Основная задача слухового аппарата — усиливать звуки, чтобы сделать их доступными для восприятия человеком со сниженным слухом. Уровень сигнала, поступающего к барабанной перепонке пользователя, является суммой уровня входящего сигнала и усиления, даваемого слуховым аппаратом.
Влиять на уровень входящего сигнала слуховой аппарат не может — это акустическая ситуация, в которой находится пользователь. Соответственно, влиять на то, как человек будет слышать тот или иной звук можно с помощью регулировок усиления.
Когда речь идет об усилении, есть две важные особенности нарушений слуха, которые требуют специфического подхода. Первая особенность — неравномерное снижение слуха на разных частотах. Вторая — сужение динамического диапазона. Применительно к компрессии нас интересует именно вторая особенность. Динамический диапазон слуха — это диапазон между порогами слышимости и порогами дискомфорта. При сенсоневральной и смешанной тугоухости он меньше, чем при нормальном слухе или кондуктивной тугоухости. Это не дает возможности одинаково (линейно) усиливать сигналы разного уровня. Для того чтобы обеспечить слышимость тихих, нормальных и громких звуков без дискомфорта и служит система компрессии. Она относится к системе АРУ (автоматической регулировки усиления).
Обратите внимание: компрессия амплитудного (или динамического) диапазона сигнала, о которой пойдет речь, не имеет никакого отношения к частотной компрессии.
Само слово «компрессия» означает «сжатие». Слуховой аппарат с системой компрессии усиливает звуки таким образом, что диапазон уровней звука, воспроизводимый слуховым аппаратом, становится меньше, чем исходный (поступающий в аппарат) диапазон. Достигается это за счет нелинейного усиления — компрессии, при которой чем выше уровень входящего сигнала, тем меньшее усиление дает аппарат.
У компрессии есть три основных параметра (или три «измерения»): степень, частота и скорость (время срабатывания).
Степень компрессии характеризуется тем, насколько значительно уменьшается усиление по мере увеличения уровня входящего сигнала. Этот параметр описывается коэффициентами компрессии.
Следующий параметр — это частота, а точнее, частотный диапазон, в котором применяется компрессия с данными коэффициентами (канал компрессии).
Скорость компрессии связана со временем, в течение которого происходит уменьшение усиления в ответ на увеличение уровня входящего сигнала и наоборот.
Работа системы компрессии хорошо видна при сравнении с линейным усилением:
Рис. 1. Сравнение линейного усиления и усиления с компрессией для разных уровней входных сигналов — А, Б и В
Зеленая часть столбика — уровень входящего сигнала, розовая — усиление, вносимое слуховым аппаратом. Общая высота столбика — уровень сигнала, выдаваемого слуховым аппаратом. При линейном усилении, вне зависимости от уровня входящего сигнала, усиление дается одно и то же. При увеличении уровня входящего сигнала, уровень сигнала на выходе увеличивается на ту же величину, что и входящий. Когда работает система компрессии, усиление уменьшается по мере увеличения уровня входящего сигнала. При этом уровень сигнала на выходе прирастает в меньшей степени, чем входящий.
Применение компрессии не означает подавление громких звуков. Это лишь меньшее усиление. Сигналы большего уровня (громкие звуки) на выходе все равно имеют больший уровень, чем нормальные (рисунок 1). В то же время, работа некоторых видов компрессии (например, компрессия по выходу) может приводить к тому, что громкие звуки на выходе будут иметь меньший уровень, чем на входе, защищая от дискомфортной громкости.
На рисунке 1 также хорошо видно «сжатие», то есть уменьшение разницы уровней тихих, нормальных и громких звуков на выходе. Для большей наглядности на рисунке 2 диапазон входных звуков показан зелеными стрелками (1), диапазон звуков на выходе — красными (2).
Рис. 2. Уменьшение амплитудного диапазона на выходе при использовании компрессии. При линейном усилении диапазон входных сигналов (1) равен диапазону выходных (2).
В связи с тем, что пороги слуха на разных частотах, как правило, отличаются, динамический диапазон слуха на разных частотах также будет различным. Это требует разного усиления и разных коэффициентов компрессии в разных частотных диапазонах. На рисунке 3 показана работа системы компрессии в трехканальном слуховом аппарате:
Рис. 3. Работа системы компрессии в трех каналах. Точки соответствуют уровням и частотам входных сигналов на бланке аудиограммы, стрелками показано, каким будет этот сигнал в результате усиления, даваемого аппаратом
Правила компрессии рассчитываются программой настройки в соответствии с формулой усиления, исходя из порогов слуха по воздуху, по кости и порогов дискомфорта (предполагаемых или измеренных).
