张戌宝吴毓祥

·技术与方法·

现代助听器的方向性麦克风技术和性能

张戌宝1吴毓祥2

助听器输出声音的信噪比（signal-noise ratio，SNR）与言语理解度直接相关。在某些听音环境中，助听器的时域和频域降噪技术能改善输出SNR，但是，在多数情况下SNR并没有得到改善。因此，有关的研究人员、听力学家和助听器生产厂家对方向性麦克风（directional microphone，DM），也称麦克风波束形成，进行了多年的研究并取得了令人鼓舞的成就。Hamacher等［1］较早而全面地阐述了高档助听器的多种技术的原理和进展，其中DM技术被列为主要的。基于实际的听音环境，Yanz［2］探讨了模式自动转换的DM的言语检测技术及其应用；Flynn［3］设计的多种波束模式并行处理在不同空间噪声中能进行快速而最佳的DM模式选择，确保了后续降噪处理的需求。Chalupper等［4］开发了一种轻声级DM技术，将它并入常规的多频道DM系统中，使之在轻声级输入时也能改善SNR；后来，Chalupper等［5］又开发了一种自动目标波束形成技术，解决了言语来自后方时的情景需要。Nyffeler等［6］介绍了另一种更实际的波束模型控制技术，当言语来自后方或侧面时，使用后向或侧向的波束，因而SNR改善更多。Phonak开发了一种双侧窄波束DM算法，对双侧常规DM的输出进行加权求和处理，可使得双侧DM合成后的波束比非合成的单侧波束更窄［7］。常规的自适应DM技术只用零点对准噪声源，而当今的自适应DM还能使目标波束指向侧面或后方，打破了波束仅面向前方的惯例。

为了验证助听器新DM技术的性能，开发厂家和有关听力学专家进行了实验室的功能验证和外场的性能评估。Wu等［8］在驾驶汽车的环境中，于两种谈话位置，对三个不同厂家的新一代自适应DM助听器进行了较为全面的录音和测试，结果表明，新的DM比全向性麦克风（omnidirectional microphone，OM）和常规DM效果好。本文对部分有关DM的最先进技术（不包括麦克风阵列即多于二个麦克风的结构）进行模拟分析、讨论和性能评估，并指出应用的局限性。

1 助听器方向性麦克风的基础理念

在理论上和实践中，DM被证实能显著提高SNR。DM用延迟（通常在后麦克风电路中）相减或延迟相加的电路构成，前者有很好的方向特性，故实际中总是被选用；后者的方向性较差，但SNR较高。当两麦克风入口的间距是16 mm时，后麦克风对前麦克风的外部声音延时约46.6μs；该延时对应1／4波长的声音频率约为5.4 k Hz。模拟计算可知，如果DM的内部延时也是46.6μs，则该DM的输出在5.4 k Hz有最大的前后波束幅度比，形成心脏型波束；如果DM的内部延时是0，则该DM的输出在5.4 k Hz的前后幅度比为1，且在90°和270°方位上有零点，形成双极型波束；当DM的内部延时在0 μs到46.6μs之间时，其输出的前后幅度比大于1；当DM的内部延时与外部延时之比为0.34时，其方向性最好，形成超级心脏型波束。将后麦克风延时换成前麦克风延时后，则形成对应的反向波束模型。助听器设计好后，外部延时不能改变，此时可以讨论DM波束的方向性或灵敏度与声音频率的关系。常规的DM仅对一个声音频率有最大的灵敏度（前方入射时），比如，16 mm的入口间距，如内部延时为46.6μs，该DM的最大灵敏度在5.4 k Hz；当频率降低或增高时，其灵敏度都降低；在低于5.4 k Hz的频域下降斜率约6 dB／倍频程，这就是常规DM在低频段增益较低的机理。

