàn)代助聽(tīng)器的DM技術(shù)既能利用波束模型的零點(diǎn)又能控制波束方向，與常規(guī)的DM技術(shù)相比在復(fù)雜的環(huán)境中SNR改善更多，代表了現(xiàn)代DM技術(shù)的前沿。

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（2014-04-02收稿）

（本文編輯 周濤）

10.3969／j.issn.1006-7299.2015.03.022

時(shí)間：2015-3-4 10：26

R764.5

A

1006-7299（2015）03-0301-06

1 瑞士Sonova助聽(tīng)器集團(tuán)，加拿大分廠Unitron研發(fā)部； 2 美國(guó)lowa大學(xué)通訊科學(xué)障礙系，聽(tīng)力老化研究實(shí)驗(yàn)室

張戌寶（Email：xbzwdl@yahoo.com）

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