用於助聽設備的雙耳側面感知的方法
2023-07-15 11:27:01
專利名稱：用於助聽設備的雙耳側面感知的方法
技術領域：
本發明涉及用於基於麥克風裝置側面出現的聲學有用信號改善在兩個或多個麥克風的麥克風裝置的輸出信號中的信噪比的一種方法和一種系統。這樣的方法和系統可以在助聽設備，特別是助聽器佩戴者頭部佩戴的助聽器中採用。在此側面應該被理解為特別是雙耳助聽器裝置的佩戴者的頭部的右邊和左邊。
背景技術：
迄今為止在助聽器中使用的傳統方向性方法(Richtwirkungsverfahren)提供如下可能性將從助聽器佩戴者前面或從後面到達的信號或噪聲從其餘的環境噪聲中突出，以便這樣提高語音理解性。但是該方法不能提供如下可能性突出從左邊或右邊到達的側面源的信號或噪聲。公知的助聽器僅提供如下可能性這樣的側面信號通過如下來強調，即，將期望的 側面的信號傳輸到雙耳。為此將音頻信號從一個耳側傳輸到另一個耳側並且在那裡播放。但是由此向助聽器佩戴者提供單信號，這導致丟失可以定位聲源(『binaural cues，雙耳提示』)的信號特徵。這樣的信號特徵例如可以是耳間電平差，即在面向噪聲或信號源的耳朵或助聽器側的電平高於背向的耳朵或助聽器。傳統的差分定向麥克風的計算並不是可無限制地應用的解決方案，除了別的之外因為也可以在具有高的頻率分量的信號的情況下由於所謂的「空間混淆(spatialaliasing)」而使得不具有空間多義性的差分定向麥克風是不可能的。如果將原始聲音信號的右和左麥克風信號相減，則形成這樣的空間多義性，即，一個信號的空間來源的不再可唯一對應性。通過麥克風信號相減的差分處理通常允許規定在期望的方向上麥克風裝置的定向的靈敏性。但是如果原始聲音信號的波長與麥克風裝置的麥克風的空間距離相比太小，則僅還能雙義或多義地確定原始信號的空間來源。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種在考慮信號源的空間方向的條件下對聲音信號中的幹擾信號-有用信號比的改善。本發明通過如下解決上述技術問題，S卩，將其作為經典的幹擾噪聲降低問題來考察。按照在下面描述的方式，確定或估計雙耳幹擾信號和雙耳有用信號，這些信號被用作合適的濾波器(例如維納濾波器)的輸入信號，在該濾波器中優選對每個頻帶計算並應用一個對於兩個耳側是相同大的放大係數。通過對兩隻耳朵應用相同的放大係數獲得耳間電平差，即，可以定位聲音或聲源。本發明的基本思路在於，不同地處理高和低的頻率分量(邊界頻率在700Hz和
I.5kHz之間的範圍內，例如大約1kHz)。對於低頻率範圍根據差分預處理結合差分雙耳定向麥克風的計算進行濾波，優選同樣是維納濾波，其中通過預處理產生向左和向右定向的信號，通常具有相反定向的心臟形曲線(Cardioid)特徵(腎形的取決於方向的靈敏度)。
基於傳統的差分定向麥克風的這兩個向左和向右定向的信號被作為側面的有用和幹擾聲音的水平的估計基礎來使用，其中該估計又作為濾波、優選是維納濾波的輸入參數來使用。然後將該濾波單獨地應用於麥克風裝置的每個麥克風信號，並且不是應用於雙耳裝置的共同的差分定向麥克風信號，所述共同的差分定向麥克風信號是作為傳統的定向麥克風的輸出信號被計算的。例如，相對於使用全向信號的優點在於，通過在前連接的方向性一定程度上人工地產生在左和右側之間的較大的差別，該差別表現為對從待抑制的方向入射的信號的提高的幹擾聲抑制。