Główne bloki aparatu słuchowego to: mikrofon, układ przetwarzania sygnału i głośnik. Ten pierwszy to przetwornik elektroakustyczny przekształcający fale dźwiękowe docierające do ucha w sygnały elektryczne. Są one poddawane obróbce stosowanie do ubytków słuchu u danej osoby. Te ocenia lekarz, badając wrażliwość każdego ucha oddzielnie na dźwięki o określonych częstotliwościach. Następnie odpowiednio wzmocniony sygnał jest emitowany w kanale słuchowym przez głośnik.
Przetwarzanie sygnału
Projekt aparatu słuchowego powinien uwzględniać różne cechy użytkowe, jak czas pracy na baterii, intuicyjność obsługi, wygoda noszenia. Kluczowe jest jednak jego główne zadanie, czyli efektywna kompensacja ubytków słuchu. Chodzi nie tylko o to, by dźwięki, które za pośrednictwem aparatu słuchowego docierają do użytkownika, były głośniejsze, ale by były wyraźniejsze. Dzięki temu może je nie tylko usłyszeć, ale również zrozumieć, rozróżniając i rozpoznając poszczególne słowa na tle szumów z otoczenia. Za tę funkcjonalność odpowiada blok przetwarzania sygnałów. Od jego komponentów i parametrów pracy, które powinny jak najlepiej odwzorowywać ludzki układ słuchowy, zależy jakość dźwięków, które słyszy użytkownik. W aparatach słuchowych sygnał przechodzi przez kilka etapów przetwarzania. Różnice między różnymi modelami tych urządzeń dotyczą sposobu ich realizacji.
Pierwszym krokiem jest konwersja sygnału analogowego rejestrowanego przez mikrofon na sygnał cyfrowy. Następnie przechodzi on przez zestaw cyfrowych filtrów pasmowo-przepustowych, gdzie jest rozdzielany na składowe ze względu na częstotliwość. Są one niezależnie poddawane obróbce w bloku przetwarzania. Ma ona na celu wzmocnienie wybranych składowych, aby skompensować ubytki słuchu na określonych częstotliwościach zgodnie z profilem niedosłuchu użytkownika, a jednocześnie powinna zapewnić wrażenia słuchowe jak najbardziej zbliżone do tych naturalnych. Typowe w tym kroku są: kompresja zakresu dynamiki dźwięków i usuwanie szumów. Kolejny etap to rekonstrukcja sygnału z poddanych obróbce składowych w drugim zestawie filtrów. Ostatecznie, po konwersji do postaci analogowej, jest on emitowany przez głośnik.
Kompresja zakresu dynamiki
Standardem w nowoczesnych aparatach słuchowych jest zastosowanie kompresji zakresu dynamiki dźwięku (Dynamic Range Compression, DRC). Automatycznie dostosowuje ona wzmocnienie, aby ciche dźwięki pogłośnić, a te głośne ściszyć. Jest to kluczowy algorytm przetwarzania sygnałów w aparatach słuchowych. Niestety może on również powodować zniekształcenia i wzmacniać hałasy tła. Przez to jakość dźwięku w głośnym otoczeniu się pogarsza.
Zakres dynamiki jest różnicą pomiędzy najgłośniejszym i najcichszym dźwiękiem słyszanym przez daną osobę. U ludzi z ubytkiem słuchu jest on węższy niż u osób z prawidłowym słuchem. Zwykle ci pierwsi potrzebują wzmocnienia, by słyszeć ciche dźwięki, ale głośne i bez niego słyszą wyraźnie. Jeżeli zatem aparat słuchowy wzmacniałby wszystkie dźwięki jednakowo, te głośne stawałyby się uciążliwe. Aby mieć pewność, że ciche dźwięki, jak mowa, są wystarczająco wzmocnione, by można je było zrozumieć, a głośne, jak klaksony samochodowe, nie staną się uciążliwe ani niebezpieczne, w aparatach słuchowych wzmocnienie dostosowuje się do natężenia dźwięków. Dla tych cichych jest większe niż dla głośnych. Zakres dynamiki sygnału wyjściowego aparatu słuchowego jest więc mniejszy niż ten dźwięków docierających do mikrofonu.
