DE69507452T2

DE69507452T2 - Dynamic-intensity-strahlformungssystem zur geräuschverminderung in einem binauralen hörhilfegerät

Info

Publication number: DE69507452T2
Application number: DE69507452T
Authority: DE
Inventors: Eric Boulder Co 80304 Lindemann
Original assignee: Audiologic Inc
Current assignee: Audiologic Inc
Priority date: 1994-01-21
Filing date: 1995-01-20
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2015-01-21
Also published as: DE69507452D1; ATE176116T1; DK0740893T3; US5511128A; AU1833395A; EP0740893B1; EP0740893A1; WO1995020305A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Fachgebiet der Erfindung:

Diese Erfindung betrifft binaurale Hörhilfegeräte, und insbesondere ein Geräuschverminderungssystem zum Einsatz in einem binauralen Hörhilfegerät.

Beschreibung des Standes der Technik:

Geräuschverminderung bedeutet in Anwendung auf Hörhilfegeräte die Dämpfung unerwünschter Signale und die Verstärkung erwünschter Signale. Erwünschte Signale sind üblicherweise Sprache, die der Benutzer des Hörhilfegeräts zu verstehen versucht. Unerwünschte Signale können irgendwelche Geräusche in der Umgebung sein, die mit den prinzipiellen Sprecher interferieren. Diese unerwünschten Geräusche können andere Sprecher, Speiseraumgeklapper, Musik, Verkehrsgeräusche usw. sein. Es hat drei Hauptbereiche der Untersuchungen der Geräuschverminderung mit Anwendung auf Hörhilfegeräte gegeben: Richtungsabhängige Strahlformung, Spektrale Subtrahierung, auf Tonhöhe begründete Sprachhervorhebung.
Der Zweck der Strahlformung bei einem Hörhilfegerät ist, die Illusion eines "Tunnel-Hörvorgangs" zu schaffen, bei dem der Hörer hört, worauf er schaut, aber keine Geräusche hört, die aus anderen Richtungen kommen. Wenn er in die Richtung eines erwünschten Schalls blickt - z. B. irgendjemanden abschaut, zu dem er spricht - werden andere, die Aufmerksamkeit ablenkende Geräusche - z. B. andere Sprecher - geschwächt. Ein Strahlformer trennt dann die erwünschten "Sichtlinien"-(Online-) Zielsignale von den unerwünschten "Abseits"-(Off-Line-) Störsignalen, so daß das Ziel verstärkt werden kann, während die Störung geschwächt wird.
Die Untersuchenden haben versucht, während einer Anzahl Von Jahren die Strahlformung zur Verbesserung des Signal/Rausch- Verhältnisses für Hörhilfegeräte zu benutzen (Referenzen 1, 2, 3, 5, 6, 7). Drei Hauptvorgehensweisen wurden vorgeschlagen. Die einfachste Vorgehensweise besteht darin, rein analoge Verzögerungs- und Summierungs-Techniken zu benutzen (2). Eine ausgeklügeltere Vergehensweise benutzt adaptive FIR-Filtertechniken mit Verwendung Von Algorithmen, wie den Griffiths- Jim-Strahlformer (1, 3). Diese adaptiven Filtertechniken erfordern eine digitale Signalbearbeitung und wurden ursprünglich im Umfeld einer Antennenanordnungs-Strahlformung für Radaranwendungen entwickelt (4). Noch eine weitere Vorgehensweise wird motiviert durch ein Modell des menschlichen binauralen Hörsystems (8, 9). Während die ersten beiden Lösungswege zeitabhängig verlaufen, ist der letztere frequenzabhängig.
Eine Anzahl von Problemen ist mit all diesen Lösungswegen zur Strahlformung verbunden gewesen. Die Verzögerungs- und Summierungs- und die adaptiven Filter-Ansätze haben danach getrachtet, echohaltige, hallträchtige Hörsituationen aufzulösen; jeder reale Raum besitzt so viele akustische Reflexionen, die von Wänden und Deckenflächen kommen, daß die adaptiven Filter in hohem Maße unfähig werden, zwischen erwünschten Tönen, die von vorne kommen, und unerwünschten Tönen, die von anderen Richtungen kommen, zu unterscheiden. Die Verzögerungs- und Summierungs- und adaptiven Filtertechniken haben auch eine große Anzahl (> = 8) von Sensoren erfordert, um wirksam zu sein. Das hat es erschwert, diese Systeme in praktisch verwendbare Hörhilfegeräte-Packungen aufzunehmen. Eine Packung, die vorgeschlagen wurde, besteht aus einer Mikrofon-Anordnung quer über der Oberseite einer Brille (2).
Es tritt eine Anzahl von zusätzlichen Problemen für den Strahlformungs-Lösungsweg zur Geräuschverminderung auf, die durch die genannten Strahlformer nach dem Stand der Technik nicht gelöst wurden. Falls der Hörhilfegeräteträger versucht, sich mit mehr als einer Person gleichzeitig zu unterhalten, wie bei einem Essen oder einer Cocktail-Party, wo drei oder vier Leute an der Unterhaltung teilnehmen, muß er seinen Kopf rasch wenden, um zuerst auf einen Sprecher und dann auf den nächsten zu schauen. Dazu kommt, daß er, wenn er auf einen Sprecher blickt, nicht erkennen kann, wenn ein neuer Sprecher zu sprechen begonnen hat, da ein anderer als der Sprecher, den er anblickt, geschwächt wird. Ein anderer Nachteil bei der typischen Strahlformung zur Geräuschherabsetzung bei Hörhilfegeräten ist der unnatürliche, fast klaustrophobische Effekt, den der Hörhilfegeräteträger erfährt. Er begrenzt den Nutzen der Strahlformung bei Situationen mit besonders hohen Geräuschpegeln, wie in Gaststätten und bei Parties, wo der Wunsch zur Verständigung die Erfordernisse der Natürlichkeit überschattet. Ein anderes Problem sind hörbare Artefakte, die einem Wasserfall oder einem rauschenden Bach gleichen, die am meisten bei niedrigen Signalpegeln bemerkbar sind, wenn niemand spricht, oder wenn keine bedeutsamen Schallquellen in dem Raum außer der Hintergrund-Umgebung vorhanden sind, wie: Gebläse, Heizer usw.
Es wird auch auf die am 23.3.1995 als WO-A-9508248 veröffentlichte und in den Geltungsbereich des Art.54(3) EPÜ fallende EP-Anmeldung 94 928 132.3 verwiesen, die auf ein Geräuschverminderungssystem gerichtet ist, das eine Alternative zu dem hier beschriebenen System darstellt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel dieser Erfindung, die vorstehend genannten, bei Signalunterscheidungsgeräten wie Strahlformern auftretenden Probleme zu lösen.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, die Natürlichkeit des Schalls zurückzugewinnen und "brabbelnde" Artefakte aus dem durch ein Hörhilfegerät wiedergegebenen Schall zu entfernen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Geräuschverminderungssystem zur Verwendung in einem binauralen Hörhilfegerät gemäß den beigefügten Ansprüchen.
