凃磊 任杰 趙堅(jiān) 方文南 王樺

1 引言

隨著社會(huì)老齡化的日益加劇及人們對(duì)聽(tīng)力干預(yù)與言語(yǔ)康復(fù)的重視程度越來(lái)越高，助聽(tīng)器的發(fā)展逐漸受到國(guó)家及社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。對(duì)于大多數(shù)配戴助聽(tīng)器滿意度不高的聽(tīng)障患者，聲反饋現(xiàn)象是最主要的原因之一。助聽(tīng)器聲反饋現(xiàn)象是由于助聽(tīng)器受話器的輸出聲被麥克風(fēng)拾取后再次放大形成循環(huán)回路而產(chǎn)生，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)嘯叫聲，對(duì)助聽(tīng)器配戴者的言語(yǔ)清晰度產(chǎn)生影響，甚至?xí)p傷配戴者的殘余聽(tīng)力，長(zhǎng)期處于嘯叫狀態(tài)下的助聽(tīng)器更容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題[1]。因此，抑制或消除聲反饋一直是助聽(tīng)器技術(shù)研究的前沿?zé)衢T領(lǐng)域。由于人的耳道、耳背機(jī)耳模以及耳內(nèi)式助聽(tīng)器外殼對(duì)于高頻聲信號(hào)的衰減作用不明顯，使得1500 Hz 以上的中高頻信號(hào)較低頻信號(hào)更易引起聲反饋，從而導(dǎo)致同等增益下助聽(tīng)器在高頻易產(chǎn)生嘯叫。由于聲反饋的存在，聽(tīng)力師在處理下坡型聽(tīng)力損失（尤其是高頻陡降型聽(tīng)力損失）時(shí)，很難在驗(yàn)配助聽(tīng)器過(guò)程中給聽(tīng)損者提供足夠的高頻補(bǔ)償，以保證較高的言語(yǔ)清晰度。因此，如何最大程度的利用助聽(tīng)器提供的反饋抑制功能保證高頻陡降型聽(tīng)力的聽(tīng)損者足夠的高頻補(bǔ)償，對(duì)于聽(tīng)力師臨床工作有重要意義。

聲反饋現(xiàn)象的產(chǎn)生條件與助聽(tīng)器本身、助聽(tīng)器配戴者的聽(tīng)力損失情況以及實(shí)時(shí)多變的聲學(xué)環(huán)境相關(guān)，最早的助聽(tīng)器反饋抑制技術(shù)利用耳背式助聽(tīng)器耳模，衰減從受話器到麥克風(fēng)反饋路徑的物理方法抑制聲反饋。隨著數(shù)字助聽(tīng)器的出現(xiàn)，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行反饋抑制的方法被采用。經(jīng)過(guò)發(fā)展及演變，如今主流的助聽(tīng)器反饋抑制算法可分為三類，分別是陷波濾波器法、自動(dòng)增益頻率響應(yīng)控制法以及自適應(yīng)濾波器反饋路徑抵消法[2]。陷波濾波器法的基本思路是通過(guò)檢測(cè)單音信號(hào)或嘯叫，生成一個(gè)陡峭的陷波濾波器對(duì)較窄頻段內(nèi)的回聲信號(hào)進(jìn)行限制，達(dá)到消除反饋的目的，這種方法對(duì)嘯叫探測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性要求很高，當(dāng)系統(tǒng)中多個(gè)頻率產(chǎn)生嘯叫或聲學(xué)環(huán)境突然變化時(shí)就會(huì)難以應(yīng)付[3]。而另兩種反饋抑制方法即是本文的研究重點(diǎn)，通常我們把同時(shí)使用這兩種方法的助聽(tīng)系統(tǒng)成為雙重反饋抑制系統(tǒng)。

本文通過(guò)對(duì)采用較先進(jìn)的雙重反饋抑制算法的助聽(tīng)器中不同參數(shù)的效應(yīng)進(jìn)行研究，希望給廣大聽(tīng)力師或臨床工作者提供助聽(tīng)器驗(yàn)配指導(dǎo)。