Wzmocnienie w algorytmie DRC określa krzywa kompresji. Im jest bardziej płaska, tym bardziej ograniczony jest zakres dynamiki dźwięku. Na przykład, jeżeli współczynnik kompresji wynosi 3:1 oznacza to, że sygnał wyjściowy zwiększa się o 1 dB na każde 3 dB wzrostu sygnału wejściowego. Kształt krzywej kompresji jest programowany przez producenta aparatu słuchowego albo lekarza. Może być inny dla różnych użytkowników albo trybów słuchania. Zazwyczaj aparat słuchowy na głośne dźwięki reaguje szybko, zmniejszając wzmocnienie do akceptowalnego poziomu, natomiast wzmocnienie tych cichych zwiększa stopniowo.
Zniekształcenia
DRC to algorytm nieliniowy, przez co jeżeli zostanie zastosowany do wielu dźwięków jednocześnie, może powodować zniekształcenia. Dlatego aparaty słuchowe w głośnym otoczeniu, na przykład w zatłoczonej restauracji, zamiast poprawiać, pogarszają jakość dźwięków docierających do osoby z ubytkiem słuchu. Dzieje się tak, kiedy nagły głośny dźwięk spowoduje zmniejszenie wzmocnienia zastosowanego do cichego dźwięku, na przykład jeżeli użytkownik aparatu słuchowego prowadzi rozmowę, a w tle niespodziewanie trzasną drzwi. By chronić go przed hałasem, algorytm kompresji automatycznie zmniejszy wówczas wzmocnienie. Ponieważ jednak zostanie ono zastosowane do wszystkich rejestrowanych dźwięków, także głos rozmówcy użytkownika zostanie ściszony. Jeżeli źródeł hałasu w tle będzie więcej, dźwięki interesujące osobę niedosłyszącą zostaną zniekształcone. Kompresja DRC może również nasilać hałas otoczenia – użytkownicy aparatów słuchowych często skarżą się, że wydają się one go wzmacniać. Generalnie algorytm kompresji zakresu dynamiki dźwięku najlepiej sprawdza się w cichym środowisku. Jego ograniczenia próbuje się omijać na różne sposoby.
W niektórych modelach aparatów słuchowych stosuje się techniki redukcji hałasu, które blokują dźwięki o niskim natężeniu, jak te emitowane na przykład przez klimatyzatory i przetwarzają te o wysokim natężeniu, jak mowa. W innych algorytm rozpoznaje, czy użytkownik słyszy rozmowę, czy hałas i stosownie przełącza ustawienia przetwarzania. Powodem niskiej skuteczności tych rozwiązań jest to, że obróbce poddawany jest równocześnie więcej niż jeden dźwięk.
Lepszym podejściem jest stosowanie oddzielnego przetwarzania DRC do dźwięków pochodzących z różnych źródeł. W tym celu w aparatach słuchowych korzysta się z mikrofonów o specjalnie ukształtowanych charakterystykach kierunkowych. To pozwala na niezależne stosowanie kompresji zakresu dynamiki do dźwięków docierających z różnych kierunków.
Mikrofony – przegląd typów
W aparaty słuchowe wbudowuje się mikrofony różnych typów. Są to zwykle mikrofony dookólne, kierunkowe, ich kombinacje albo mikrofony kierunkowe adaptacyjne.
Mikrofony dookólne rejestrują dźwięki ze wszystkich kierunków, niezależnie od tego, czy dochodzą z przodu, z tyłu czy z boku użytkownika, z jednakową czułością. Jest to najpowszechniej spotykany typ odbiorników w aparatach słuchowych. Mikrofony dookólne dobrze sprawdzają się w cichym otoczeniu takim jak dom, nie są natomiast najlepszym wyborem w hałaśliwych miejscach publicznych. Dlatego zazwyczaj łączy się je z mikrofonami kierunkowymi, aby wykorzystać mocne strony obu rodzajów rejestratorów.
Mikrofony kierunkowe z największą czułością odbierają dźwięki z jednego kierunku. W przypadku tych wbudowanych w aparaty słuchowe charakterystyka jest zwykle ukształtowana w taki sposób, by rejestrowały przede wszystkim dźwięki ze źródeł znajdujących się przed osobą, która ma ubytek słuchu. Ten typ przetwornika elektroakustycznego jest najskuteczniejszy w głośnym otoczeniu – pozwala użytkownikowi skupić się na dźwiękach dochodzących z przodu, bez rozpraszania się hałasem w tle, na przykład podczas rozmowy na przyjęciu, na ulicy lub w zatłoczonej restauracji. Aparaty słuchowe, które wyposaża się w mikrofony dookólne i kierunkowe zwykle przełączają się między nimi automatycznie albo to użytkownik je aktywuje (przyciskiem lub zdalnie za pośrednictwem aplikacji) w zależności od typu i poziomu dźwięków akurat występujących w otoczeniu.