一種優選的擴展在於，在低頻範圍中如前面解釋地那樣進行根據傳統的差分定向麥克風的計算的預濾波和然後的濾波，優選是維納濾波，並且在高頻範圍中(邊界頻率在700Hz和I. 5kHz之間的範圍內，例如大約IkHz)對於然後的維納濾波利用自然的頭部遮蔽效應(KopfabschattungsefTekt)作為用於幹擾聲估計和有用聲估計的預濾波器。 在利用頭部遮蔽效應的條件下如下進行幹擾聲估計和有用聲估計的確定面向期望側的單耳信號被用作為有用信號估計，背向側的信號作為幹擾信號估計。這是可能的，因為特別是在較高頻率(>700Hz或>lkHz)情況下頭部遮蔽效應引起在背向側上信號的顯著衰減。基於通過頭部遮蔽預濾波的信號的這兩個向左和向右定向的信號被用作為對側面的有用和幹擾聲的水平的估計基礎，並且這些估計又被用作對於濾波、優選是維納濾波的輸入參數。該濾波然後被單獨地應用於麥克風裝置的每個麥克風信號。例如相對於使用全向信號的優點在於，通過在前連接的方向性一定程度上人工地產生在左和右側之間的較大的差別，該差別表現為對從待抑制的方向入射的信號的提高的幹擾聲抑制。通過各自的預處理對於低或高的頻率範圍分別產生向左和向右定向的信號，通常具有相反定向的心臟形曲線特徵(腎形的取決於方向的靈敏度)。所述各自的定向的信號被作為對各自側面的有用和幹擾聲音的水平的估計基礎來使用。所述各自的有用和幹擾聲音水平又作為濾波、優選是維納濾波的輸入參數來使用。由此，通過組合對於高頻率範圍的和對於低頻率範圍的各自的濾波方法可以實現在整個的頻率範圍上的濾波。按照另一種優選擴展，將聲學信號分解為頻帶，並且特定地對於每個頻帶進行所述濾波、優選維納濾波。按照另一種優選擴展，取決於方向地進行所述濾波、優選維納濾波。所述取決於方向的濾波可以按照傳統的方式進行。優選地，確定或估計一個或多個以下參數作為有用信號水平和/或作為幹擾信號水平能量、功率、振幅、平滑的振幅、平均的振幅、電平。
其它優選擴展和優點從從屬權利要求和以下附圖連同描述中獲得。附圖中，圖I對於在IkHz下環形的信號示出了左側和右側的麥克風的電平，
圖2示出了在對左側和右側麥克風應用維納濾波器之後在IkHz下取決於方向地衰減的信號，圖3示出了對於250Hz和500Hz的頻率向左(在270°初)定向的差分定向麥克風信號以及各自的維納預濾波的麥克風信號，圖4示出了用於改進雙耳側面感知情況下的信噪比的方法的示意圖。
具體實施例方式圖I示出了對於環形的信號，S卩，對於在所描述的環形的空間方向上定位的信號源，在IkHz下雙耳助聽器裝置的左耳側(在圖中用附圖標記L2表示)和右耳側(附圖標記LI)的助聽器麥克風或麥克風裝置的電平。可以識別出6-10dB的差，即，對於左側信號(270° )左側的麥克風或麥克風裝置的電平L2高出右側的麥克風或麥克風裝置的電平L16-10dB ;在更高頻率的情況下該電平差還要提高。 例如如果現在期望向左(270° )聽，則右邊的信號LI被用作為幹擾信號，左邊的L2被用作為有用信號。在該幹擾聲和有用聲信號的基礎上然後可以估計用於濾波、例如維納濾波的輸入參數。對於維納濾波，從該有用信號和幹擾信號中確定或估計各自的有用信號水平和幹擾信號水平。這些有用信號水平和幹擾信號水平被用作維納濾波器的輸入參數，也就是維納濾波器=有用信號水平/ (有用信號水平+幹擾信號水平)圖2示出了取決於方向的衰減，所述衰減在IkHz情況下對於環形的(360° )信號在使用維納公式的情況下得出。對於左側的麥克風或麥克風裝置得到取決於方向衰減的信號L4，並且對於右側的麥克風或麥克風裝置得到L3。