听力学家很关注DM的方向特性并用方向性指数（directivity index，DI）来度量。DI被定义为正前方入射纯音的输出功率与全部非前方入射纯音的平均输出功率之比。实际中，可用离散化的下列公式计算，

n＝0，1，2，…N.（N为入射角样本数）

公式中f为纯音频率，P（n，f）为离散入射角序号n的纯音输出功率，n＝0表示DM正前方的入射角（0°）；n＞0表示非正前方的入射角（≠0°）。在自由场中，在DM的最佳灵敏度频率下，全向型波束的DI为0 dB，心脏型波束的DI为4.8 dB，超级心脏型波束的DI为6 d B，是DM中最大的。DI可以反映DM在某个频率的SNR得益。助听器的实际DI越高，其言语识别阈降低越多。

助听器麦克风内设的放大器会产生噪声，DM相消电路输出的噪声比单个麦克风输出的噪声增加3 dB。另一方面，人耳对言语的正确识别率与声音的SNR直接关联：SNR在2～9 d B时，言语识别率近似线性增加，从20%到80%［2］。因此，如果DM模式能使输出的SNR在该范围，则启动DM；反之则维持OM模式以避免DM电路产生的附加噪声，形成自动DM处理。在有多个噪声源的听音环境中，单频道的自适应DM波束图最多有两个零点，只能消掉最多两处空间噪声。当采用多频道的自适应DM处理时，如果每个噪声源的频率不同，不同的频道可形成对付不同噪声源的波束图零点，因而可相消掉多个空间噪声。常规多频道DM的波束固定地指向前方。

2 模式并行处理的多频道自适应方向性麦克风技术

在很多情况下，掩蔽噪声（竞争噪声）与目标言语（欲听谈话声）处于不同的位置，利用DM处理可以区分它们，进而提高输出语噪比（voice-noise ratio，VNR）。Flynn［3］认为，基于预测的某个环境分类而利用相应的DM算法，得到的结果难以如愿。为此，他设计了对付常见噪声环境的三种DM模式：全频带全向性（surround）、分裂方向性（split directionality）和全频带方向性（full directionality），执行时三者可并行处理，以确保在不同环境的空间噪声中实时选用最佳波束模型。这些模式在各频道的处理还要配合输入信号的检测、分析和判定等人工智能活动，如图1所示。

图1 模式并行处理的多频带自适应DM系统的结构图

2.1 三种DM模式 全频带全向性模式：做前后麦克风的求和运算，得到的输出几乎没有方向性，提高SNR约3 dB；当输入声音轻时（低于对话声声级），或当风噪声较强，或目标声源在后方时，该模式可以改善SNR。分裂方向性模式：当输入声音中度时（相当于对话声声级），该DM系统分流麦克风输出信号进入各频带，在低频带（＜1 k Hz）使用OM处理，而在中、高频带使用常规的自适应DM处理，如：DI值较大的心脏型波束；这样既避免了低频带常规DM引起的较低SNR，又确保在中、高频带常规DM降低空间噪声的获益；在中度环境噪声或风噪声时，该模式输出有尽可能小的噪声。全频带方向性模式：当输入声音强时（大于对话声声级），该系统在全部频带中执行常规的自适应DM处理，如：DI值最大的超级心脏型波束，以抑制强的空间噪声；当一个频带的DM零点对准一个方位来的噪声时，该系统将空间的多个噪声降至尽可能低。

风噪声的能量主要分布在甚低频带，常规的自适应DM在低频带SNR很差，不宜使用。为此，当系统检测到风噪声存在时，就使用全频带全向性或分裂方向性模式。当言语来自后方或侧面时，该系统使用全向型波束拾起它们，使SNR尽可能地提高，而没有自动的目标波束形成。DM模式工作时，系统可调节内部延时，得到双极型波束以抑制侧面来的噪声。

2.2 三个声级通道和并行处理的最佳模式判定作为言语优先处理（voice priority processing）的一部分，该DM系统对需要的模式做并行处理，为最

佳模式的选用提供足够的依据。图1中，输入声音用幅度检测器分为轻、中、强三类，对于轻声音通道，该系统需用全频带全向性模式计算它的VNR；对于中度声音通道，该系统需用全频带全向性模式和分裂方向性模式作并行处理，计算它们的VNR；对于强声音通道，该系统需用全频带全向性模式、分裂方向性模式和全频带方向性模式作并行处理，计算三者的VNR。这三个通道输出之一的VNR集，联合风噪声的判定和前后方声级比数据，再作最后的模式择优判定。最后的判定中，风噪声的判定和前后方声级比的判定可以压倒多频带VNR最大的判定。

