Технология WhistleBlock: Новое слово в устранении обратной связи.

Проблемы устранения обратной связи: Физические механизмы
 
Как уже отмечалось, механизм возникновения обратной связи достаточно прост. Сложнее обстоит дело с параметрами, приводящими к ее развитию. Передаточная функция, определяемая акустическим трактом обратной связи между ресивером и микрофоном, нестабильна и подвержена существенным колебаниям во времени. Это обусловлено тем, что пользователь может поднести какой-либо предмет (например, телефон) к своим слуховым аппаратам, а также приблизиться к стенам или другим отражающим поверхностям, надеть головной убор, жевать, зевать и т.п. Систематический анализ различных параметров, влияющих на возникновение обратной связи [4], позволил сформулировать следующие выводы:

Спектральные, временные и амплитудные характеристики обратной связи существенно различаются в зависимости от механизма ее развития.

Наблюдаются большие межиндивидуальные различия, обусловленные анатомическими особенностями слухового прохода и ушной раковины.

Феномен обратной связи не ограничивается одной частотой. Он обладает сложной, меняющейся во времени спектральной характеристикой, с максимумом в области 1,5-3,0 кГц.

В целом, обратная связь представляет собой сложный динамический феномен, для борьбы с которым требуется столь же сложная адаптивная технология. Помимо динамических изменений акустического тракта, приходится учитывать используемую в слуховом аппарате схему усиления (например, компрессию), адаптивное шумоподавление и т.п., так как они оказывают влияние на передаточную функцию всей системы. Таким образом, устранение обратной связи нуждается в комплексном подходе: необходима очень осторожная интеграция подавления нежелательных сигналов в систему управления аппаратом и обработки звука.

Влияние обратной связи на качество звука

Важно помнить, что акустическая обратная связь влияет на качество звучания слухового аппарата. Обычно обратная связь рассматривается как «свист», аналогичный чистому тону. Однако это справедливо лишь в том случае, если сигнал обратной связи существенно превышает критический порог обратной связи, т.е. является «сверхкритическим». Если же система находится в «докритическом» состоянии и только приближается к порогу обратной связи, частотные характеристики слухового аппарата меняются, приводя к акустическим артефактам: звучание аппарата становится резким, модулированным, искаженным.

Устранение обратной связи

В слухопротезировании используются различные подходы к устранению обратной связи [2]. Наиболее эффективным на сегодняшний день считается адаптивное подавление обратной связи, основанное на инверсии фазы.

Противофазное подавление обратной связи

Для эффективного подавления обратной связи современные микропроцессоры используют сложные стратегии обработки сигнала. Наиболее совершенные из них основаны на так называемой «инверсии фазы». При таком подходе звуковые волны гасятся путем поворота своей собственной фазы на 180°. Это единственная технология, позволяющая устранить обратную связь без потери усиления. Алгоритм включает в себя два этапа:
Оценка и моделирование обратной связи.

Устранение обратной связи.

Для оценки обратной связи производится высокоразрешающий корреляционный анализ сигналов на входе и выходе слухового аппарата. В результате удается количественно оценить обратную утечку звука из ресивера в микрофон. Для подавления обратной связи генерируется противофазный сигнал с таким же частотным спектром, как и сигнал обратной связи. В результате ослабляющей интерференции сигнал обратной связи эффективно подавляется без потери усиления. В настоящее время инверсия фазы (или противофазное подавление) обратной связи – общепринятый и доказавший свою эффективность метод. Однако системы устранения обратной связи должны включаться только в случае необходимости. В ситуациях с меньшей вероятностью возникновения свиста настройки подавления обратной связи должны быть менее агрессивными, чем в ситуациях с большой вероятностью ее появления. Алгоритмы, эффективно устраняющие обратную связь, могут ошибочно принимать естественные звуки за свист, подлежащий подавлению. Кроме того, необходимо учитывать степень противофазного подавления. Традиционным системам устранения обратной связи приходится соблюдать надлежащий баланс между подавлением обратной связи, качеством звука и эффективным усилением слухового аппарата. Поэтому для работы всей системы звукоусиления в целом следует оптимизировать параметры ее работы применительно к каждой конкретной акустической ситуации. Например, подавлению обратной связи отдается приоритет по сравнению с качеством звука при разговоре по телефону, так как вероятность появления свиста в такой ситуации очень велика. С другой стороны, в программе прослушивания музыки адаптивная система устранения обратной связи настроена на обеспечение максимального качества звука за счет уменьшения агрессивности подавления свиста, потому что вероятность его возникновения в данной ситуации невелика. Современные системы звукоусиления способны устранять свист, однако большинство из них неправильно принимает за обратную связь тональные или коррелированные компоненты сигнала, что ведет к возникновению неприятных артефактов. В результате не только страдает качество звучания слухового аппарата, но и уменьшается его эффективное усиление. Существующие системы могут быть настроены на более эффективное и быстрое устранение обратной связи, если пользователь готов согласиться с возникающими при этом артефактами и, как следствие, ухудшением качества звука. Из вышеизложенного следует, что для преодоления существующих ограничений необходимо точно идентифицировать обратную связь и отличать ее от прочих тональных компонентов сигнала.