Erfindungsgemäß werden die vorstehenden Probleme gelöst durch eine Signalunterscheidungsvorrichtung, welche die Leist ung des erwünschten Signals und die Leistung des gesamten anliegenden Signals erfaßt, einen Leistungswert aus der erfaßten Leistung erzeugt und die Wunschsignaltrenneinstellung aufgrund des Leistungswertes herstellt. Bei einer Ausführungsform ist der Leistungswert eine Funktion der Gesamtleistung des anliegenden Signals. Bei einer zweiten Ausführungsform ist der Leistungswert eine Funktion des Verhältnisses der Leistung des erwünschten Signals zu der Leistung des gesamten anliegenden Signals.
Die Erfindung bearbeitet selektiv ein durch eine Vielzahl von in einer vorgegebenen Sichtrichtung ausgerichteten Sensoren empfangenes Audiosignal. Ein auf die Signale von den Sensoren reagierender Strahlformer trennt Sichtliniensignale, die aus einer der Blickrichtung nahen Richtung bei den Sensoren ankommen, von Abseitssignalen, die von anderen Richtungen kommen. Überwachungsvorgänge überwachen alle Signale und bestimmen eine kombinierte Stärke für alle Signale sowie eine Sichtlinienstärke für die Sichtliniensignale. Danach geben logische auf die Signalstärke reagierende Vorgänge den Strahlformer frei, wenn die Signalstärke hoch ist, und sperren den Strahlformer, wenn die Signalstärke niedrig ist.
Wenn die Erfindung bei einem binauralen Hörhilfegerät mit Strahlformung angewendet wird, benutzt die Erfindung einen Richtungsschätzvektor in Kombination mit einem Strahlintensitätsvektor, der auf dem Leistungswert begründet ist, um einen Strahlformungsverstärkungsvektor zu erzeugen. Der Richtungsschätzvektor wird durch den Strahlintensitätsvektor skaliert; das Produkt der Vektoren ist der Strahlformungsverstärkungsvektor. Der Strahlformungsverstärkungsvektor wird mit den linken und mit den rechten Signalfrequenzdomänenvektoren multipliziert, um geräuschreduzierte linke und rechte Signalfrequenzdomänenvektoren zu erzeugen.
Der Strahlintensitätsvektor beschreibt für jede Frequenz in welchem Maße die Richtungsschätzung die Strahlformungsver stärkung beeinflußt. Wenn die Strahlintensität gleich Eins ist, wird die volle Richtungsschätzung angewendet und Signale, die von anderen Richtungen als der Sichtrichtung kommen, werden in hohem Maße geschwächt. Wenn die Strahlintensität Null ist, wird keine Richtungsschätzung angewendet, und die Strahlformungsverstärkung ist Eins, ohne Rücksicht auf die Ankunftsrichtung. Wenn die Strahlintensität zwischen Null und Eins liegt, wird eine Teil-Richtungsschätzung angewendet. Das System ist so ausgelegt, daß, bis auf Übergangszeiten, die Strahlintensität entweder Eins mit Voller Strahlformung oder Null ohne Strahlformung ist.
Der Strahlintensitätsvektor kann im Modus-Eins-Betrieb als eine Funktion der Leistung der Summe der linken und rechten Signalfrequenzdomänenvektoren ausgeführt werden. Diese Leistung wird in verschiedenen Teilbändern der linken und rechten Summensignalfrequenzdomänenvektoren gemessen. Die Leistung in jedem Teilband bestimmt die Strahlintensität in diesem Teilband. Wenn die anliegende Signalleistung gering ist, ist die Strahlintensität gering und das Signal kann ohne Rücksicht auf die Ankunftsrichtung ungeschwächt hindurchtreten. Wenn die anliegende Signalleistung hoch ist, ist die Strahlintensität hoch und die Ankunftsrichtung hat eine große Auswirkung auf die Strahlformungsverstärkung in diesem Teilband.
Der Strahlintensitätsvektor wird im Modus-Zwei-Betrieb als eine Funktion des Verhältnisses zwischen der Sichtlinienleistung des Eingangssignals, der Leistung nach Strahlformung, und der Gesamtleistung des Eingangssignals, der Leistung vor Strahlformung, ausgeführt. (Sichtlinienleistung ist die Leistung des längs der Sichtlinie ankommenden Eingangssignals.) Falls dieses Verhältnis hoch ist, was beträchtliche Sichtlinienleistung im Vergleich zur Gesamtleistung anzeigt, werden die Auswirkungen der Strahlformung zu dem Hörhilfegeräteträger durchgeleitet. Wenn das Verhältnis niedrig ist, was geringe Sichtlinienleistung im Vergleich zur Gesamtleistung anzeigt, werden die Auswirkungen der Strahlformung herabgesetzt, und das Originalsignal wird zu dem Hörhilfegeräteträger durchgelassen.
Das Ergebnis des Modus-Eins-Betriebs ist in hohem Maße das gleiche wie bei übliche Strahlformern, außer daß "brabbelnde" Artefakte, die bei Niedrigpegeleingangssignalen am meisten bemerkbar sind, weg sind, da bei niedrigen Pegeln die Strahlintensität niedrig liegt und deswegen wenig oder keine aktive Strahlformung stattfindet. Das Ergebnis des Modus-Zwei-Betriebs ist, daß Geräusche, die nicht aus der Sichtlinie kommen, nur geschwächt werden, wenn Geräusche mit bedeutsamer Leistung aus der Sichtrichtung kommen. Wenn der Hörhilfegeräteträger jemanden, der spricht, direkt anblickt, werden im Modus-Eins-Betrieb oder Modus-Zwei-Betrieb alle anderen Geräusche geschwächt. Wenn der Sprecher eine Pause macht oder der Hörhilfegeräteträger wegschaut, werden beim Modus-Zwei-Betrieb alle Töne ungeschwächt zugeliefert, während im Modus-Eins-Betrieb nur die in Sichtrichtung einfallenden Töne ungeschwächt gelassen werden, auch wenn keine bedeutsamen Töne in Sichtrichtung vorhanden sind. Wenn sich der Hörhilfegeräteträger in einer Unterhaltung befindet und einen Sprecher anschaut, während eine andere Person zu sprechen beginnt, wird dann, wenn der erste Sprecher eine Pause macht, der Modus-Zwei-Betrieb mit der Strahlformung aufhören und der Hörhilfegeräteträger wird den anderen Sprecher hören. Wenn der Hörhilfegeräteträger seinen Kopf bewegt, um in die Richtung des neuen Sprechers zu schauen, wird der Strahlformer wieder aktiv, da wiederum eine bedeutsame Sichtlinienenergie vorhanden ist. Wenn eine allgemeine Pause in der Unterhaltung eintritt, oder wenn der Hörhilfegeräteträger den Gesprächskreis verläßt, wird im Modus-Zwei-Betrieb der Träger fast unmittelbar alle Töne ungeschwächt hören, was ein natürliches Schallfeld liefert.