例如：65 dB SPL的言语信号从模拟人头（knowles electronic mannequin for acoustic research，KEMAR）后方或侧面的扬声器发出，噪声信号来自其它5个扬声器，形成一种嘈杂的周边噪声，整体约56 d B SPL。经测试，在该KEMAR耳中，模式并行处理的多频带自适应DM助听器进入分裂方向性模式［9］。

3 轻声级的多频道自适应方向性麦克风技术

3.1 轻声级启动的方向性麦克风 言语加噪声的实验听音环境中，如果助听器的输入声级低时，如55～60 dB SPL，常规的多频道自动DM总是在全部频道中选择OM模式处理以克服在低频道SNR差的缺陷；实际上，这样的处理并未完全发挥DM的益处。Chalupper等［4］设计了一种DM，其方向性和SNR均在OM的和常规DM的之间，称为轻声级（soft level）DM。原理上，只要环境背景噪声在OM的噪声和DM的噪声之间，让助听器转换到轻声级DM，就可进一步获益，特别是对某些低频听力好的助听器用户。实际中，每个频道DM的噪声声级是不同的，低频道的高，而中、高频道的低；因此，在每个频道的OM和DM模式转换门限之下建立各自的轻声级DM门限，以扩展DM至轻声级的应用；这样的DM能从较低噪声和较低言语中获益，而构成轻声级的多频道自适应DM。图2显示一轻声级DM门限设置图，图中每个频道的轻声级DM门限区的设置是不同的，也就是说它们是输入噪声和频道的二维函数；在低频道，噪声声级门限是40至60 dB SPL；在高频道，是20至40 dB SPL；在中间频道，在这两个范围之间。

考虑到每个用户的听力状况不同，DM的模式转换门限是可调的。比如，DM的转换门限可设置为输入噪声声级48、54和60 dB SPL。为了得到甚低噪声的DM处理，选择48 dB SPL作为门限；不过该DM系统的门限默认值是54 dB SPL，它是多数用户喜欢的；而48 dB SPL是为那些偏爱DM模式的用户所设；60 d B SPL是高门限，是为那些偏爱OM模式的用户所设，或者是为了更好地定位声音源而选用。只要确定选用DM模式，轻声级DM就自动激活作为默认设置。

例如：一助听器设有轻声级DM模式，当输入声音是50 dB SPL时，它的处理进入轻声级DM模式，有一个零点明显升高的心脏型波束图；当输入声音是65 dB时，它进入了常规的DM模式，其波束图与标准心脏型波束图几乎没有差别［4］。

图2 轻声级的多频道自适应DM的门限区设置

3.2 目标波束形成 常规的自适应DM的波束总是指向前方，而极性波束图零点总是对准后方或侧面，这是常见环境中DM的零点与噪声方位的匹配，抑制噪声的效果很好。但是在某些特殊环境中，用户不能面向谈话者（如用户正在驾车，而乘客坐在后方或侧面），这种情景下，常规的自适应DM效果不是最好的。为此，Chalupper等［5］开发出一种新算法，称为言语聚合（speech focus），意指目标波束形成。该算法的三个波束为全向性波束、前向性波束和后向性波束，工作时能自动地选用其中之一，比如：指向前方或后方的言语源，而其零点分别对准后方或前方的噪声源。实际应用时，目标波束分析器将设计好的三种波束模型作并行处理，并分析它们的输出，其中输出最大所对应的模型应是与环境言语匹配的模型。是否选择为最佳方向模型进行处理还需要确认其输出的言语属性，该分析器的最后判定还要依赖调制检测：典型的言语调制频率为4 Hz左右，如输出满足该准则，则判定为言语，维持分析器的判定；如不满足该准则，则要检查其它模式处理的输出；该判断过程耗时较长，分析时间窗至少1秒。在多数听音环境下，该目标波束形成是不必要的，因此，可以将它置于一个单独的程序中，仅在需要时启动，不需要时维持轻声级自适应DM处理，因它是该系统默认的DM模式。