Natomiast mikrofony kierunkowe adaptacyjne, będące najbardziej zaawansowanym rozwiązaniem spotykanym w aparatach słuchowych z najwyższej półki cenowej, automatycznie zmieniają charakterystykę kierunkową w zależności od specyfiki dźwięków do nich docierających. Zapewnia to użytkownikowi swobodę w zakresie przemieszczania się między środowiskami różniącymi się pod względem charakteru i natężenia dźwięków.
Filtry w aparatach słuchowych
Główna różnica między aparatami słuchowymi oferowanymi przez różnych producentów dotyczy rodzaju filtrów. W większości modeli są to filtry, w których operacje na sygnale przeprowadzane są w dziedzinie częstotliwości, czyli na jego widmie. Naturalniejszy dźwięk można jednak uzyskać dzięki filtrom działającym w dziedzinie czasu, czyli na kolejnych próbkach sygnału. Aby wyjaśnić, dlaczego tak jest, należy przypomnieć, na czym polega kompromis między rozdzielczością czasową, a częstotliwościową, który jest nieunikniony w przypadku filtrów obu typów.
Rozdzielczość czasowa charakteryzuje możliwość rozróżniania zmian w sygnale wejściowym w czasie. Filtry o dużej rozdzielczości czasowej na zmiany w sygnale reagują szybko, podczas gdy te o małej rozdzielczości czasowej reagują z opóźnieniem. Filtr, na przykład o skończonej odpowiedzi impulsowej, z krótszym oknem czasowym, ma większą rozdzielczość czasową niż ten z dłuższym oknem. Rozdzielczość częstotliwościowa określa możliwość rozróżniania różnych częstotliwości sygnału. Filtr o dużej rozdzielczości częstotliwościowej może odróżnić bliskie częstotliwości. Filtr wąskopasmowy ma większą rozdzielczość częstotliwościową niż filtr szerokopasmowy.
Pomiędzy rozdzielczościami czasową i częstotliwościową występuje zależność – poprawa jednej prowadzi do pogorszenia drugiej. W konsekwencji im szersze jest pasmo przenoszenia filtru, tym większa jest jego rozdzielczość czasowa, natomiast im węższe pasmo, tym większa rozdzielczość częstotliwościowa, ale uzyskiwana kosztem gorszej rozdzielczości czasowej.
Specyfika układu słuchowego
Wracając do filtrów będących komponentami aparatów słuchowych, to te, które działają w dziedzinie częstotliwości dzielą sygnał wejściowy na składowe o jednakowej szerokości, na przykład 200 Hz. Przedziały te są zwykle stosunkowo wąskie. Wynika to stąd, że taka szerokość jest wymagana dla najniższych częstotliwości, przy których rozdzielczość częstotliwościowa ucha jest największa. W efekcie z taką precyzją analizowane są niepotrzebnie też wyższe częstotliwości, a wszystkie filtry w zestawie mają małą stałą rozdzielczość czasową niezależnie od częstotliwości sygnału wejściowego i wprowadzają znaczne opóźnienia.
Filtry, które działają w dziedzinie czasu, są pod tym względem elastyczniejsze. W ich przypadku szerokość pasma przepustowego jest ustalana stosownie do potrzeb w zależności od częstotliwości sygnału. W efekcie dla każdej jego składowej można uzyskać indywidualnie dobrane rozdzielczości czasową i częstotliwościową. Zatem, kiedy jest to wymagane, filtry reagują szybciej lub dokładniej, dopasowując się do specyfiki przetwarzanego sygnału. Aby wyjaśnić, dlaczego filtry tego rodzaju zapewniają naturalniejsze wrażenia słuchowe, trzeba wyjaśnić, jak ludzie mówią i jak słyszą.
Ucho to układ logarytmiczny. Ma największą rozdzielczość częstotliwościową w zakresie niższych częstotliwości i największą rozdzielczość czasową w zakresie wyższych częstotliwości. To wynika z jego budowy, która z kolei jest uzasadniona specyfiką głosek. Spółgłoski są krótkie w czasie, ale zajmują szeroki przedział w zakresie wyższych częstotliwości, z kolei samogłoski, odwrotnie, są dłuższe w czasie, ale zajmują wąskie pasmo w zakresie niższych częstotliwości. W związku z tym, by jak najlepiej odwzorować układ słuchowy, wysokie częstotliwości powinny być przetwarzane z większą rozdzielczością czasową, by jak najdokładniej rozróżnić spółgłoski, a niskie częstotliwości z większą rozdzielczością częstotliwościowa, by rozpoznać samogłoski. Te wymogi łatwiej spełnić, korzystając z filtrów działających w dziedzinie czasu.