Es gibt einstellbare Zugriffs- und Freigabe-Zeitkonstanten, die dem Strahlintensitätsvektor und damit dem An- und Abschalten der Strahlformung zugeordnet sind. Diese Zeitkonstanten gelten sowohl für den Modus-Eins-Betrieb sowie den Modus-Zwei-Betrieb. Die Zugriffs-Zeitkonstante ist im allgemeinen schnell (kurz), in der Größenordnung von Zehnern von Millisekunden (z. B., 20-30 ms), während die Freigabe-Zeitkonstante im allgemeinen langsam (lang) ist, in der Größenordnung von einigen Hundert Millisekunden (z. B., 500 ms). Die Auswirkung der Zeitkonstanten ist, daß, sobald ein plötzlicher Anstieg der Gesamtleistung beim Modus-Eins-Betrieb oder der Sichtlinienleistung relativ zur Abseitsleistung beim Modus-Zwei-Betrieb vorhanden ist, die Strahlintensität, unter der Annahme eines schnellen Zugriffs, schnell nach oben geht. Wenn dann eine kurze Pause in der Leistung oder der Sichtlinien-gegen-Abseits-Energie auftritt, wird, unter der Annahme einer langsamen Freigabe, die Strahlintensität während einer Zeitlänge, die der Freigabezeit entspricht, hoch bleiben und erst dann nach unten gehen. Das läßt kurze Pausen beim Sprechen ohne einen eingreifenden Verlust bei der Strahlformung zu.
Andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden vom Durchschnittsfachmann nach Betrachtung der vollständigen geschriebenen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang mit den nachfolgenden Zeichnungen verstanden werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 stellt die bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Strahlformersystems für ein binaurales Hörhilfegerät dar.
Fig. 2 zeigt die Einzelheiten des Innenproduktvorgangs und des Größenquadratsummiervorgangs, auf die in Vorgang 113 und 114 der Fig. 1 Bezug genommen wird.
Fig. 3 zeigt die Einzelheiten des Strahlformetverstärkungsvorgangs, auf den in Vorgang 115 der Fig. 1 Bezug genommen wird.
Fig. 4 zeigt die Einzelheiten des Strahlintensitätsvorgangs 316 der Fig. 3.
Fig. 5 zeigt die Form der durch den Strahltabellenvorgang 404 der Fig. 4 erreichten Funktion.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In Fig. 1 ist das als ein DSP-Softwareprogramm ausgeführte Strahlformungssystem in Form eines Operationsflußdiagramms gezeigt. Die linken und rechten Ohrmikrofonsignale sind mit der Systemabtastrate Fsamp digitalisiert worden, die im allgemeinen in einem Bereich von 8 kHz bis 48 kHz einstellbar sind, jedoch einen Nennwert von Fsamp = 11,025 kHz für die Abtastrate besitzt. Die linken und rechten Audiosignale haben wenig, oder keine, Phasen- oder Größenverzerrung. Ein Hörhilfegerätesystem zum Schaffen von solchen gering gestörten linken und rechten Audiosignale ist in US-PS 5 479 522 "Binaural Hearing Aid" vom 26. Dezember 1995 beschrieben. Bei einem solchen System werden die Zeitdomänendigitaleingangssignale von jedem Ohr zu einem Eins-Null-Preemphasis-Filter 101, 107 zugeleitet. Preemphasis der linken und der rechten Ohrsignale mit Benutzung eines Eins- Null-Hochpaßdifferentiators verleiht den Signalen eine Vorweißung, bevor sie in Frequenzdomänen überführt werden. Dies führt zur verringerten Varianz zwischen Frequenzkoeffizienten, so daß weniger Probleme mit numerischen Fehlern in dem Fourier- Transformations-Vorgang auftreten. Die Auswirkungen der Preemphasis-Filter 101, 107 werden nach inverser Fourier-Transformation durch Benutzung von Ein-Pol-Integrator-Deemphasis-Filtern 120, 123 für die linken bzw. rechten Signale am Ende der Strahlformungsbearbeitung entfernt.
Der Strahlformungsvorgang in Fig. 1 wird an M-Abtastpunktblöcken ausgeführt. Die Auswahl von M ist ein Kompromiß zwischen Frequenzauflösung und Verzögerung in dem System. Sie ist auch eine Funktion der ausgewählten Abtastrate. Für die nominelle Abtastrate von 11,025 kHz wurde ein Wert von M = 256 benutzt. Deshalb wird das Signal in 256 Punktfolgeabtastblöcken bearbeitet. Nach der Bearbeitung jedes Blockes wird der Blockursprung um N = M/2 Punkte vorgeschoben. Wenn der erste Block die Proben 0..255 sowohl die linken sowie rechten Kanäle überspannt, überspannt der zweite Block die Proben 128..383, der dritte die Proben 256..511 usw. Die Bearbeitung aller aufeinanderfolgenden Blöcke ist identisch.
Die Strahlformungsverarbeitung beginnt mit Multiplizieren der linken und rechten M-Punktabtastblöcke durch ein Sinusfenster in den Vorgängen 105, 111. Ein Schnelle-Fourier-Transformations-Vorgang (Fast Fourier Transform FFT) 106, 112 wird dann an den linken und rechten Blöcken ausgeführt. Da die Signale real sind, ergibt dies einen N = M/2-Punkt Komplexfrequenzvektor sowohl für den linken wie den rechten Audiokanal. Die Elemente der Komplexfrequenzvektoren werden als Frequenzsatzwerte bezeichnet (es sind N Frequenzsätze von F = 0 (DC) bis F = Fsamp/2 kHz vorhanden).
Das innere Produkt und die Summe der Größenquadrate jedes Frequenzsatzes für den linken und den rechten Kanalkomplexfrequenzvektor werden benutzt, um ein Maß für den Anteil zu erhalten, in welchem der Schall bei dieser Frequenz von der Sichtlinie kommt. Das innere Produkt und die Summe der Größenquadrate jedes Frequenzsatzes werden durch die Vorgänge 113 bzw. 114 errechnet. Der Ausdruck für das innere Produkt ist:
Inneres Produkt(k) = Real(Links(k))*Real(Rechts(k)) + Imag(Links(k))*Imag(Rechts(k))
und wird, wie in Fig. 2 gezeigt, ausgeführt. Der Vorgangsfluß in Fig. 2 wird für jeden Frequenzsatz wiederholt. Gemäß der gleichen Fig. 2 wird die Summe der Größenquadrate errechnet als:
Größenquadrat-Summe(k) = Real(Links(k))² + Real(Rechts(k))² + Imag(Links(k))² + Imag(Rechts(k))².
Für jeden Frequenzsatz werden ein inneres Produkt und eine Größenquadrat-Summe errechnet, welche zwei Frequenzdomänenvektoren bilden. Der Innenprodukt- und die Größenquadrat-Summenvektoren werden dann zu dem Strahlformerverstärkungsvorgang 115 durchgeleitet. Dieser Verstärkungsvorgang benutzt die beiden Vektoren zum Errechnen einer Verstärkung pro Frequenzsatz.