與前面的圖相比可以識別出，保持了耳間電平差。來自右側的信號被作為幹擾信號考察並且降低，來自左邊的信號保持不被衰減。因為保留了電平差，保持了空間印象，即信號分別來自於何處的信號信息。如果從兩側入射信號，則按照已知的維納公式根據有用聲估計和幹擾聲估計的比例來進行降低。如前面所述的那樣，利用自然的頭部遮蔽效應，以便將通過頭部遮蔽效應預濾波的信號作為幹擾聲音信號和有用聲音信號來使用，用於確定基於濾波器、例如維納濾波器的幹擾噪聲消除方案的輸入參數。因為頭部遮蔽效應在高頻(>700Hz或>lkHz)時特別突出，但是對低頻總是越來越降低，所以該方法優選可以特別地應用於高於IkHz的頻率。對於低頻(〈I. 5kHz或〈1kHz)由於太小的頭部遮蔽效應，前面所解釋的解決方案不可最佳應用。在低的頻率範圍中可以補充地使用後面描述的方法，該方法還可以單獨地和排他地被採用。因為對於低頻成立，在助聽器佩戴者頭部的雙耳麥克風距離與波長相比足夠小，所以不形成空間多義性(『spatial aliasing,空間混淆』)。由此在原始聲音信號的低頻(〈I. 5kHz或〈1kHz)情況下利用左側和右側麥克風的麥克風裝置或在助聽器佩戴者頭部的麥克風裝置，計算向側面「看」或者說「聽」的常規的差分定向麥克風。雖然可以簡單地直接使用這樣的定向麥克風的輸出信號，以便在低頻情況下產生側面的方向性。這樣所確定的定向信號然後可以相同地在雙耳或助聽器佩戴者的助聽器上播放。但是這樣做的結果是，在該頻率範圍中的定位能力丟失，因為對於兩個耳側只產生並提供一個共同輸出信號。因此取而代之，基於傳統的定向麥克風既計算向左定向的信號、又計算向右定向的信號，並且將這些信號根據期望的有用信號方向來作為對於接下來的(優選利用維納濾波器)濾波的幹擾聲音信號或有用聲音信號使用。該濾波器然後單獨地應用於麥克風裝置的每個麥克風信號，並且例如不應用於共同地作為傳統定向麥克風的輸出信號而計算的定向麥克風信號。圖3示出了前面解釋的在低頻範圍中聽力信號處理的作用。為此對於250HzL8和500Hz L5的頻率計算向左(在270°情況下)定向地「聽」或「看」。在預濾波的範圍內首先計算向左定向的傳統的差分定向麥克風信號作為有用信號和向右定向的作為幹擾信號(圖中實線表示)。定向麥克風信號具有通常的腎/反腎形的(心臟形/反心形的，cardioid/anticardioid,也縮寫為card/anticard)取決於方向的靈敏度特性。 從有用信號和幹擾信號中確定或估計有用信號和幹擾信號水平。這些作為對於維納濾波器的輸入參數使用，也就是維納濾波器=有用信號水平/ (有用信號水平+幹擾信號水平)對於每個頻率範圍(圖中也就是250Hz和500Hz)對於所有空間方向計算這樣的維納濾波器並且單個地應用到定向麥克風信號的每個。由此，對於定向麥克風信號的每一個得到一個維納預濾波的取決於方向的靈敏度特性，在圖中通過虛線L6和L7表示。圖中可以看出，在幹擾信號方向上(也就是右邊，90° )比有用信號(也就是左邊，270° )實現了更高衰減。此外可以看出，電平差儘可能地得到保持(即，左邊的L7比右邊的麥克風信號L6電平更高)並且由此對於助聽器佩戴者還可以實現原始聲音信號的空間對應。前面所描述的對於高頻範圍和低頻範圍的濾波器方法例如可以在要佩戴在頭部上的助聽器設備中分別單個地對於高頻或對於低頻被採用。但是所述方法還可以被組合地採用並且在此在要在頭上佩戴的助聽器的整個頻率範圍上以特別有利的方式補充。圖4示意性示出了在雙耳側面感知情況下用於改善信噪比的前面解釋的方法。