16 Август 2017

Влияние использования функции Real Ear Sound на локализационные способности лиц, пользующихся заушными слуховыми аппаратами

Точная локализация звуков необходима для обеспечения комфорта и безопасности во многих обстоятельствах. Она способствует также лучшей разборчивости речи на фоне шума. К сожалению, особенности расположения микрофонов в заушных слуховых аппаратах приводят к нарушению свойств ушной раковины, обеспечивающих локализацию звуков. Применяемая в слуховых аппаратах Savia и Savia Art функция Real Ear Sound (дословно – звук реального уха) компенсирует утраченные функции ушной раковины за счет использования сложных схем обработки сигнала. В результате улучшаются локализационные способности слабослышащего человека. В частности, значительно снижается количество ошибок переднезадней локализации.

Как мы локализуем звуки?
Несомненно, точная локализация звуков играет важную роль в повседневной жизни. Она является одной из предпосылок для «отображения» реальной картины окружающей среды и, следовательно, для комфорта и безопасности человека. Кроме того, разборчивость речевого сигнала улучшается, если его пространственное положение воспринимается отдельно от источника шумовых помех (Plomp, 1976).
Способность локализации источника звука основывается на нескольких акустических признаках. Звук, поступающий слева, вначале достигает левого уха, а потом – правого. Это явление называется межушной временной разностью (МВР) и составляет от 0 (для источника звука, находящегося непосредственно перед слушателем) до 650 мкс (если источник находится под углом 90°). Кроме того, уровень звука справа будет ниже из-за эффекта тени головы. Звуки частотой свыше 1,5 кГц имеют длину волны, меньшую, чем диаметр головы. Поэтому они будут существенно аттенюированы. Например, межушная разность уровней (МРУ) на частоте 5 кГц составляет около 20 дБ. Для низкочастотных звуков (~500 Гц) МРУ равен 5 дБ.
Указанные межушные различия играют важную роль в локализации источника звука, что служит одним из обоснований необходимости бинаурального слухопротезирования. Однако для точной локализации звуков МВР и МРУ недостаточно. Звук, поступающий строго спереди, характеризуется теми же значениями МВР и МРУ (а именно, 0), что и звук, поступающий строго сзади. Иными словами, МВР и МРУ не дают нам никакой информации, позволяющей различить эти два источника звука. Соответственно, звук, поступающий под углом 30°, характеризуется теми же значениями МВР и МРУ, что и звук, поступающий под углом 150° (рис. 1). Это приводит к ошибкам локализации.
функция Real Ear Sound
Рис. 1. «Конус ошибки» – различная пространственная локализация характеризуется одинаковыми значениями МВР и МРУ.

Важная дополнительная информация, помогающая избежать подобных ошибок локализации, обеспечивается ушной раковиной. Часть звуков, достигающих уха, непосредственно поступает в наружный слуховой проход, тогда как другая часть предварительно отражается от одной или нескольких складок ушной раковины (рис. 2). В наружном слуховом проходе прямой и отраженный звуки складываются. Это приводит к систематическому изменению спектра суммированного сигнала в зависимости от направления на источник звука (Blauert, 1996). Кроме того, углубление ушной раковины обеспечивает дополнительную направленность на высоких частотах. Таким образом, ушная раковина дает важную монауральную спектральную информацию, в частности – на высоких частотах, необходимую для переднезадней и вертикальной локализации.
функция Real Ear Sound
Рис. 2. Отражение звука от элементов ушной раковины

Заушные слуховые аппараты и локализационная функция ушной раковины
Микрофоны заушных слуховых аппаратов расположены над ушной раковиной и/или немного позади нее. Поэтому естественные локализационные функции ушной раковины утрачиваются. На рис. 3 показано влияние расположения микрофона на естественную направленность ушной раковины. В наружном слуховом проходе (KEMAR) отмечается выраженная направленность в области 2-4 кГц, тогда как при регистрации сигналов ненаправленным микрофоном заушного слухового аппарата направленность полностью отсутствует. Более того, локализационные способности слабослышащего человека без заушного слухового аппарата оказываются лучше, чем с аппаратом. Это утверждение справедливо для вертикальной (Noble. Byrne, 1990) и горизонтальной (Orton, Preves, 1979; Noble. Byrne, 1990; Keidser et al., 2004) локализации. Ухудшение показателей локализации отмечалось как группе опытных пользователей, так и в контрольной группе нормально слышащих индивидуумов.
функция Real Ear Sound
Рис. 3. Утрата естественной направленности ушной раковины в диапазоне 2-4 кГц, обусловленная расположением микрофона заушного слухового аппарата.