Der Strahlformerverstärkungsvorgang 115 in Fig. 1 ist im einzelnen in Fig. 3 dargestellt. Das innere Produkt und die Grö ßenquadrat-Summe für jeden Satz werden unter Benutzung der Ein- Pol-Filter 301 und 302 in Fig. 3 temporär geglättet. Das Ausgangssignal von 302 (die geglättete Summe der Größenquadrate) bildet dann die Gesamtleistungsschätzung, die beim Berechnen der Strahlintensität benutzt wird. Dann wird das Verhältnis des zeitlich geglätteten inneren Produktes zu der Größenquadrat- Summe durch den Vorgang 303 erzeugt. Dieses Verhältnis ist die vorläufige Richtungsschätzung "d" die äquivalent ist zu:
d = Durchschnitt (Größ Links(k) * Größ Rechts(k) * cos[Winkel Links(k) - Winkel Rechts(k)]} / Durchschnitt (Größenquadrat Links + Größenquadrat Rechts).
Der Verhältniswert oder die d-Schätzung ist eine Funktion, die gleich 0,5 ist, wenn Winkel Links = Winkel Rechts und wenn Größ links = Größ rechts; d. h. wenn die Werte für den Frequenzsatz k in dem linken und dem rechten Kanal gleich sind. Wenn sich die Größe oder die Phasenwinkel unterscheiden, tendiert die Funktion nach Null und wird negativ für PI/2 < Winkeldifferenz < 3PI/2. Für negatives d wird d im Vorgang 304 zu Null gezwungen. Es ist bezeichnend, daß die d-Schätzung sowohl den Phasenwinkel als auch die Größendifferenzen benutzt, so daß maximale Information in der d-Schätzung enthalten ist.
Die Richtungsschätzung d wird dann durch einen frequenzabhängigen Nichtlinearitäts-Vorgang 305 geleitet, der d bei niedrigeren Frequenzen zu höheren Potenzen anhebt, um den endgültigen Richtungsschätzvektor D zu erzeugen. Beispielsweise ist für Frequenzen F unter 500 Hz D = d&sup8;. Die Auswirkung ist, daß die Richtungsschätzung bei niedrigen Frequenzen rascher nach Null tendiert. Das ist erwünscht, da die Wellenlängen bei niedrigen Frequenzen größer und so die beobachteten Winkeldifferenzen kleiner sind.
Die Erzeugung des Strahlintensitätsvektors wird im Vorgang 316 der Fig. 3 ausgeführt und erfordert einen Eingangsleistungsvektor. Der benutzte Eingangsleistungsvektor hängt von dem Betriebsmodus ab. Beim Modus-Eins-Betrieb wird der geglättete Größenquadrat-Summenvektor von dem Einzelpol-Tiefpaßfilter 302 für die Strahlintensitätsberechnung benutzt. Bei dem Modus- Zwei-Betrieb wird ein Verhältnis zwischen Sichtlinienleistung und vorgespannter Gesamtleistung benutzt.
Die Bestimmung der Sichtlinienleistung beginnt mit Summieren der linken und rechten Frequenzdomänensignale im Summiervorgang 308. Die Summe bei jeder Frequenz wird mit der Richtungsschätzung D im Vorgang 309 multipliziert. Das Produkt wird im Vorgang 310 quadriert, dann im Einzelpol-Tiefpaßfilter 302 geglättet. Die sich ergebenden Sichtlinienleistung entspricht dem geglätteten Größenquadrat der vollständig strahlgeformten Summe der linken und rechten Kanäle, die ein Maß für die Sichtlinienleistung sind, im Gegensatz zu dem ursprünglichen geglätteten Größenquadratvektor, der der Gesamtleistung entspricht.
Die Ein-Pol-Glättungsfilter 302 und 312 besitzen jeweils zwei Koeffizienten: einen Zugriffs-Koeffizienten und einen Freigabe- Koeffizienten. Wenn das Eingangssignal zu den Glättungsfiltern wächst, wird der Zugriffs-Koeffizient benutzt. Wenn es abnimmt, wird der Freigabe-Koeffizient benutzt. Dies implementiert die Zugriffs- und Freigabe-Zeitkonstanten für die Strahlintensität. Diese Zugriffs- und Freigabe-Zeitkonstanten werden eingestellt durch Ändern des Zugriffs-Koeffizienten und des Freigabe- Koeffizienten in Glättungsfiltern 302 und 312.
Die Sichtlinienleistung für jeden Frequenzsatz ist der Nenner für das im Vorgang 314 berechnete Verhältnis. Die Gesamtleistung ist von dem Einzelpol-Tiefpaßfilter 302 verfügbar. Ein kleiner Vorspannungswert vom Register 311 wird der Gesamtleistung durch den Summiervorgang 313 hinzugefügt. Der Vorspannungswert ist groß genug, um zu garantieren, daß bei sehr geringer Sichtlinienleistung und Gesamtleistung das sich aus dem Vorgang 314 ergebende Verhältnis zu Null tendiert.
Im Modus-Zwei-Betrieb wird dieses Verhältnis benutzt, um die Strahlintensität zu berechnen. Der Betriebsmoduswähler 315 wählt zwischen Gesamtleistung (Modus-Eins-Betrieb) und dem Verhältnis von Sichtlinienleistung zu vorgespannter Gesamtleistung (Modus-Zwei-Betrieb) als Eingabevektor aus, der zu dem Strahlintensitätsvorgang 316 gesendet wird. Die Betriebsmodusauswahl wird durch den Benutzer (d. h. den Träger des Hörhilfegeräts) gesteuert, um die korrekte Betriebsart für eine bestimmte Schallumgebung auszuwählen.
Der Strahlintensitätsvorgang ist in Fig. 4 detailliert dargestellt. Der Strahlintensitätsvektor wird in P Teilbändern erzeugt, wobei P kleiner als die Anzahl der Frequenzsätze N ist. Ein Teilband ist eine zusammenhängende Gruppe von Frequenzsätzen. Die Teilbänder sind nicht überlappend und aneinander anschließend. Ein typischer Wert für P ist 3, wodurch der Frequenzbereich in drei benachbarte Bänder von, z. B., 0-1.000 Hz, 1.000-3.000 Hz, 3.000-20.000 Hz unterteilt wird. In der einfachsten Form des Strahlintensitätsvektors ist P Eins; d. h. der Strahlintensitätsfaktor ist für das gesamte Schallspektrum der Gleiche.
Um den Strahlintensitätsvektor zu erzeugen, summiert der erste Vorgang 401 in Fig. 4, für jedes Teilband, den Eingangsleistungsvektor vom Moduswähler 315 (Fig. 3) über alle Frequenzsätze in dem Teilband. Die Eingabe für den Vorgang 401 der Fig. 4 ist ein N-Punkt-Frequenzdomänenleistungsvektor, und der Ausgang ist ein P-Punkt-Frequenzdomänenteilbandleistungsvektor. Jeder Vorgang 402 bis einschließlich 407 in Fig. 4 wird dann an jedem Punkt des P-Punkt-Vektors, außer für den Strahlintensitätsexpansionsbetrieb 408 der Fig. 4, ausgeführt. Der Vorgang 408 wandelt den Vektor von einem P-Punkt- in einen N-Punkt-Vektor, wobei jeder Punkt in jedem Teilband den gleichen Wert hat.
Die Teilbandleistungsvektorwerte werden in dem Vorgang 402 der Fig. 4 normalisiert. Die Anzahl der Linksverschiebungen, die zu ihrer Normalisierung erforderlich sind, was den Logarithmus zur Basis Zwei der Bruchteilwerte wiedergibt, bildet den ganzzahligen Teil des P-Punkt-Leistungsindexvektors. Der Bruchteil (Dezimalanteil) des Leistungsindexvektors wird aus den normalisierten Leistungsvektorwerten gebildet, die ein zusätzliches Maß durch den Vorgang 403 der Fig. 4 nach links verschoben wurden, wobei das Vorzeichenbit und das Überlaufbit maskiert sind.