Резюмируя вышесказанное, система компрессии постоянно следит за уровнем входящего сигнала и меняет усиление независимо в каждом канале для того, чтобы обеспечить слышимость тихих, нормальных и громких звуков на всех частотах без дискомфорта.
Характеристики компрессии
Рассмотрим график выход/вход, показывающий работу слухового аппарата с компрессией:
Рис.4. График выход/вход
Кривая выход/вход имеет несколько прямых участков, для наглядности разделенных точками. Рассмотрим участок А-Б. Входящий сигнал в 20 дБ на выходе будет иметь уровень 50 дБ, входящий сигнал в 40 дБ на выходе будет иметь уровень 70 дБ. В обоих случаях усиление будет составлять 30 дБ. Все входящие сигналы от 0 до 50 дБ будут усиливаться одинаково, на 30 дБ. Таким образом, этот участок демонстрирует линейное усиление. Если цена деления на графике выход/вход одинакова по горизонтали и по вертикали, то наклон линии под углом 45 градусов всегда будет соответствовать линейному усилению.
Участок Б-В имеет меньший угол (по отношению к горизонтальной оси), это говорит о том, что здесь имеет место компрессия. Например, входящий сигнал в 70 дБ будет иметь на выходе уровень 90 дБ (усиление на 20 дБ), входящий сигнал в 90 дБ на выходе будет иметь уровень 100 дБ (усиление на 10 дБ). По мере увеличения уровня входящего сигнала усиление уменьшается, это и есть компрессия. В данном случае она начинает применяться для входящих сигналов уровнем выше 50 дБ. Это порог компрессии —значение уровня входящего сигнала, больше которого он начинает подвергаться компрессии.
Точку, где меняется наклон кривой, называют коленом компрессии. Порог компрессии и колено компрессии — очень схожие понятия (но не тождественные), и в рамках этой статьи будем считать, что это одно и то же.
В зависимости от значения порога компрессии, она бывает низко- и высокоуровневая. Компрессия с большими значениями порогов (высокоуровневая, HLC) применяется для того, чтобы громкие звуки не были дискомфортными. Низкоуровневая компрессия или компрессия широкого динамического диапазона (WDRC) применяется для того, чтобы обеспечить лучшую слышимость тихих звуков, так как позволяет давать для них большее усиление. На рисунке 2 хорошо видно, что входящий сигнал уровнем в 60 дБ в случае низко- и высокоуровневой компрессии будет усиливаться почти одинаково, а сигналы более низкого уровня будут больше усиливаться при низкоуровневой компрессии и их уровень на выходе будет больше.
Рис. 5. Низко- (синяя линия) и высокоуровневая (красная линия) компрессия
Колен компрессии может быть несколько. В этом случае они разделяют сегменты кривой с разной степенью компрессии. Например, работа системы компрессии, применяемой в слуховых аппаратах Widex, может выглядеть так:
Рис. 6. График выход/вход слухового аппарата с компрессией EDRC (зеленая линия). Для наглядности красная пунктирная линия показывает линейное усиление
Следует иметь в виду, что рассмотренные выше графики демонстрируют зависимость выхода от входа без уточнения, какой частоты этот сигнал. В случае многоканальной компрессии каждому каналу соответствует своя кривая. Это можно изобразить на трехмерном графике:
Рис. 7. Кривые выход/вход
Степень того, насколько уменьшается усиление слухового аппарата по мере увеличения уровня входящего сигнала, характеризуется коэффициентом компрессии. Это отношение прироста уровня входного сигнала к приросту уровня выходного. Например, если уровень входящего сигнала увеличится на 10 дБ, а на выходе при этом он увеличится на 5 дБ, то коэффициент компрессии 2:1 (два к одному) или просто 2. Коэффициент, равный 1 говорит о том, что компрессии нет, то есть усиление является линейным. Другими словами, коэффициент компрессии — это то, на сколько должен увеличиться уровень входного сигнала (в дБ), чтобы вызвать увеличение уровня выходного сигнала на 1 дБ. Чем больше коэффициент, тем в большей степени будет уменьшаться усиление по мере увеличения входящего сигнала. Рассмотрим это на примере:
Рис. 8. Коэффициенты компрессии
На участке кривой А-Б (входящие сигналы от 0 до 40 дБ), аппарат дает линейное усиление. Оно составляет 30 дБ. Прирост уровня входящего сигнала равен приросту уровня сигнала на выходе. Например, при повышении уровня сигнала на входе с 10 до 30 (на 20 дБ) уровень сигнала на выходе увеличится с 40 до 60 (тоже на 20 дБ). Это соответствует коэффициенту 1. На участке Б-В (для ходящих сигналов от 40 до 100) применяется компрессия с коэффициентом 2. Увеличение уровня входящего сигнала на каждые 2 дБ будет вызывать увеличение уровня сигнала на выходе на 1 дБ. Например, при увеличении уровня на входе с 60 до 80 (на 20 дБ) приведет к увеличению сигнала на выходе с 80 до 90 дБ (на 10 дБ).