На рис. 4 представлены результаты локализационных экспериментов с заушными слуховыми аппаратами. Импульсы речевого шума (длительностью 500 мс) подавались поочередно из 12 динамиков, расположенных вокруг испытуемого (рис. 4а). Тестовые сигналы подавались в случайном порядке, по три раза из каждого динамика. Представлены результаты, полученные у 9 нормально слышащих испытуемых – с заушными слуховыми аппаратами и без них. Аппараты были запрограммированы на плоскую аудиограмму с порогами 20 дБ и работали в ненаправленном режиме.
функция Real Ear Sound
Рис. 4. Ошибки локализации у нормально слышащих испытуемых при различных азимутах предъявляемых сигналов. Без слуховых аппаратов (слева) угол предъявления и угол ответа практически совпадают, т.е. локализация близка к идеальной. Много ошибок, особенно переднезадней локализации, отмечено в экспериментах с заушными слуховыми аппаратами в ненаправленном режиме.
функция Real Ear Sound
Рис. 4а. Схема расположения динамиков в ходе эксперимента, результаты которого приведены на рис. 4.

Очевидно, что заушные слуховые аппараты ухудшают локализационные способности. В целом, наилучшие результаты были получены при предъявлении звука из боковых динамиков. Напротив, сигналы, поступавшие из переднего или заднего динамика, обычно локализовались неправильно. Эти ошибки переднезадней локализации можно объяснить отсутствием эффекта ушной раковины (см. выше).

Savia и Savia Art с функцией Real Ear Sound
Savia и Savia Art – первые слуховые аппараты, действительно имитирующие спектральный эффект ушной раковины.

На рис. 5 показано, как функция Real Ear Sound восстанавливает свойства ушной раковины. Приводятся значения индекса направленности для двух условий: (1) открытое ухо (естественная направленность) и (2) слуховой аппарат с функцией Real Ear Sound. Хорошо видно, что естественная направленность в области частот свыше 1,5 кГц, утрачиваемая при использовании обычного заушного слухового аппарата, восстанавливается благодаря функции Real Ear Sound. Таким образом, Savia и Savia Art отвечают требованиям, предъявляемым к точной локализации и естественности звучания.
функция Real Ear Sound
Рис. 5. Функция Real Ear Sound восстанавливает естественную направленность открытого уха.

Локализационные эксперименты
Для оценки влияния Real Ear Sound на локализационные способности был выполнен ряд клинических исследований. В них участвовали 18 слабослышащих лиц в возрасте от 25 до 80 лет (средний возраст – 61 год) с длительным опытом ношения слуховых аппаратов. Средняя потеря слуха у них составляла 43 дБ. Всем им были подобраны заушные слуховые аппараты Savia 211, снабженные индивидуальными вкладышами. Условия эксперимента были такими же, как и у нормально слышащих испытуемых (см. выше). Исследование повторяли в двух вариантах: (1) в ненаправленном режиме; (2) в режиме Real Ear Sound. Перед каждым экспериментом проводили тренировочное исследование. Результаты локализационных экспериментов четко свидетельствуют об уменьшении чмсла ошибок переднезадней локализации (рис. 6). В среднем количество ошибок сократилось на 38%.
функция Real Ear Sound
Рис. 6. Благодаря функции Real Ear Sound количество ошибок переднезадней локализации (т.е. 0° и 180°) существенно сокращается.

Результаты использования функции Real Ear Sound у разных испытуемых были неодинаковы (от умеренного улучшения до практически идеальной локализации) (рис. 7).
функция Real Ear Sound
Рис. 7. Индивидуальные результаты локализационных экспериментов с ненаправленными микрофонами (слева) и Real Ear Sound (справа). Результаты варьировали от умеренных (вверху) до прекрасных (внизу).

Следует отметить, что обычные направленные микрофоны также положительно влияют на локализационные способности (напр., Keidser et al., 2004). Однако их использование ограничено специфическими условиями (напр., беседа в шумной обстановке). Во всех остальных случаях они приводят к нежелательному ослаблению важных для ориентации в пространстве звуков. Иными словами, обычные направленные микрофоны непригодны для улучшения локализации во всех акустических ситуациях. Напротив, функция Real Ear Sound не ведет к широкополосной аттенюации звуков и может использоваться в любой обстановке для восстановления естественных локализационных способностей. Поэтому данная функция активируется в таких программа Savia и Savia Art, как («тишина», «комфорт в шуме» и «музыка»). В программе «речь в шуме» наибольшая разборчивость речи достигается с помощью цифровой направленности (digital SurroundZoom).

Литература
  • Blauert J (1996). Spatial Hearing. MIT Press, Cambridge MA.
  • Keidser G, Rohrseitz K, Dillon H, Hamacher V, Carter L, and Convery E (2004). The effect of signal processing features in hearing aids on horizontal localization accuracy. Presented at IHCON Meeting, Lake Tahoe.
  • Noble W, Byrne D (1990). A comparison of different binaural hearing aid systems for sound localization in the horizontal and vertical planes. British Journal of Audiology 24(5):335-342.
  • Orton JF and Preves DA (1979). Localization ability as a function of hearing aid microphone placement. Hearing Instruments 30:18-21.
  • Plomp R (1976). Binaural and monaural speech intelligibility of connected discourse in reverberation as a function of azimuth of a single competing sound source (speech or noise). Acoustica 34:200-211.