Downsampling i opóźnienia
Z drugiej strony, w przypadku filtrów, które działają w dziedzinie częstotliwości, wprowadzenie etapu downsamplingu przynosi realne korzyści, bo ograniczenie liczby próbek sygnału pozwala na rzeczywiste obniżenie zużycia energii na ich przetwarzanie (mniej próbek sygnału → mniej właściwych operacji w ramach etapu kompresji i usuwania szumów → mniejsza złożoność obliczeniowa). W filtrach w dziedzinie czasu natomiast korzyści ze zmniejszenia częstotliwości próbkowania są niewielkie i nie są w stanie zrekompensować ryzyka powstania artefaktów w sygnale. Oznacza to w praktyce, że w aparatach słuchowych, w których korzysta się z tego typu filtrów, trzeba zastosować inne mechanizmy, żeby utrzymać odpowiednio niskie zużycie energii, ale ponieważ nie wprowadza się downsamplingu, uzyskuje się dźwięk mniej zniekształcony. Za filtrami, które działają w dziedzinie czasu, przemawia również to, że wprowadzają mniejsze opóźnienie.
Jest to czas, który upływa zanim sygnał odebrany przez mikrofon aparatu słuchowego, po obróbce, dociera do błony bębenkowej. Jest to główny czynnik wpływający na jakość dźwięku, jaki odbiera użytkownik. Jak pisaliśmy wyżej, wszystkie filtry w zestawie, działające w dziedzinie częstotliwości, wprowadzają jednakowo duże opóźnienie Ponadto w ich przypadku zwykle stosuje się wspomniany downsampling, który także wprowadza pewne przesunięcie w czasie. W konsekwencji w aparatach słuchowych z filtrami tego typu opóźnienia wynoszą przeważnie 5–10 ms. Może się wydawać, że to niewiele. W zależności jednak od konstrukcji aparatu, szczególnie w modelach otwartych wentylowanych, na skutek nakładania się dźwięków dochodzących bezpośrednio przez otwór wentylacyjny z tymi przetworzonymi uzyskuje się niestety niepożądany efekt filtru grzebieniowego. Dla porównania w filtrach w dziedzinie czasu można osiągnąć opóźnienia nawet tak małe, jak zaledwie 0,5 ms.
Nowe technologie
Chociaż aparaty słuchowe mogą się kojarzyć jako urządzenia, z których korzystają głównie ludzie w podeszłym wieku, nie oznacza to wcale, że ich producenci nie wprowadzają w nich nowinek technicznych znanych odbiorcom elektroniki użytkowej. Wynika to stąd, że po pierwsze, problemy ze słuchem przestają być schorzeniem, które dotyka wyłącznie ludzi starszych. Wręcz przeciwnie, coraz liczniejsza grupa młodych ludzi słyszy gorzej, przede wszystkim w związku z większym narażeniem na dźwięki o niebezpiecznie wysokim natężeniu – na przykład w Stanach Zjednoczonych już aż u 20% dwudziestolatków stwierdzono utratę słuchu wywołaną hałasem. Po drugie, starsze osoby są coraz lepiej zaznajomione z nowymi technologiami, głównie dzięki upowszechnieniu się smartfonów, więc również obsługa coraz bardziej technicznie zaawansowanych aparatów słuchowych nie sprawia im problemu.
Przykładowo starsze aparaty słuchowe standardowo wyposażano w okresowo wymieniane baterie, natomiast nowoczesne modele z wbudowanym akumulatorem można ładować, na przykład w nocy, kiedy się z nich nie korzysta. To nie tylko wygodniejsze, ale i tańsze rozwiązanie. Aparaty słuchowe z obsługą Bluetooth można podłączyć bezpośrednio do smartfona, telewizora lub innego urządzenia elektronicznego. Umożliwia to słuchanie muzyki, filmów i prowadzenie rozmów telefonicznych za pośrednictwem aparatu słuchowego. Można też dzięki temu zmieniać jego ustawienia, korzystając z odpowiednich aplikacji, co zapewnia personalizację. Dzięki różnym opcjom łączności i sensorom wbudowanym w aparaty słuchowe ich najnowocześniejsze modele są oprócz tego w stanie wykryć upadek osoby, która je nosi i automatycznie powiadomić o tym służby ratunkowe.
Monika Jaworowska