2 反饋抑制算法的理論原理

2.1 聲反饋現(xiàn)象的產(chǎn)生

聲源所發(fā)出的信號(hào)由助聽(tīng)器的麥克風(fēng)接收后，經(jīng)過(guò)助聽(tīng)器芯片處理，即前向路徑[G(Ω，n）]通過(guò)受話器在配戴者鼓膜附近發(fā)聲。同時(shí)，受話器播放的聲音信號(hào)會(huì)不可避免的通過(guò)反饋路徑[F(Ω，n）]后，傳回麥克風(fēng)，形成聲信號(hào)的反饋閉環(huán)。

前向路徑G(Ω，n）涵蓋了所有在助聽(tīng)器中用到的信號(hào)處理方法。聲音在通過(guò)反饋路徑時(shí)除了在不同頻段上有不同程度的衰減外，還會(huì)因?yàn)槁曇魝鞑ザa(chǎn)生延時(shí)。因此，F(xiàn)(Ω，n）是由反饋路徑自身的聲學(xué)特性、麥克風(fēng)及受話器的頻率響應(yīng)以及模-數(shù)、數(shù)-模轉(zhuǎn)換模塊共同決定。

系統(tǒng)產(chǎn)生聲反饋引發(fā)嘯叫需要滿足以下兩個(gè)條件：

所以，反饋抑制算法是通過(guò)讓上述兩個(gè)條件中的某個(gè)不成立抑制嘯叫的產(chǎn)生。

評(píng)估某系統(tǒng)在抑制聲反饋方面的性能時(shí)，通常需要用到一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即凈空增益（added stable gain，ASG）。凈空增益是指反饋抑制算法給助聽(tīng)器在未產(chǎn)生嘯叫的前提下帶來(lái)的額外穩(wěn)定增益。ASG 越大，系統(tǒng)在反饋抑制性能就越好[4]。

2.2 反饋抑制算法及主要參數(shù)

不考慮耳?；蛑?tīng)器外殼的密閉程度所造成的聲反饋現(xiàn)象，目前常用的針對(duì)增益過(guò)大產(chǎn)生嘯叫的反饋抑制方法主要有：①增益-頻率響應(yīng)控制，即通過(guò)降低嘯叫風(fēng)險(xiǎn)高的頻率上放大增益；②反饋路徑抵消，即通過(guò)在系統(tǒng)中把麥克風(fēng)重新拾取到的輸入信號(hào)從系統(tǒng)通路里減去，抵消反饋路徑；③頻率及相位控制，即在助聽(tīng)器處理的前向路徑中加入頻率或相位的改變。3 種方法都是通過(guò)破壞等式(1)中的不穩(wěn)定條件來(lái)提升系統(tǒng)穩(wěn)定性來(lái)抑制嘯叫的產(chǎn)生，其中前兩種是針對(duì)條件1 而后一種是針對(duì)條件2的，由于頻率及相位控制的方法會(huì)引入較大失真，只會(huì)在較特殊情況下才會(huì)考慮使用（如高頻陡降型聽(tīng)力的聽(tīng)損者使用到移頻或頻率轉(zhuǎn)換功能），所以在此不作詳細(xì)討論。

增益-頻率響應(yīng)控制法是針對(duì)等式(1)中聲反饋產(chǎn)生的第一個(gè)條件抑制嘯叫產(chǎn)生，即對(duì)一個(gè)特定頻率的反饋振動(dòng)的發(fā)生，避免在此頻率上從麥克風(fēng)傳到鼓膜處的前向增益在絕對(duì)值上超過(guò)從鼓膜處返回麥克風(fēng)的反饋增益。因此，如果能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)反饋路徑并與助聽(tīng)器當(dāng)前的前向路徑進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)評(píng)估出某一個(gè)頻率上的嘯叫風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)，就能自適應(yīng)控制該頻段增益至嘯叫不產(chǎn)生，而平時(shí)正常情況下無(wú)嘯叫風(fēng)險(xiǎn)或嘯叫風(fēng)險(xiǎn)低時(shí)，則不對(duì)增益做任何處理。

