原创 助听器指向性技术

指向性技术用于收集期望方向的声音同时削弱其它方向的声音，这种技术被运用于助听器已经多年，并且已经证实它可以帮助助听器配戴者提升在多种噪音环境下的言语识别。实现助听器指向性的方法很多，根据所采用麦克风的不同，可以归纳为以下四类基本的方式：

1．        单个指向性麦克风

2．        一个指向性麦克风加一个全向性麦克风

3．        一对全向性麦克风

4．        由三个或更多麦克风组成的阵列

虽然第一种方式具有简单和体积小的优势，但一般不会被采用，除非通过机械方法可以用于切换到全向性模式。事实上，在过去指向性助听器未能获得广泛的认可的主要原因之一就是没有全向性模式。因此第二和第三种方式现在被得到广泛的运用。“全向＋指向”方式包括一个全向性和一个指向性麦克风，也需要一个独立某种形式的开关来打开某一个麦克风并关闭另一个麦克风，因此，在任何时刻，只有一个麦克风是处在工作状态中的（只有一个麦克风信号被采用，要么是指向性麦克风，要么是全向性麦克风）；双麦克风方式运用某种形式的电子线路来实现，从两个全向性麦克风输出的信号是全向性的，通过该线路的处理可以得到任何形式的指向性特性。第四种方式麦克风阵列是非常规的指向性系统，它可以获得最大12dB的信噪比，过去这些系统只能用于颈式或眼镜式助听系统中，现在也有三麦克风被运用于耳背式助听器的新型指向性系统出现。

1. 指向性麦克风

典型的驻极体式电容全向性麦克风结构，声音进入麦克风口后，导致麦克风内部前腔的压力变化，这些压力的改变引起振膜的振动，从而使麦克风输出一个模拟的电信号。 

现在没有任何电子线路（无论模拟或数字）能完全从背景声中分离出语言信号。为了帮助人们能在噪声环境中听得更清楚，解决方案之一就是不让噪音进入信号处理线路中去，一个办法就是采用指向性麦克风。

指向性麦克风有两个入声口，呈前后方向排列，指向性麦克风的工作原理十分简单：从助听器后面传来的声波将首先传递进入麦克风的后入声口，这部分声波进入麦克风口后将遇到一个机械滤网，这将使声波延迟，这个滤网对声波的延迟被称为内部延时Ti。同时，声波还将向前传播到达前麦克风口，由于两个麦克风口之间有一定的距离，声波从后麦克风口到达前麦克风需要一定的时间，这一时间被称为外部延时Te。如果这个机械滤网对声波的延时被设计成正好等于外部延时Te，则当声波B到达麦克风的前口并使连通着前口的麦克风前半腔体压力产生变化时，声波A也正好进入麦克风后半腔，由于声波A和声波B将在各自腔体内产生非常接近的声压，在振膜的两侧没有压差存在。因此，这将不能引起振膜振动也没有电信号会产生。由此可见，指向性麦克风已有效在消除了从后侧来的声波，并且阻止这些信号进入线路。 

由于指向性麦克风的输出具有固定指向性不能切换到全向性，因此现在单个的指向性麦克风在助听器上的应用越来越少了，但由于指向性麦克风的入声口间距较小，在和一个全向性麦克风组合后可运用于耳内式或半耳式定制助听器。

2． 双麦克风系统

上述指向性麦克风的这种工作方式也可以由两个全向性麦克风来达成。与指向性麦克风采用机械滤网实现从后麦克风口进入的声音的延迟不同，双麦克风系统中采用了一个电子延时器，用于延迟来自后麦克风的声音信号。而且，如果该电子延时即内部延时Ti被设定等于外部延时Te时（即声波从后麦克风传递到前麦克风所需时间），则当两个信号进入一个减法器后，将完全抵消，因此来自后侧的声音被消除了。