Der Leistungsindexvektor wird benutzt, um einen P-Punkt-Vektor aus Strahlintensitätswerten durch einen linear interpolierten Tabellennachschauvorgang zu erzeugen. Der ganzzahlige Teil jedes Wertes in dem Leistungsindexvektor wird als ein Index für die Strahlintensitätstabelle 404 der Fig. 4 benutzt. Der Ausgabewert der Strahlintensitätstabelle ist der Wert an dem Indexversatz in der Tabelle und der Wert an dem (Index-1)-Versatz in der Tabelle. Der Bruchteilwert des Index wird benutzt, um zwischen diesen aufeinanderfolgenden Tabellenwerten linear zu interpolieren unter Benutzung der Multiplikationsvorgänge 405 und 406 und dem Summiervorgang 407 der Fig. 4. Der sich ergebende, interpolierte Wert ist der Strahlintensitätswert, und es gibt einen Strahlintensitätswert für jeden Eintrag in dem Leistungsindexvektor, entsprechend einer Strahlintensität für jedes Teilband.
Die Strahlintensitätstabelle implementiert eine Leistungsfunktion, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Strahlintensitätstabelle ist auf solche Weise ausgelegt, daß bei normalen Sichtlinien- Sprachniveaus der Strahlintensitätswert sehr nahe an dem Einheitswert liegt, und in Abwesenheit von Sichtlinien-Sprache (im Falle eines Modus-Zwei-Betriebs) oder irgendeiner Sprache (im Falle von Modus-Eins-Betrieb) der Strahlintensitätswert nahezu Null wird.
In Fig. 5 gibt die Tabelle einen Wert der Strahlintensität zwischen 1,0 und 0,0 an der vertikalen Achse aus, in Abhängigkeit von dem an der horizontalen Achse eingegebenen Leistungsindexwert. Der Leistungsindex entspricht der Anzahl von Linksverschiebungen in dem Normalisierungsvorgang, die erforderlich sind, um die erste "1" in dem binären Leistungsdatenwort zu der linken höchstwertigen Position zu bewegen. Der Normalisierungsvorgang wird benutzt, um den Bereich der Leistungsvariationen in eine logarithmische Skala zu wandeln. Jede Linksverschiebung bei der Leistungsnormalisierung entspricht einer Leistungsänderung von 3 dE. Wenn 23 Wertbits (24-Bit-Wort mit 23 Wert bits plus einem Vorzeichenbit) in dem Datenwort von der Summation 401 (Fig. 4) vorhanden sind, gibt es 23 mögliche Verschiebungen, was einem Leistungsbereich von 69 dE entspricht. Damit verändert sich der Leistungsindex von 23 ganz links zu 0 ganz rechts in Fig. 4, und die niedrigen Werte des Leistungsindex entsprechen den höheren Eingangsleistungen. Für hohe Leistungen ist der Strahlintensitätswert in der Nähe des Einheitswerts, und für niedrige Leistungen ist der Strahlintensitätswert in der Nähe von Null.
Die Knickpunkte für die Strahlintensitätsübergangskurve liegen typischerweise in der Nähe von Leistungsindexwerten von 3 und 10, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Strahlintensitätsfunktion in Fig. 5 wird durch Auswählen des oberen knickpunktes an einem Ort aufgebaut, an dem der Strahlformungsbetrieb vernünftig stabil ist; d. h. an dem kleine Leistungsänderungen den Strahlformer nicht dazu bringen, ein und aus zu zittern. Ein Leistungsindex im Bereich von 2-5 ist etwa richtig für den oberen Knickpunkt. Der untere Knickpunkt wird so ausgewählt, daß ein feiner Übergang zwischen Strahlformung und Nicht- Strahlformung stattfindet. Wenn der Übergang nicht fein ist, wird das erzeugte Geräusch abrupt zwischen Strahlformung und Nicht-Strahlformung umklappen. Ein Unterschied von 5-9 des Leistungsindex zwischen dem oberen und unteren Knickpunkt ergibt einen ausreichend sanften Übergang.
In Fig. 4 expandiert der Vorgang 408 den Strahlintensitätsvektor. Der Richtungsschätzvektor ist N Punkte lang, mit einem Punkt für jeden Frequenzsatz (d. h. 128 Punkte). Der Strahlintensitätsvektor ist kürzer, nämliche P Punkte, mit einem Funkt pro Teilband (d. h. P = 3 Teilbänder). Der Strahlintensitätsvektor wird in seiner Länge expandiert, bis er die gleiche Länge wie D aufweist, im Vorgang 408. Diese Dehnung bringt ein Wiederholen der Teilbandstrahlintensität für jeden Frequenzsatz in dem Teilband mit sich. Der gedehnte Strahlintensitätsvektor wird dann mit dem Richtungsschätzvektor D kombiniert, um den Strahlformerverstärkungsvektor zu bilden, wie in Fig. 3 gezeigt.
In Fig. 3 wird jedes Element des Strahlintensitätsvektors gegen das entsprechende Element des Richtungsschätzvektors D in einem Vorgang 306 multipliziert. Gleichzeitig wird von jedem Element des Strahlintensitätsvektors Eins abgezogen, und das Ergebnis wird durch den Vorgang 307 zu dem Produkt des Vorgangs 306 addiert. Dementsprechend können die Strahlverstärkungsvektorwerte bestimmt werden durch die folgende Formel:
G = D*B + (1-B)
wobei:
G = Strahlformerverstärkung
D = Richtungsschätzung
B = Strahlintensität.
Wenn sich die Strahlintensität B für eine bestimmte Frequenz Eins nähert, dann folgt die Strahlformerverstärkung G für diese Frequenz der Richtungsschätzung D für dieselbe Frequenz. Wenn sich die Strahlintensität B für eine Frequenz Null nähert, nähert sich die Strahlformerverstärkung G für diese Frequenz dem Einheitswert, wobei der Richtungsschätzungsvektor D eine immer geringere Rolle spielt. N Punkte der Strahlformerverstärkung G werden erzeugt, je einer für jeden Punkt der N- Punkt-Richtungsschätzung und gedehnten Strahlintensitätsvektoren.
In Fig. 1 wird die Strahlformerverstärkung von den Multiplikatoren 116 und 117 benutzt, um die ursprünglich linken und rechten Ohrfrequenzdomänensigriale zu skalieren (zu verstärken oder zu schwächen, in Abhängigkeit von dem Verstärkungswert). Die geräuschverminderten Frequenzdomänensignale für das linke und das rechte Dhr werden dann bei beiden FFTs 118 und 121 invers transformiert. Die sich ergebenden Zeitdomänensegmente werden mit einem Sinusfenster gefenstert und 2 : 1 überdeckungsaddiert, um aus den Fenstervorgängen 119 und 122 ein linkes und ein rechtes Signal zu erzeugen. Die linken und rechten Signale werden dann durch Deemphasis-Filter 120, 123 durchgeleitet, um das Stereo-Ausgangssignal zu erzeugen.