Технология WhistleBlock – революционный алгоритм идентификации и устранения обратной связи

Благодаря высокой точности и эффективности, технология WhistleBlock представляет собой значительный шаг вперед в противофазном устранении обратной связи. Она использует новый модуль идентификации и тегирования (маркировки). Модуль способен мгновенно отличить истинную обратную связь от естественных тональных звуков, таких как музыка. На рис. 1 проиллюстрирован компромисс между эффективностью системы подавления обратной связи (с точки зрения добавочного стабильного усиления) и качеством звука. В существующих системах устранения обратной связи усиление подавления свиста ведет к ухудшению качества звука. Применение технологии WhistleBlock позволяет избавиться от этого компромисса и добиться большего стабильного усиления при сохранении качества звука. Точная идентификация звуков, повторно поступающих в систему, обеспечивает блокирование обратной связи без снижения разборчивости речи и ухудшения качества звучания слухового аппарата (см. рис. 2). За счет дифференцирования компонентов обратной связи и коррелированных тональных компонентов сигнала можно гораздо более агрессивно подавлять свист, избегая нежелательных артефактов.

Рис. 2. Принцип действия системы WhistleBlock (пояснения в тексте).

Оценка эффективности функционирования технологии WhistleBlock

Работу системы устранения обратной связи можно оценить по нескольким критериям. Чаще всего используются следующие показатели [3, 5]: (1) добавочное стабильное усиление; (2) эффективное усиление; (3) надежность и быстрота обнаружения обратной связи; (4) качество звука.


Оценивая эффективность подавления обратной связи, необходимо ответить на следующие вопросы:

•Насколько эффективно данный алгоритм предотвращает обратную связь?
•Насколько эффективно данный алгоритм устраняет субосцилляторные пики частотной характеристики?
•Приводит ли работа данного алгоритма к падению усиления в какой-либо частотной полосе?
•Насколько надежен данный алгоритм в присутствии тональных входных сигналов?
Для ответа на эти вопросы и оценки эффективности системы устранения обратной связи необходимо прибегнуть к воспроизводимой и практичной экспериментальной методике. Например, можно поместить голову манекена в звукоизолированную камеру и имитировать различные ситуации путем перемещения отражающего звук объекта относительно уха и слухового аппарата (рис. 3). С помощью описанной методики эффективность технологии WhistleBlock сравнивалась с другими вариантами устранения обратной связи. Оценивались следующие параметры:

•Добавочное стабильное усиление, показывающее разность допустимого усиления с включенной и выключенной системой подавления обратной связи.
•Качество звука, т.е. количество возникающих артефактов.
•Надежность (способность отличить истинную обратную связь от тональных компонентов сигнала.

Качество звука

На рис. 5 сравнивается количество артефактов (т.е. качество звука) слухового аппарата, использующего технологию WhistleBlock (слева), и аппарата с другой современной системой устранения обратной связи. Представлены две группы спектрограмм: без отражающего объекта вблизи ушной раковины и в присутствии отражающего звук объекта на расстоянии около 2 см от уха. Приведены результаты, полученные при выключенной (верхний ряд) и включенной (нижний ряд) системе устранения обратной связи. Красные участки спектрограмм соответствуют компонентам обратной связи или артефактам. У аппарата, использующего технологию WhistleBlock, артефакты практически отсутствуют, тогда как аппарат с другой системой устранения обратной связи генерирует значительное количество артефактов.

Надежность

Последний из рассматриваемых параметров – надежность. Система устранения обратной связи может ложно принять высококоррелированные тоны за обратную связь и сгенерировать противофазный сигнал. Это ведет к возникновению неприятных артефактов. На рис. 6 приводится сравнение артефактов, возникающих из-за неверной идентификации обратной связи, в слуховых аппаратах, использующих технологию WhistleBlock, и в аппаратах, работающих с применением другой технологии обнаружения обратной связи. В микрофоны слуховых аппаратов с включенным подавлением обратной связи подавалась мелодия звонка мобильного телефона. Обычная система устранения обратной связи (нижняя спектрограмма) создавала модуляционные артефакты, приводящие к возникновению боковых полос вокруг спектральных пиков. Подобные артефакты отсутствовали в аппарате с технологией WhistleBlock (верхняя спектрограмма). В этом случае система устранения обратной связи правильно распознает тональные входные сигналы и не пытается их подавить.

Заключение

Технология WhistleBlock, используемая в слуховых аппаратах, построенных на платформе CORE, обеспечивает гораздо более высокое добавочное стабильное усиление, лучшее качество звука и меньшее количество артефактов по сравнению с другими системами устранения обратной связи. Эта технология позволяет решить одну из главных проблем, с которой сталкиваются пользователи слуховых аппаратов –устранить неприятный свист без возникновения дополнительных искажений.

назад