在这种方式中，内部延时被设定为与外部延时相同的情况，此时理论上的指向性指数DI是4.8dB（仅指信号在1000Hz时的理论值，以下同）。事实上此时的指向性指数并不是最高的，DI很大程度上取决于延时比，即内部延时和外部延时的比值Ti/Te。

典型的指向性灵敏度极性图和对应的延时比、指向性指数相对于单个指向性麦克风，双麦克风系统的优势是明显的，首先双麦克风系统具有很高的灵活性。在一个指向性麦克风中，延时比是由麦克风制造商固定的，因此，只有一种指向性特性可获得，在一个双麦克风系统中两个麦克风口间的距离和内部延时可以由助听器制造商调整。事实上在有些多听力记忆程序的多麦克风编程系统中，不同的延时可以通过编程设置到不同的听力程序中以便用户选择多种不同的指向性，这给用户一个选择，可以根据不同的听力情景选择最合适的极性图。当然，其中某一个听力程序必须是全向性状态，因为大部分听力情景下，全向性仍是最合适的。

双麦克风系统的另一个优势是低噪音环境下更优化的的信噪比。助听器配载者的普遍的抱怨是，有时他们会听到“嘶嘶声”，在安静环境中这个噪音是由电子线路产生的。在绝大部分设计良好的助听器中，麦克风产生的噪声占了本机噪声中最大成分，而且指向性麦克风的噪音比全向性麦克风更高。双麦克风系统设计时可以改进这种状况，若同样的信号（例如语音）被传递到两个全向性麦克风，当两个麦克风输出被叠加后，这个信号将增加6dB，然而，每个独立的麦克风产生的噪音是随机且无关联的，当被叠加后，麦克风噪音仅在输出上增加3dB，因此信噪比获得3dB的净增长。更进一步，若两个麦克风的输出被衰减或降低6dB以使系统回到通常增益，那么一个3dB的麦克风噪音抑制就获得了。这个量级的衰减是可以被助听器配戴者感受到的，这将改变在安静听力环境下的听力舒适度和满意度。另一方面，虽然在指向性模式，内部麦克风噪音实际高出了3dB（也许达4.5dB），然而，由于配戴者只在噪音环境使用指向性模式，此时环境噪音的信号大大强于任何线路产生的本机噪音，所以这并不是一个需要解决的问题。

双麦克风系统在风声环境中还可以检测出风声，从而为助听器抑制风噪音提供依据。助听器配戴者所听到的风噪音是，空气在麦克风口的湍流引起的，因此两个麦克风接收到的信号互相是没有关联的。相反如果是由同一信号源发出的声音被两个麦克风接收后，再由两个麦克风输出的信号之间除了有时间差外，其它特征是一致的。助听器的数字芯片只要比对来自两个麦克风的信号就可以识别出是否存在风噪音，只要风噪音达到预设的阈值就可以启动风声抑制。这也是风声抑制功能只能在双麦克风或三麦克风系统上才能启效的缘故。 

此外双麦克风系统可实现抵消槽自适应并减少低频滚降的影响，将在以后相关内容中讨论。

3． 三麦克风系统

三麦克风技术是目前助听器领域具有最大指向性指数的新技术，其指向性指数平均比双麦克风系统高2～3dB。三麦克风系统在一个耳背机里整合三个全向性麦克风，在水平方向前后排列，麦克风1在前，麦克风3在后，而麦克风2居中。 其中麦克风1和2、麦克风2和3各组成一个双麦克风系统，而两个系统的输出再次被送入一个抵消器中，通过三次对后向信号的抵消，三麦克风获得了极高的指向性指数。但是由于低频滚降的存在，低频信号也被削减很多。从第二阶抵消器输出的信号虽然有很高的指向性指数，但对低频信号（1000Hz以下）的灵敏度大幅下降，使声音音质受损，甚至还会减少言语信号的可听度。因此在三麦克风系统中，低频部分是让双麦克风系统的输出通过低通滤波器后获得的，而只有高频部分采用高通滤波器从二阶抵消器输出信号中获得，最后高低频信号进入加法器叠加以获得完整信号。