Участок В-Г (входящие сигналы >90 дБ) демонстрирует ограничение максимального выхода (до 100). Условно это тоже можно считать компрессией с коэффициентом, стремящимся к бесконечности.
Есть еще один очень важный аспект работы системы компрессии. Процессы изменения усиления в ответ на изменения входящего сигнала могут происходить с разной скоростью. Другими словами, они имеют временные параметры. Чтобы лучше понять, о чем идет речь, посмотрим на рисунок 9. Здесь показаны три одновременно происходящих процесса: акустические колебания на входе, акустические колебания на выходе и изменение усиления, создаваемого слуховым аппаратом:
Рис. 9. Временные параметры компрессии
В какой-то момент уровень входного сигнала мгновенно возрастает и определенное время сохраняется на этом уровне, затем мгновенно возвращается к исходному уровню. В момент увеличения уровня входящего сигнала он тут же возрастает на ту же величину на выходе (как при линейном усилении), но затем начинает снижаться, пока не стабилизируется. Время от момента возрастания уровня входящего сигнала до момента стабилизации выходного сигнала называется временем атаки. При снижении уровня входного сигнала происходят обратные процессы: вначале уровень сигнала на выходе эквивалентно снижается, а затем постепенно возрастает (усиление увеличивается). Затрачиваемое на это время называется временем восстановления. Время восстановления, как правило, значительно больше времени атаки.
Временные интервалы могут варьировать от нескольких миллисекунд до нескольких секунд. В зависимости от этого компрессия может быть медленной, быстрой и сверхбыстрой. У каждого из вариантов есть преимущества и недостатки. С точки зрения разборчивости речи лучшей считается медленная компрессия, так как в этом случае сохраняются амплитудные модуляции речевого сигнала. В то же время при резком возрастании уровня входящего сигнала в случае медленной компрессии будет присутствовать период, когда звучание окажется слишком громким. При резком снижении уровня сигнала, наоборот, будет временный «провал слышимости». Например, пользователь слуховых аппаратов с медленной компрессией открывает дверь и входит в комнату, где громко играет музыка. В первый момент она может показаться ему слишком громкой (до того момента, пока аппарат не уменьшит усиление). Если после этого выключить музыку, пользователь в течение некоторого времени будет слышать все тише, чем нужно, пока усиление не возрастет. Таким образом, как медленная, так и быстрая компрессия имеет свои преимущества и недостатки.
При возникновении импульсных звуков — щелчков, стуков, чтобы снизить их резкость нужно применять сверхбыструю компрессию с минимальным временем атаки и малым временем восстановления, чтобы на фоне постоянно присутствующих импульсных звуков не терять слышимость полезного сигнала.
Существует множество нюансов, касающихся временных параметров компрессии, и на многие вопросы нет единого мнения. Более того, для разных людей предпочтительной может оказаться как более медленная, так и более быстрая компрессия. Сложности добавляет тот факт, что эффекты времени атаки и восстановления зависят от порогов и коэффициентов компрессии, а также от количества каналов компрессии.
В упрощенном виде можно сказать, что скорость компрессии в первую очередь влияет на слышимость и разборчивость речи, а также на комфорт. В большинстве современных слуховых аппаратов, компрессия может работать с разной скоростью, которая регулируется автоматически. Кроме того, во многих случаях, специалист может менять скорость работы компрессии в процессе настройки слуховых аппаратов.
|
Игорь Викторович Матвеев Сурдолог-оториноларинголог, аудиолог ООО «Исток Аудио Слух» |