以圖1、圖2 為例解釋說(shuō)明增益-頻率響應(yīng)控制法的工作原理，圖中有三角形標(biāo)記的曲線代表的是取負(fù)向后的前向路徑頻率響應(yīng)，無(wú)三角形標(biāo)記的曲線代表瞬時(shí)估計(jì)得到的反饋路徑頻率響應(yīng)，當(dāng)反饋路徑曲線高于負(fù)向前向路徑曲線的時(shí)候，等效于，則代表該頻率點(diǎn)有產(chǎn)生嘯叫的風(fēng)險(xiǎn)，用圓點(diǎn)標(biāo)記。增益-頻率響應(yīng)控制法中的一個(gè)重要參數(shù)是增益空間?？紤]到實(shí)時(shí)反饋路徑頻率響應(yīng)估計(jì)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性有限，通常會(huì)人為控制頻率增益比允許上限更低，保留空間以降低系統(tǒng)中的反饋風(fēng)險(xiǎn)。增益空間的定義是以不產(chǎn)生反饋為前提，系統(tǒng)所允許的負(fù)向前向路徑增益的最大值（通常即為所估計(jì)反饋路徑頻率響應(yīng)值）與實(shí)際人為控制的負(fù)向前向路徑增益最大值之間的差異。數(shù)學(xué)關(guān)系上是前者減去后者，因此如果增益空間是正數(shù)，則表明系統(tǒng)允許某種程度上的反饋發(fā)生，絕對(duì)值越大，反饋發(fā)生的幾率越大；如果增益空間為負(fù)數(shù)，則表明系統(tǒng)有意識(shí)降低反饋發(fā)生的幾率，絕對(duì)值越大，反饋發(fā)生的機(jī)率越小。圖1 和圖2 中是對(duì)同一臺(tái)助聽(tīng)器在設(shè)置相同增益（MSG 以上20 dB）時(shí)，設(shè)置不同增益空間參數(shù)值而達(dá)到的不同效果。當(dāng)增益-頻率響應(yīng)控制法中的增益空間為10 dB 時(shí)，從圖1 的瞬時(shí)響應(yīng)動(dòng)態(tài)圖中可看出，系統(tǒng)平均增益約34 dB，基本上沒(méi)有對(duì)增益進(jìn)行控制，并且反饋的風(fēng)險(xiǎn)很大；圖2 中的增益空間設(shè)置為-10 dB，助聽(tīng)器平均增益大概在20 dB 左右，幾乎沒(méi)有反饋風(fēng)險(xiǎn)。因此，筆者從理論上推斷，增益-頻率響應(yīng)控制法會(huì)降低助聽(tīng)器的實(shí)際增益，不會(huì)提高放大系統(tǒng)的凈空增益。

圖1 當(dāng)目標(biāo)增益為MSG 以上20 dB 時(shí)，增益-頻率響應(yīng)控制法中增益空間為10 dB 的瞬時(shí)響應(yīng)動(dòng)態(tài)圖

圖2 當(dāng)目標(biāo)增益為MSG 以上20 dB 時(shí)，增益-頻率響應(yīng)控制法中增益空間為-10 dB 的瞬時(shí)響應(yīng)動(dòng)態(tài)圖

反饋路徑抵消法與增益-頻率響應(yīng)控制法不同，它可以持續(xù)地監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)傳聲通路的變化并利用對(duì)真實(shí)回聲路徑的估計(jì)在反饋產(chǎn)生之前，虛擬了一個(gè)回聲抵消路徑來(lái)抑制反饋環(huán)路的形成，所以在達(dá)到極致上限條件之前，系統(tǒng)都是不會(huì)產(chǎn)生反饋的。使用自適應(yīng)濾波器的反饋抑制系統(tǒng)，比沒(méi)有使用自適應(yīng)濾波器的反饋抑制系統(tǒng)所能提供的增益要高，也更容易滿足聽(tīng)損人士對(duì)中高頻聽(tīng)力補(bǔ)償?shù)男枨蟆Ｗ赃m應(yīng)反饋抑制(adaptive feedback suppression，AFS) 是常用的一種利用自適應(yīng)濾波器來(lái)抑制反饋產(chǎn)生的方法[5]，AFS 算法的工作原理如圖3 所示[6]。