In der Beschreibung angeführte Schriften:

1. Evaluation of an adaptive beamforming method for hearing aids. J. Acoustic Society of America 91(3). Greenberg, Zurek.
2. Improvement of Speech Intelligibility in Noise: Development and Evaluation of a New Directional Hearing Instrument Based on Array Technology. Thesis from Delft University of Technology. Willem Soede.
3. Multimicrophone adaptive beamforming for interference reduction in hearing aids. Journal of Rehabilitation Research and Development, Band 24, Nr. 4. Peterson, Durlach, Rabinowitz, Zurek.
4. An Alternative Approach to Linearly Constrained Adaptive Beamforming. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Band AP-30, Nr. 1. Griffiths, Jim.
5. Gaik W., Lindemann W. (1986) Ein digitales Richtungsfilter basierend auf der Auswertung Interauraler Parameter von Kunstkopfsignalen. In: Fortschritte der Akustik-DAGA 1986.
6. Kollmeier, Hohmann, Peissig (1992) Digital Signal Processing for Binaural Hearing Aids. Proceedings, International Congress on Acoustics 1992, Beijing, China.
7. Bodden Proceedings, (1992) Cocktail-Party-Processing: Concept and Results. International Congress on Acoustics 1992, Beijing, China.
8. Gaik (1990): Untersuchungen zur binauralen Verarbeitung kopfbezogener Signale. Fortschr.-Be. VDI Reihe 17 Nr. 63. Düsseldorf: VDI-Verlag.
9. Lindemann W. (1986): Extension of a binaural cross-correlation model by contralateral inhibition. I. Simulation of lateralization of stationary signals. JASA 80, 1608-1622.