例如：测试助听器样品同上，具有目标波束形

成；言语（75 d B SPL）位于环境后方，会聚噪声位于前方，测试得到的目标波束模型为反向心脏型，正符合设计要求［5］。

4 双侧窄波束的多频道自适应方向性麦克风技术

4.1 波束自动控制的方向性麦克风 Nyffeler等［6］设计了一种能进行波束指向控制的DM，称为聚增控制（zoom control，ZC），意指目标波束控制。基于前后方、左右侧四个指向的波束模式，早期的ZC通过遥控器人工设置DM的波束方向，如言语来自侧面时采用OM波束，虽然这与Chalupper的设计类似，但该目标波束控制能通过无线连通传输双侧DM信号。它一方面降低言语源对侧的DM的输出，同时将其同侧的DM信号传输至对侧的DM而提升较低的SNR。后来Nyffeler将ZC升级为自动目标波束控制（auto ZC，AZC），利用无线传输将双侧DM的输入信号联合分析，精确监测和分类空间声音。比如，利用不同方位声音的声强和SNR，确定相应最佳SNR的波束指向。当检测到目标言语来自前方或后方时，AZC就自动控制DM的波束为前向心脏型或后向心脏型，实现与目标言语源方位匹配。在执行这一算法时，AZC还考虑了对侧助听器的输出响度和音调，让用户不会感觉到明显在变化。另外，对双耳不对称听力损失的用户，使用AZC时还要考虑双侧压缩放大特性的不同，这样用户个人的言语理解力才能最佳。

图3 双侧窄波束形成DM的方框图

4.2 双侧窄波束形成 在某些听音环境中，目标言语源和掩蔽噪声源相隔不够远，如两者与用户的方位差小于60°，这时常规的1阶DM的SNR改善就会下降许多，这一问题通过观察心脏型或超级心脏型波束的主瓣宽度可以证实。为了改进这种不足，Phonak［7］提出了一种窄化波束的DM算法，能用于双侧连通的助听器，称为双侧聚增（stereo zoom）算法，意指双侧窄波束形成。该算法连通左右两侧的常规1阶DM的输出，作加权求和处理，如图3所示。事先优化设计的权系数｛wi｝能使各自的输出具有更窄的波束特性。这种组合处理要保证DM数据在极短的时间内双向传输，才能得到双侧多频道DM的窄波束。该DM的全频道处理和双侧信号的延时不超过数ms。由于这两侧DM的距离较两个麦克风入口的距离大很多，该系统对空间不同方位进入信号的处理差异明显增大。该系统不是3阶均匀线阵的DM，因而没有那样高的DI值和低频道的灵敏度急剧下降；相反，它的低频道言语波束的空间分辨率还有提高。由于双侧窄波束DM不是在任何环境中都有必要，Phonak又开发了一个自动启动该系统的声音数流（sound flow）算法［10］，它分析两侧助听器提供的信息，仅在某种组合的条件下才启动窄波束形成，确保该窄波束DM在获益时启动，不获益时关闭以省功耗。当它与双侧窄波束一起工作时，要确保系统的工作较为平稳和自然；开启时间需要不多的几秒，与环境的复杂程度有关。

例如：在一自由声场、低反射实验室中，使用双侧窄波束形成的DM，测得每侧极性波束图的目标波束宽度约±45°，而常规的1阶DM的目标束波束宽度约±60°［7］。

5 方向性麦克风性能的外场评估

Wu等［8］在外场对三种助听器DM新技术的性能进行了评估，25例试听者均有助听经验，双耳下降型感音神经性听力损失，双耳听阈差在15 d B以内。试验用三个不同的助听器，有各自的新DM技术：HA1有目标波束形成（Back-Dir）技术，当言语在前方时，它能形成前向波束；当言语在后方时，能形成后向波束；HA2有双侧无线传输（side-transmission）加目标波束控制技术，具有前后向波束控制的能力，同时双侧言语数据可以无线连通分析以互补得益；HA3有双侧抑制（side-suppression）功能，对侧面来的噪声用双极型波束对付，对后方来的言语用OM波束拾起。三个助听器的其它可选特性均为默认设置，如压缩、降噪、最大输出等，使之更接近实际。