圖3 自適應(yīng)濾波器反饋抑制算法原理圖

因?yàn)樗枘M的反饋路徑會(huì)隨環(huán)境實(shí)時(shí)變化而變化，因此在設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器的時(shí)候需要考慮能夠快速跟蹤到這種環(huán)境變化，最常用的自適應(yīng)估計(jì)算法有最小均方算法(least mean square，LMS)[7，8]、標(biāo)準(zhǔn)最小均方算法(normalized LMS，NLMS)[9，10]、可變步長(zhǎng)最小均方(variable-step-size LMS，VLMS)[11]以及遞歸最小二乘算法(recursive least square，RLS)，這些算法都是通過(guò)迭代的方法最小化均方誤差目標(biāo)函數(shù)或通過(guò)最小二乘實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的估計(jì)，而在迭代的過(guò)程中涉及單次迭代的步長(zhǎng)可以控制自適應(yīng)濾波器的更新速率，與后文參數(shù)相關(guān)。

反饋路徑抵消法中的重要參數(shù)包含兩方面：①啟動(dòng)與初始化時(shí)間。當(dāng)助聽(tīng)器合上電池艙門開(kāi)始工作時(shí)，反饋抑制算法還處于一個(gè)初始狀態(tài)，因此就需要算法快速自我調(diào)整到一個(gè)較好的工作狀態(tài)，從而能夠很好地對(duì)反饋路徑進(jìn)行初步估計(jì)。因此，在算法進(jìn)入正常工作模式之前，所需要的時(shí)間我們就把它稱為啟動(dòng)時(shí)間，通常設(shè)置在1～59 秒。②自適應(yīng)調(diào)整速度。即是反饋抑制算法在反饋估計(jì)中更新的速率，如果這個(gè)速率被持續(xù)設(shè)置為比較快，系統(tǒng)會(huì)對(duì)很快的偵測(cè)到反饋現(xiàn)象并進(jìn)行抑制，但是如果系統(tǒng)長(zhǎng)期處于無(wú)嘯叫產(chǎn)生的狀態(tài)下，這樣的設(shè)置會(huì)造成較大失真并且不必要的計(jì)算也會(huì)加大助聽(tīng)器功耗；相反，如果設(shè)置為比較慢的時(shí)候，反饋現(xiàn)象在被抑制前可能會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的一段時(shí)間，但是聲音失真較小。這樣的切換機(jī)制通常由激活靈敏度、激活速度以及激活時(shí)間這3 個(gè)參數(shù)共同決定。系統(tǒng)激活速度越快，激活時(shí)間越長(zhǎng)，越有助于系統(tǒng)快速應(yīng)對(duì)處理多變的聲學(xué)環(huán)境。當(dāng)系統(tǒng)處于反饋抑制空閑狀態(tài)，空閑速度則決定了當(dāng)處于無(wú)反饋的狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)所采用的反饋抑制更新速率，通常會(huì)相對(duì)激活速度要慢很多。

3 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

本實(shí)驗(yàn)選取某載有內(nèi)置算法的助聽(tīng)器放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該廠商所使用算法即是使用雙重反饋抑制算法消除嘯叫[12]。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

①分析兩種獨(dú)立的反饋抑制方法對(duì)反饋抑制性能的提升；②研究雙重反饋抑制是否能協(xié)同作用配合提升助聽(tīng)器的反饋抑制性能；③通過(guò)不同的參數(shù)集合的助聽(tīng)器設(shè)置比較凈空增益、反映速度、收斂速度等反饋抑制性能指標(biāo)對(duì)助聽(tīng)器驗(yàn)配提供臨床指導(dǎo)；④同時(shí)評(píng)估評(píng)估助聽(tīng)器的補(bǔ)償效果、言語(yǔ)清晰度并結(jié)合負(fù)作用綜合考慮。