Claims

1. Geräuschverminderungssystem zur Verwendung in einem binauralen Hörhilfegerät, das eine Audiosignalbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von durch eine Vielzahl von in einer vorgegebenen Blickrichtung ausgerichteten Audiosensoren aufgenommenen Audiosignalen umfaßt, mit einem Strahlformer (305, 116, 117), der auf die Audiosignale von der Vielzahl von Sensoren reagiert, um bei den Audiosensoren von einer der Blickrichtung nahen Richtung ankommende Sichtliniensignalen von Abseitssignalen, die von anderen Richtungen ankommen, zu trennen, gekennzeichnet durch:

einen Leistungsmonitor (208, 314, 308, 309, 310) zum Berechnen der Leistung in einer Vielzahl der bei den Audiosensoren ankommenden Audiosignale und Erzeugen eines Leistungswertsignals;

einen Strahlintensitätswertgenerator (316), der in Reaktion auf das Leistungswertsignal einen Strahlintensitätswert liefert, wobei der Strahlintensitätswert ein erster Wert ist, wenn das Leistungswertsignal eine hohe Audiosignalleistung anzeigt, und der Strahlintensitätswert zu einem zweiten Wert übergeht, wenn das Leistungswertsignal zu einem niedrigen Wert abnehmende Audiosignalleistung anzeigt, und

einen Strahlformerfreigeber (306, 307, 317), der in Reaktion auf den Strahlintensitätswert für Freigabe des Strahlformers sorgt, wenn der Strahlintensitätswert der erste Wert ist, und für Abnehmen der Wirksamkeit des Strahlformers sorgt, wenn sich der Strahlintensitätswert dem zweiten Wert nähert, an dem der Strahlformer gesperrt ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlformerfreigeber folgendes umfaßt:

einen Verstärker (306, 107, 317), der auf den ersten Wert reagiert, um die Sichtliniensignale und die Abseitssignale um eine Verstärkung zu verstärken, die von der Richtung der Ankunft der Signale abhängig ist, wodurch die Sichtliniensignale verstärkt und die Abseitssignale gedämpft werden, und der auf den zweiten Wert reagiert, um die Sichtliniensignale und die Abseitssignale gleichmäßig zu verstärken, wodurch alle Signale in gleichem Maße angehoben werden.