试验在一小型客货车中进行，Wu等在司机前座右侧安放了一个KEMAR，它的左侧和后方各安装一扬声器作言语源，分别在波束图中的270°和180°方位，离KEMAR中心0.5米处；它的右耳靠窗户，测试得到的交通噪声约78 dB A，其左耳朝向司机，噪声约75 dB A。言语强度的设置：在后方言语条件下确保其右耳的SNR为-1 d B，在侧面言语条件下确保其左耳的SNR为-1 dB。使用关联语音测试（connected speech test，CST）材料，因为它更能代表日常对话用语。助听器按平均听力损失曲

线，采用AudioScan Verifit适配软件来建立澳国家声学实验室非线性版本1（NAL-NL1）目标增益曲线。该车在高速公路上行驶，70英里／小时，车窗关闭，空调打开以模拟实际驾驶情景。每个助听器分别手控在OM、常规DM和新DM程序中，连同两处言语源和三个助听器，组合成18种工作条件。记录完成后的数据需在实验室进行处理，以确保回放录音时试听者耳机中所听见的声音强度和频谱与汽车行驶中KEMAR耳中所听见的完全相同。同时还要对单个试听者的听力损失做补偿，因为个人的听力损失与平均损失有差别。评估时，加了噪声的CST测试句通过耳机要求试听者完成两个任务：一是要求试听者能重复听见的测试句，每个测试条件播放一对语段，每个语段中含有25个关键词，根据复述关键词的正确率打分。二是试听者对助听器的偏爱打分，从CST测试句中随机选出一句子，用三个助听器样品试听后，基于总的喜好，给每个助听器打分。打分前听音测试要重复10次，每个试听者共有180次判断机会。

图4 不同厂家的三个助听器采用DM新技术的性能改善

图4中的三个图分别显示了三个助听器在三种DM模式和两种言语位置情况下CST测试的平均得分。可见，当言语源在后方时，HA1新DM技术的CST得分明显优于OM和常规DM的得分，因为HA1具有的Back-Dir波束形成被激活了。HA2的新DM技术的CST得分也明显优于OM和常规DM的得分，因为HA2具有的Back-Dir波束形成也被激活了。在侧面言语条件下，HA2的新DM性能优于HA1，这是由于HA2激活Back-Dir的同时还有双侧连通的传输，它改善了头影效应造成的右侧DM的SNR较低，增强了言语提示。当言语来自侧面时，HA3的新DM技术的CST性能明显优于OM和常规DM技术的性能。总而言之，在这种特殊环境中，OM的性能通常优于常规DM的性能，而新DM技术的性能通常优于OM的性能，具有Back-Dir加双侧连通传输的HA2优于HA1和HA3。但当言语来自后方和侧面时，HA3的新DM和OM技术得分落后于HA1和HA2较多，这不正常。Wu等［8］检查发现，HA3工作时录音环境的交通噪声确实较HA1和HA2工作时的大，特别在后方言语情景时，SNR低约7 d B，表明在同等的噪声条件下HA3的得分应比图4中显示的更好。

6 方向性麦克风的局限性

在许多听音环境中，DM能提高声音信号的SNR，但在一些情况下会受到限制。这里列举以下两个方面：

6.1 耳道开放式助听器与方向性麦克风的结合耳道开放（open canal，OC）适配使得耳道内的气压与外界气压平衡，因而消除了患者的耳堵塞感；同时它能降低低频段（750～1 500 Hz以下）增益，提高中、高频段增益，因此，长期以来OC适配常被患者选用。不过，当OC与DM一起使用时，DM的性能会受到不可忽视的影响。Bentler等［11］用一个OC式助听器装在一KEMAR中，分别测试该助听器OM模式和DM模式的极性波束图，结果显示，当纯音频率为0.5 k Hz时，OM与DM的波束图几乎相同，即没有方向特性；在1、2和4 k Hz时，DM仍有明显的方向特性，与OM差别较大。当选用OC时，环境声音有两条路进入耳道，一是通过助听器放大后进入，称为放大路；另一是通过通气孔进入耳道，称为直接路。听音环境的声音经过直接路到达耳道与放大路输出的声音合成，造成来自零点方向的输出合成值增加，多少取决于声音的频率：如频率低，声音容易穿过通气孔，使零点方向的输出增加很多，造成波束图缺乏方向性；而中、高频段声音不容易穿过通气孔，零点方向的输出仍然由放大路的输出主控，故波束图变化较小，患者仍然获益。目前解决低频段方向性差的途径是选用适当尺寸的通气孔，让两方面兼顾而使患者满意。