在步驟SI中雙耳麥克風裝置接收聲音信號。這樣的麥克風裝置包括至少兩個麥克風，分別佩戴在助聽器佩戴者頭部左側或右側。各個麥克風裝置還可以分別包括例如可以實現對於向前和向後的方向性的多個麥克風。在步驟S2中確定側面方向，麥克風裝置的最高靈敏度應該定向在該方向上。該方向例如可以自動地根據環境噪聲的聲學分析或者根據用戶輸入來確定。作為最高靈敏度的方向，選擇有用聲音信號源所位於或估計位於的那個空間方向。目前因此其也被稱為有用信號方向。在該方向上設置的麥克風或麥克風裝置類似地也被稱為有用信號麥克風。在步驟S3中類似於前面解釋的步驟確定側面方向，麥克風裝置的最小靈敏度應該定向在該方向上。目前因此其也被稱為幹擾信號方向並且在該方向上設置的麥克風或麥克風裝置也被稱為幹擾信號麥克風。在步驟S4中將麥克風的輸出信號分解到具有高於至少700Hz、也可能是IkHz的邊界頻率的高頻的頻率範圍中和具有低於I. 5kHz、也可能是IkHz的邊界頻率的低頻的頻率範圍中。在步驟S5至S7中在高頻範圍中進一步處理麥克風信號。在步驟S5中根據有用信號麥克風的輸出信號確定或估計有用信號水平。在步驟S6中根據幹擾信號麥克風的輸出信號確定或估計幹擾信號水平。在步驟S6中使用前面所確定的有用信號水平和幹擾信號水平計算濾波器，優選維納濾波器。信號水平以及濾波器可以對於整個高頻範圍被確定。但是也可以進行到在高頻範圍內部的頻帶中的分解並且濾波可以個別地對於每個頻帶進行。在步驟S7中將此前計算的濾波器在高頻範圍中單獨地應用於右側和左側的麥克風或麥克風裝置的各自的輸出信號。在步驟S8至S13中進一步處理低頻範圍的麥克風信號。在步驟S8中計算在有用信號方向上具有高靈敏度的傳統的差分雙耳定向麥克風，由此獲得第二有用信號。在步驟S9中計算在幹擾信號方向上具有高靈敏度的傳統差分雙耳定向麥克風， 由此獲得第二幹擾信號。在步驟SlO中根據第二有用信號確定或估計第二有用信號水平。在步驟Sll中根據第二幹擾信號確定或估計第二幹擾信號水平。在步驟S12中使用前面所確定的第二有用信號水平和第二幹擾信號水平計算第二濾波器，優選維納濾波器。第二信號水平以及濾波可以對於整個低頻範圍被確定。但是也可以進行到在低頻範圍內部的頻帶中的分解並且濾波可以個別地對於每個頻帶進行。在步驟S13中將此前計算的濾波器在低頻範圍中單獨地應用於右側和左側麥克風或麥克風裝置的各自的輸出信號。在步驟S14中將兩個頻率範圍的或在進一步分解到頻帶的情況下全部的頻帶的麥克風的經濾波的輸出信號綜合為雙耳麥克風裝置的經濾波的輸出信號。圖中未示出的方法實施變形包括以下解釋的步驟-利用至少兩個麥克風接收聲學有用信號,其中一個麥克風比另一個麥克風更靠近聲學有用信號的源，-將靠近源設置的麥克風確定為有用信號麥克風並且遠離源的麥克風為幹擾信號麥克風，-確定相關的頻率範圍，該頻率範圍包括比700Hz高的頻率，-根據幹擾信號麥克風的輸出信號確定相關頻率範圍中的幹擾信號水平，-根據有用信號麥克風的輸出信號確定相關頻率範圍中的有用信號水平，並且-根據估計的幹擾信號水平和估計的有用信號水平確定用於放大利用麥克風接收的聲音信號的放大係數。按照一種擴展，將麥克風的輸出信號分解到頻帶，並且分別單獨地對於一個或多個頻帶確定放大係數。按照另一種擴展，按照公式放大係數(維納)=有用信號水平/ (有用信號水平+幹擾信號水平)，確定放大係數(維納)。按照另一種擴展，有用信號麥克風布置在由助聽器佩戴者右側佩戴的助聽器上並且幹擾信號麥克風布置在左側佩戴的助聽器上，或者反之。按照另一種擴展，作為有用信號水平和/或作為幹擾信號水平估計以下的一個或多個能量、功率、振幅、平滑的振幅、平均的振幅、電平。另一種擴展還包括以下步驟