3. System nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch:

einen Analysator (106, 112) zum Umwandeln der Audiosignale in Audiofrequenzdomänenvektoren;

den Leistungsmonitor (208, 313, 308, 309, 310) zum Berechnen der Leistung in jeder der Audlofrequenzen in den Audiofrequenzdomänenvektoren, um einen Leistungswertvektor zu erzeugen; und den Strahlintensitätsvektorwertgenerator (316), der auf den Leistungswertvektor antwortet, um einen Strahlintensitätsvektor zu liefern, der für die Leistung in den Audiosignalen bei jeder Frequenz in den Audiofrequenzdomänenvektoren bezeichnend ist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlformer folgendes umfaßt:

einen Richtungsschätzer (303, 304, 305), um in Reaktion auf die Audiosignalfrequenzdomänenvektoren einen Richtungsschätzvektor zu erzeugen, der eine Richtung mit Bezug auf die Blickrichtung anzeigt, von der ein Audiosignal herkommt; und

einen Verstärker (116, 117) zum Verstärken der Audiosignalfrequenzdomänenvektoren um einen von dem Richtungsschätzvektor abhängigen Strahlverstärkungsvektor.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlformerfreigeber folgendes umfaßt:

einen Vektorskalierer (306, 307, 317) zum Skalieren des Richtungsschätzvektors mit dem Strahlintensitätsvektor, um den Strahlverstärkungsvektor zu erzeugen, wobei der Strahlverstärkungsvektor dem Richtungsschätzvektor entspricht, wenn der Strahlintensitätsvektor sich beim ersten Wert befindet, und sich einem gleichmäßigen, von dem Richtungsschätzvektor unabhängigen Wert nähert, während der Strahlintensitätsvektor auf den zweiten Wert abfällt.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsmonitor folgendes umfaßt:

eine Summierschaltung (208) zum Summieren der Leistung in den bei den Audiosignalsensoren ankommenden Audiosignalen und zum Erzeugen eines für die Gesamtleistung in den Audiosignalen bezeichnenden Leistungswertes.

7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsmonitor folgendes umfaßt:

eine Summierschaltung (208) zum Summieren der Leistung in den bei den Audiosignalsensoren ankommenden Audiosignalen und zum Erzeugen eines für die Gesamtleistung in den Audiosignalen bezeichnenden Leistungswertes;

eine Leistungssummierschaltung (308, 309, 310) zum Summieren der Leistung in den bei den Audiosignalsensoren ankommenden Sichtlinienaudiosignalen und zum Erzeugen eines Sichtlinienleistungswertes, der für die Leistung in Sichtlinienaudiosignalen bezeichnend ist; und

eine Verhältnisberechnungsschaltung (314) zum Dividieren des Sichtlinienleistungswertes durch den Gesamtleistungswert und zum Erzeugen eines Sichtlinienverhältnisleistungswertes, wodurch der durch den Leistungsmonitor geschaffene Leistungswert der Sichtlinienverhältnisleistungswert ist, der für das Verhältnis der Sichtlinienleistung zur Gesamtleistung in bei den Audiosignalsensoren ankommenden Audiosignalen bezeichnend ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsmonitor weiter folgendes umfaßt:

einen Betriebsartwähler (315) zum Auswählen eines Wertes aus dem Gesamtleistungswert und dem Verhältnisleistungswert als den durch den Leistungsmonitor für den Strahlintensitätswertgenerator geschaffenen Leistungswert.

9. Geräuschverminderungssystem zur Verwendung in einem binauralen Hörhilfegerät, das eine Strahlformungsvorrichtung zum Vermindern von Rauschen in dem durch ein Hörhilfegerät für einen Nutzer geschaffenen Schall umfaßt, wobei das Hörhilfegerät linke und rechte Frequenzdomänenvektoren, entsprechend linken und rechten Audiosignalen, bearbeitet, und die Strahlformungsvorrichtung ein Mittel (303, 304, 305) aufweist, das auf die linken und rechten Frequenzdomänenvektoren reagiert, um einen Richtungsschätzvektor zu erzeugen, der eine Richtung bezeichnet, von der, bezogen auf die Sichtlinie des Hörhilfegerätbenutzers, ein Schall herkommt, gekennzeichnet durch:

ein Mittel (208, 316), um in Reaktion auf die linken und rechten Frequenzdomänenvektoren einen Strahlintensitätsvektor zu erzeugen als eine Funktion der Leistung der Summe der linken und echten Frequenzdomänenvektoren vor der Strahlformung; wobei der Strahlintensitätsvektor proportional zu der Leistung des bei dem Hörhilfegerätbenutzer ankommenden Schalls ist;

ein Mittel (306, 307, 317, 318) zum Skalieren des Richtungsschätzvektors mit dem Strahlintensitätsvekter, um einen Strahlverstärkungsvektor zu erzeugen, wobei der Strahlverstärkungsvektor dem Richtungsschätzvektor für einen Strahlintensitätsvektor entspricht, der ein hohes Leistungsniveau des Schalls anzeigt, und sich einem gleichmäßigen Wert unabhängig von dem Richtungsschätzwert annähert, wenn der Strahlintensitätsvektor anzeigt, daß die Leistung des Schalls zu einem niedrigen Leistungspegel abfällt; und

ein Mittel (116, 117) zum Verstärken der rechten und linken Schallfrequenzdomänenvektoren um den Strahlverstärkungsvektor, wodurch für hohe Leistungspegel des Schalls die linken und rechten Signale strahlgeformt werden, und, wenn der Leistungspegel des Schalls niedrig wird, das Strahlformen der linken und rechten Signale abnimmt, bis für niedrige Leistungspegel keine Strahlformung mehr geschieht.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es weiter folgendes umfaßt:

ein Mittel (308, 309, 310, 314, 316), das auf die linken und rechten Frequenzdomänenvektoren reagiert, um den Strahlintensitätsvektor zu erzeugen als eine Funktion des Verhältnisses der Leistung der Summe der linken und rechten Frequenzdomänenvektoren nach dem Strahlformen zu der Leistung der Summe der linken und rechten Frequenzdomänenvektoren vor dem Strahlformen, wodurch der Strahlintensitätsvektor die Leistung des Schalls anzeigt, der in Sichtlinie bei dem Hörhilfegerätbenutzer ankommt.