6.2 助听器宽动态范围压缩与方向性麦克风的结合 助听器宽动态范围压缩（wide dynamic range compression，WDRC）使听力受损者在宽声强范围的听音环境中，维持输出在可听阈值和不舒适声级

之间，当它与DM技术一起使用时，DM的输出可能会受压缩而被抑制。当输入声音轻时，WDRC接近线性放大，DM模式的声音增益不变；当输入声音强时，WDRC处于压缩放大，DM模式的声音增益降低。Bentler等［11］用聚会噪声加言语作输入，测试OC适配的压缩助听器的输出，对四种输入声级（55、65、75和85 d B A）时的放大路和直接路得到的波形进行观察分析，得出助听器的噪声衰减和SNR均随输入声级的增加而降低；原因是OC的声音释放和压缩处理的共同作用，放大路的输出随输入声级的增加几乎不增加，而直接路的输出随输入声级的增加而线性增加。来自波束指向的言语通常输入声级较高，其受压缩的抑制量较输入噪声受压缩的要高。因此，具有WDRC的DM助听器方向性得益会减少，即SNR会降低，特别是在输入声音强的环境下。

7 小结

常规的多频道自适应DM仅自适应地控制极性波束图的零点来抑制多个不同的空间噪声，而现代自适应DM在此基础上并入了目标波束形成，使之指向目标声音源，较完整地实现了助听器空域信号处理。①模式并行处理的多频道自适应DM技术利用最可能匹配大多数环境噪声的三种方向性模式，分析对它们作并行处理得到的VNR集、前后幅度比和风噪声强度信息，最后判断哪种模式是当前最佳的DM处理模式。该技术较为成熟，在变化的听音环境中性能稳健，但后向波束模型和双侧连通传输有待改进。②轻声级的多频道自适应DM技术对轻度输入声音能启用特别设计的DM，使该DM在噪声强度较低的范围获益。与该技术组合使用的目标波束形成技术能对前后方的言语源作波束指向的自动控制，解决了与目标源匹配的要求，这种组合的DM能与目标言语源和环境噪声源同时匹配，使当代助听器的DM技术进入了对空域噪声和空域言语都自适应的新阶段，但两侧数据连通的互补有待完善。③双侧窄波束多频道的自适应DM技术不但能控制每侧DM的波束，使之指向前后方或左右侧，完成自动的波束控制，还可以传输双侧DM的输入信息，互补单侧DM受到的头影遮蔽。双侧窄波束技术利用双侧DM信息作加权处理，使目标波束更窄，有利于抑制与言语源相隔较近的掩蔽噪声。这些技术的组合是当代较为完善的自适应DM技术，但仅适用于双侧助听器的用户，信号处理延时的缩短、性能进一步的稳健还有待考虑。

这几种现代助听器的DM技术既能利用波束模型的零点又能控制波束方向，与常规的DM技术相比在复杂的环境中SNR改善更多，代表了现代DM技术的前沿。

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（2014-04-02收稿）

（本文编辑 周涛）

10.3969／j.issn.1006-7299.2015.03.022

时间：2015-3-4 10：26

R764.5

A

1006-7299（2015）03-0301-06

1 瑞士Sonova助听器集团，加拿大分厂Unitron研发部； 2 美国lowa大学通讯科学障碍系，听力老化研究实验室

张戌宝（Email：xbzwdl@yahoo.com）

网络出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／42.1391.R.20150304.1026.005.html