3.2 實(shí)驗(yàn)條件

設(shè)置助聽(tīng)器放大器各通道小聲增益及最大輸出功率相同，平均增益在30 dB±3 dB 范圍內(nèi)為初始狀態(tài)，壓縮比皆為1：1 即線性放大狀態(tài)，關(guān)閉語(yǔ)音增強(qiáng)、脈沖噪聲抑制、風(fēng)噪聲抑制及其他功能，盡可能避免其它功能對(duì)反饋抑制功能的性能分析結(jié)果的影響。此時(shí)助聽(tīng)器頻率響應(yīng)曲線主要由麥克風(fēng)、受話器的頻響曲線決定，通常為1000 Hz 以下頻率較為平坦，2000 ～5000 Hz 有共振峰，這樣的頻響曲線在臨床上具有參考價(jià)值。

3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

①丹麥國(guó)際聽(tīng)力（Interacoustics）的Affinity 型助聽(tīng)器分析儀以及TBS25 測(cè)試箱；②美國(guó)GRAS 制造仿真耳一對(duì)，與杭州愛(ài)華制造頭戴耳機(jī)測(cè)試架、仿真嘴、傳聲器、前置放大器及耦合腔共同組成仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K；③以仿真耳耳道為模型制作的CIC 助聽(tīng)器，其中采用樓氏EM24446麥克風(fēng)及SONION 的E50DA012 受話器；④音頻頻譜分析軟件。在測(cè)試時(shí)所播放的聲音文件為由白噪聲、言語(yǔ)聲、鳥(niǎo)叫聲、音樂(lè)聲組成的混合聲音文件。白噪聲完成自適應(yīng)濾波器的初始化，言語(yǔ)聲模擬日常的言語(yǔ)溝通使用環(huán)境，而鳥(niǎo)叫聲及音樂(lè)聲評(píng)估反饋抑制的穩(wěn)定性及負(fù)作用大小。

3.4 實(shí)驗(yàn)步驟

①同時(shí)關(guān)閉增益-頻率響應(yīng)控制及反饋路徑抵消功能；②測(cè)量并記下最大穩(wěn)定增益MSG，然后開(kāi)啟反饋路徑抵消功能，測(cè)量并記下凈空增益ASG；③用一塊隔板模擬遮擋物來(lái)反射聲音并逐漸由遠(yuǎn)及近靠近配戴助聽(tīng)器的仿真耳來(lái)制造反饋并觀察反饋路徑抵消功能的不同反應(yīng)，之后調(diào)整不同的啟動(dòng)時(shí)間、激活靈敏度、激活速度、激活時(shí)間、空閑速度等自適應(yīng)反饋抑制參數(shù)值進(jìn)行比較；④按照從步驟③中選取一組相對(duì)最優(yōu)的反饋路徑抵消功能參數(shù)設(shè)置助聽(tīng)器，開(kāi)啟增益-頻率響應(yīng)控制功能，測(cè)量并記下凈空增益ASG；⑤調(diào)整增益-頻率響應(yīng)控制中不同的增益空間參數(shù)值并比較ASG 以及實(shí)際測(cè)量增益；⑥在以上實(shí)驗(yàn)中未產(chǎn)生嘯叫的情況下，要觀察分析其音質(zhì)、夾帶或其他負(fù)作用效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