-利用包括至少兩個麥克風的麥克風裝置接收聲學有用信號，其中一個麥克風比另一個麥克風更靠近聲學有用信號的源，-將靠近源設置的麥克風確定為有用信號麥克風並且遠離源的麥克風為幹擾信號麥克風，-確定相關的頻率範圍，該頻率範圍包括小於I.5kHz的頻率，-通過麥克風裝置的輸出信號的差分處理確定幹擾信號，其中在靠近源設置的麥克風的方向上比在相反方向上實現更低的靈敏度，-根據幹擾信號在相關頻率範圍中確定幹擾信號水平，-通過麥克風裝置的輸出信號的差分處理確定有用信號，其中在靠近源設置的麥克風的方向上比在相反方向上實現更高的靈敏度，-根據有用信號在相關頻率範圍中確定有用信號水平，並且 -根據幹擾信號水平和有用信號水平確定用於放大利用麥克風接收的聲學信號的放大係數，其中將放大係數單獨地應用於麥克風裝置的每個輸出信號。按照另一種擴展，將麥克風的輸出信號分解到頻帶，並且分別單獨對於一個或多個頻帶確定放大係數。按照另一種擴展，按照公式放大係數(維納)=有用信號水平/ (有用信號水平+幹擾信號水平)，確定放大係數(維納)。按照另一種擴展，有用信號麥克風布置在由助聽器佩戴者右側佩戴的助聽器上並且幹擾信號麥克風布置在左側佩戴的助聽器上，或者反之。按照另一種擴展，作為有用信號水平和/或作為幹擾信號水平估計以下的一個或多個能量、功率、振幅、平滑的振幅、平均的振幅、電平。按照另一個擴展，如在前面段落中解釋地那樣確定在包括了小於I. 5kHz的頻率的低頻範圍中的放大係數，並且如在前面段落中更前面的段落中解釋地那樣確定在包括了高於700Hz的頻率的高頻範圍中的放大係數。可以如下總結本發明本發明涉及這樣用於基於麥克風裝置側面出現的聲學有用信號改進在兩個或多個麥克風的麥克風裝置的輸出信號中的信噪比的方法和系統。這樣的方法和系統可以在助聽設備、特別是助聽器佩戴者頭部佩戴的助聽器中採用。為了解決該問題，本發明建議，不同地處理高的和低的頻率分量(邊界頻率在700Hz和I. 5kHz之間的範圍內，例如大約1kHz)。在低頻範圍中產生向左和向右定向的差分麥克風信號，以便根據這兩個定向的信號確定側面的有用聲音和幹擾聲音的水平。這些水平又用於維納濾波並且對每個麥克風信號單個地進行維納濾波。附加地還可以在高頻範圍中利用自然的頭部遮蔽效應作為預濾波，用於為了然後的維納濾波而進行幹擾聲音估計和有用聲音估計。然後對每個麥克風信號單個地進行維納濾波。該方法例如分別單個地對於高頻或對於低頻可以在要佩戴在頭上的助聽器設備中被採用，但是該方法也可以組合地使用並且在此以特別有利的方式補充。
權利要求
1.一種用於改善在側面出現的聲學有用信號情況下的信噪比的方法，包括 -利用至少兩個麥克風接收聲學信號，其中一個麥克風比另一個麥克風更靠近聲學信號的源， -確定一個空間方向作為有用信號方向和一個空間方向作為幹擾信號方向， -通過麥克風裝置的輸出信號的差分處理確定幹擾信號，其中在有用信號方向上比在幹擾信號方向上實現更低的靈敏度， -通過麥克風裝置的輸出信號的差分處理確定有用信號，其中在有用信號方向上比在 幹擾信號方向上實現更高的靈敏度， -根據幹擾信號確定幹擾信號水平， -根據有用信號確定有用信號水平，並且 -根據幹擾信號水平和有用信號水平確定用於放大利用麥克風接收的聲學信號的放大係數。
