Aparaty słuchowe cyfrowe

(część ta opracowana jest w oparciu o referat prof. dr. hab. Edwarda HOJANA z Instytutu Akustyki Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu pt. "Technika cyfrowa w aparatach słuchowych")

Uszy do góry. Jeżeli jesteś użytkownikiem aparatu słuchowego lub nim będziesz (bo np. namiętnie słuchasz muzyki poprzez słuchawki walkmana) i chcesz słyszeć tak jak dawniej, a może jeszcze lepiej, masz już dosyć słabych wzmocnień, szumów, sprzężeń, braku możliwości rozmowy przez telefon GSM - to jest dla Ciebie propozycja. Skorzystaj z cyfrowego aparatu słuchowego. Wszystkie wymienione problemy znikną jak ręką odjął. Zniknie również niestety, nadmierna waga zawartości portfela, ale wierzyć trzeba, że z czasem cena tych aparatów z pewnością znacznie się obniży.

Cyfrowy aparat słuchowy w najprostszym ujęciu składa się z mikrofonu, przetwornika sygnału dźwiękowego na wartość cyfrową, komputera cyfrowego, przetwornika wartości cyfrowej na dopasowany sygnał dźwiękowy, wzmacniacza i słuchawki emitującej dźwięk. Opiszę to wszystko dokładniej, a dla tych, których to nie ciekawi podam, że właściwy komputer w aparacie słuchowym ma moc Pentium, wielkość 3 x 4 mm i wagę 1,5g !!!

Najprościej rzecz ujmując dźwięk dostarczany z mikrofonu jest przetwarzany w przetworniku A/D (analog to digital) w sygnały o określonej wartości liczbowej. A jak wiemy już ze szkoły podstawowej każdą liczbę możemy dowolnie zmieniać w trakcie działań matematycznych (dodawać, odejmować, mnożyć, dzielić). Jest to banalnie proste dla procesora, jeżeli uświadomimy sobie, że dostaje on z przetwornika zaledwie dwie liczby: 0 i 1. Mądrość procesora nie wynika więc z możliwości przeprowadzania działań matematycznych (bo niby co to za trudność wykonać działanie 1+1 lub 1+0), ale głównie z liczby wykonywanych działań w jednostce czasu. W życiu nie uwierzysz, ale liczy on z szybkością 40 milionów działań w ciągu sekundy !!! Podam to samo inaczej: 40 000 000 działań arytmetycznych/sec. Uwierzyłeś?

W samym procesorze te ogromne ilości działań arytmetycznych wykonują chłopaki o nazwie chip-y, w skrócie DSP_s. Robią to w sposób ściśle określony i nie inaczej. A sposób ten określa już człowiek - programista, producent procesora, producent aparatu i ostatecznie audioprotetyk. Właściwe dostrojenie i dopasowanie aparatu odbywa się głównie u producenta aparatu. Tam wyznaczany jest dla chipów sposób reakcji w odpowiednich pasmach częstotliwości i pacjent nie ma możliwości sterowania tym aparatem, gdyż nie ma takiej potrzeby. Aparat po założeniu i dostrojeniu jest już dopasowany do konkretnego ucha i reaguje automatycznie dostrajając się do odpowiednich warunków akustycznych.

Kontynuując opis procesów w procesorze: chipy po obrobieniu otrzymanych liczb podają je na przetwornik D/A (digital to analog), w którym następuje proces odwrotny czyli przetworzenie sygnału cyfrowego na analogowy. Sygnał ten jest wzmacniany i podawany do słuchawki aparatu słuchowego. I to wszystko. I to właśnie słyszysz.

Jeszcze na chwilę przyjrzyjmy się ważnemu procesowi przetwarzania dźwięku analogowego na dźwięk w postaci cyfr. Proces ten nazywa się kwantowaniem sygnału i jest prosty jak działanie maszyny losującej:

.... plum.... i z wielkiego chaosu wyłaniają się kolejno liczby np. 5, 7, 14, 23, 11, 31 i dodatkowa 28. No, może dokładnie tak nie jest, ale w każdym razie coś w tym rodzaju. Oczywiście liczby te są przedstawiane w systemie binarnym (0-1). Jak już wspomniałem, liczby te Chipy odpowiednio obrabiają arytmetycznie. Mogą je np. wzmocnić, czyli pomnożyć przez odpowiedni współczynnik. Mogą wzmocnić wszystkie lub tylko niektóre w zależności od poziomu sygnału wejściowego, czyli poddać kompresji, mogą je odpowiednio filtrować itd., itd. I tak zmienione liczby odzwierciedlają zmieniony już sygnał dźwiękowy.

Jak się łatwo domyśleć im więcej zostanie pobranych próbek dźwięku przez przetwornik tym lepiej będzie ten dźwięk odzwierciedlał rzeczywistość. Technika cyfrowa daje nieograniczone możliwości w tym względzie. Jedyne ograniczenia stwarza technologia wykonania. Miniaturowe wymiary, minimalny pobór prądu i eliminacja konwencjonalnego wzmacniacza końcowego. Obecnie problemy te są coraz lepiej rozwiązywane.

Co nieco o producentach

Do pierwszych firm, które wprowadziły na rynek

aparaty cyfrowe należą

Widex - aparat SENSO

oraz Oticon - aparat DigiFocus.

Obecnie, oprócz tych aparatów na rynku znajdują się również aparaty firm:

Siemens (PRISMA), Philips (D72), ReSound (Ressound 2000).

Decydującą rolę w obróbce sygnału dźwiękowego w cyfrowych aparatach słuchowych odgrywa procesor. W aparacie SENSO procesor ten o nazwie DSP (Digital Signal Procesor) wykonany jest w technologii 0,7m. a znaczy to, że poszczególne ścieżki oddalone są od siebie o 0,7 x 10^-6 m. czyli 1/700 część milimetra. Jak nie wyobrażasz sobie jak to mało, to podziel milimetr na 700 części, weź jedną z nich, to będziesz miał wtedy odległość między ścieżkami na płytce procesora. Moc obliczeniowa tego procesora to, jak już wspomniałem 40 milionów działań arytmetycznych w ciągu 1 sekundy. Moc ta jest porównywalna do mocy procesora Pentium.

Rozkład sygnału mowy i hałasu określany jest w poszczególnych pasmach częstotliwości o szerokości: do 833 Hz (pasmo niskie), 833-2500 Hz (pasmo średnie), 2500-6400 Hz (pasmo wysokie). Zastosowany system rozpoznawania mowy dokonuje wzmocnienia sygnału mowy, a tłumienia sygnału zakłóceń. Wymagany prąd baterii wynosi 0,8 mA, a czas pracy baterii = 325 godz. dla aparatu zausznego i 165 godz. dla aparatu wewnątrzusznego. Dla porównania aparat analogowy o zbliżonych porównywalnych parametrach wymagałby prądu 100 mA, a czas pracy baterii wyniósłby 2,5 godz.

Słuch i Hałas 1998