①關(guān)閉增益-頻率響應(yīng)控制功能時(shí)，自適應(yīng)反饋路徑抵消功能所提供的凈空增益為10 dB。②不同啟動(dòng)時(shí)間對(duì)反饋路徑抵消功能影響并不大。③對(duì)于激活靈敏度測(cè)試了從低到高共40 檔個(gè)不同數(shù)值，取第36 檔數(shù)值最為合適。④綜合調(diào)試激活速度（共5 檔）和激活時(shí)間（0.1～10 秒）兩個(gè)參數(shù)之后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激活速度取第2 檔，激活時(shí)間取1.2秒的時(shí)候最為合適。⑤對(duì)于空閑速度測(cè)試了從低到高共10 檔，發(fā)現(xiàn)取第6 檔左右性能最好，空閑速度的參數(shù)效應(yīng)可參照激活速度。⑥按照上述②～⑤選取一組相對(duì)最優(yōu)的反饋路徑抵消參數(shù)以后，開(kāi)啟增益-頻率響應(yīng)控制功能，凈空增益可進(jìn)一步提高，通過(guò)調(diào)整不同增益空間數(shù)值（-16 dB ～16 dB）可發(fā)現(xiàn)調(diào)整至-8 dB 時(shí)為最好，既能提升凈空增益至18.3 dB，又能保證增益補(bǔ)償效果無(wú)較大差別。⑦當(dāng)增益空間給到-16 dB 的極端情況時(shí)，雖然看起來(lái)凈空增益的測(cè)量值可以提高很多，但是實(shí)際增益已經(jīng)遠(yuǎn)小于調(diào)試所顯示數(shù)值，因此該指標(biāo)不再具有表征意義，也會(huì)使配戴者的聽(tīng)力補(bǔ)償及言語(yǔ)清晰度造成很大影響。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，筆者作出如下討論。①反饋路徑抵消功能中的各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整圍繞著系統(tǒng)對(duì)反饋出現(xiàn)后的反應(yīng)速度和消除反饋的速度快慢進(jìn)行，速度快慢的選擇要綜合聲音信號(hào)音質(zhì)的考慮。②反饋路徑抵消功能本身就能提供可觀的凈空增益，加上增益-頻率響應(yīng)控制功能協(xié)同作用后的雙重抑制機(jī)制則可以提供更高的凈空增益。雖然理論上增益-頻率響應(yīng)控制功能不會(huì)提高系統(tǒng)的凈空增益，但是常遇到的反饋嘯叫是在較為極端條件下產(chǎn)生的，如頭發(fā)擋住耳朵，吃飯或講話張開(kāi)嘴巴或兩人擁抱的時(shí)候，聽(tīng)力師的處理方法通常是為了防止在這些發(fā)生頻率不高的極端情況下不嘯叫而犧牲掉部分增益造成聽(tīng)力補(bǔ)償不足，而增益-頻率響應(yīng)控制功能恰好能很好地避免這樣的補(bǔ)償不足發(fā)生；③本實(shí)驗(yàn)中所測(cè)量出的凈空增益可能與某些助聽(tīng)器廠商所宣傳的有出入，不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)方法下所測(cè)量的凈空增益指標(biāo)有明顯區(qū)別，本研究的 重點(diǎn)在指標(biāo)相對(duì)數(shù)值的比較上進(jìn)行性能分析，因此，指標(biāo)參數(shù)的絕對(duì)數(shù)值不具備很強(qiáng)的表征意義。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)助聽(tīng)器中使用的雙重反饋抑制算法進(jìn)行性能分析，得出以下結(jié)論：①反饋路徑抵消功能與增益-頻率響應(yīng)控制功能的雙重反饋抑制機(jī)制能夠協(xié)同作用提供不錯(cuò)的凈空增益保證配戴者的高頻補(bǔ)償；②增益頻率響應(yīng)控制功能的參數(shù)調(diào)試時(shí)要在提供極端條件下抑制嘯叫作用的同時(shí)保證不會(huì)影響常規(guī)聲學(xué)環(huán)境下工作時(shí)的增益補(bǔ)償；③反饋路徑抵消功能的參數(shù)調(diào)試基本上是綜合考慮系統(tǒng)對(duì)反饋的反應(yīng)速度、處理速度以及配戴者所要求的音質(zhì)決定。對(duì)反饋現(xiàn)象的反應(yīng)速度和處理速度設(shè)置的越快，嘯叫發(fā)生的機(jī)會(huì)減小，但是音質(zhì)就會(huì)降低，失真度提高，尤其是聽(tīng)音樂(lè)的時(shí)候。