2.根據權利要求I所述的方法，還包括步驟 -確定相關的頻率範圍，該頻率範圍包括比I. 5kHz低的頻率。
3.根據權利要求I所述的方法，還包括步驟 -確定相關的頻率範圍，該頻率範圍包括比IkHz低的頻率。
4.根據權利要求2或3所述的方法，還包括步驟 -確定相關頻率範圍中的有用信號水平。
5.根據權利要求2至4中任一項所述的方法，還包括步驟 -確定相關頻率範圍中的幹擾信號水平。
6.根據上述權利要求中任一項所述的方法，還包括步驟 -將靠近源設置的麥克風確定為有用信號麥克風並且遠離源的麥克風確定為幹擾信號麥克風， -根據幹擾信號麥克風的輸出信號確定第二幹擾信號水平， -根據有用信號麥克風的輸出信號確定第二有用信號水平，並且-根據第二幹擾信號水平和第二有用信號水平確定用於放大利用麥克風所接收的聲音信號的放大係數。
7.根據權利要求6所述的方法，還包括步驟 -確定第二相關的頻率範圍，該頻率範圍包括比700Hz高的頻率。
8.根據權利要求6所述的方法，還包括步驟 -確定第二相關的頻率範圍，該頻率範圍包括比IkHz高的頻率。
9.根據權利要求7或8所述的方法，還包括步驟 -確定第二相關頻率範圍中的有用信號水平。
10.根據權利要求7至9中任一項所述的方法，還包括步驟 -確定第二相關頻率範圍中的幹擾信號水平。
11.根據上述權利要求中任一項所述的方法，還包括步驟 -將放大係數單獨地應用於麥克風裝置的每個輸出信號。
12.根據上述權利要求中任一項所述的方法，還包括步驟 -將麥克風的輸出信號分解到頻帶，並且-分別單獨地對於一個或多個頻帶確定放大係數。
13.根據上述權利要求中任一項所述的方法，還包括步驟 -取決於方向地確定所述放大係數。
14.根據上述權利要求中任一項所述的方法，還包括步驟 按照公式放大係數(維納)=有用信號水平/(有用信號水平+幹擾信號水平)，確定放大係數(維納)。
15.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中，有用信號麥克風布置在由助聽器佩戴者右側佩戴的助聽器上並且幹擾信號麥克風布置在左側佩戴的助聽器上，或者反之。
16.根據上述權利要求中任一項所述的方法，其中，作為有用信號水平和/或作為幹擾信號水平，確定以下的一個或多個參數能量、功率、振幅、平滑的振幅、平均的振幅、電平。
全文摘要
本發明涉及用於基於麥克風裝置側面出現的聲學有用信號改進在兩個或多個麥克風的麥克風裝置的輸出信號中的信噪比的方法和系統。這樣的方法和系統可以在助聽設備，特別是助聽器佩戴者頭部佩戴的助聽器中採用。為了解決該問題，本發明建議，不同地處理高和低的頻率分量(邊界頻率在700Hz和1.5kHz之間的範圍內，例如大約1kHz)。在低頻範圍中產生向左和向右定向的差分麥克風信號，以便根據這兩個定向的信號確定側面的有用和幹擾聲音的水平。這些水平又用於維納濾波並且對每個麥克風信號單個地進行維納濾波。附加地還可以在高頻範圍中利用自然的頭部遮蔽效應作為預濾波，用於為了然後的維納濾波而進行幹擾和有用聲音估計。然後對每個麥克風信號單個地進行維納濾波。該方法例如分別單個地對於高頻或對於低頻可以在要佩戴在頭上的助聽器設備中被採用，但是該方法也可以組合地使用並且在此以特別有利的方式補充。
文檔編號H04R25/00GK102783184SQ201080064955
公開日2012年11月14日 申請日期2010年7月7日 優先權日2010年2月19日
發明者E.費希爾 申請人:西門子醫療器械公司