Módszerek a személyi hangerősítők teljesítményének növelésére és hatásfokának javítására

A személyi hangerősítők (PSAP, personal sound amplification product) olcsó megoldást kínálnak a sportoláshoz és a halláskárosodás esetén szükséges kismértékű hallásjavításra. Bár ezek az intelligens, állítható hallókészülékek egyre népszerűbbek, folyamatos kihívást jelent a tervezők számára, hogy javítsák ezek teljesítményét, miközben a költségeket és a fogyasztást a minimálisra csökkentik.

A feladatok abból adódnak, hogy csökkenteni kell a hallójáratban a problémás környezeti beszűrődést és a csontvezetéssel terjedő hangokat, miközben figyelembe kell venni a hallókészülék elektronikájából adódó késleltetéseket is. Ezek az elektronikák mikrofonokat, hangszórót, digitális jelfeldolgozó rendszert (DSP) és kodeket tartalmaznak. Az elektronikának köszönhető erősítés és az emiatti késleltetési jelek kombinálása a környezeti beszűrődéssel és a csontvezetéssel terjedő hangokkal fésűhatást hoz létre, amelyet előbb meg kell érteni, csak azután lehet hatékonyan csökkenteni, hogy költség- és energiatakarékos eszközt lehessen létrehozni.

Ez a cikk ismerteti a személyi hangerősítők felépítését, működését, jellegzetes tervezési követelményeit és az olyan kulcsfontosságú műszaki fogalmakat, mint a fésűhatás. Ezután bemutatja az Analog Devices/Maxim Integrated személyi hangerősítőkben használható kis fogyasztású, nagy teljesítményű, a fésűhatás kezelésére szolgáló hangkodekjét, és ismerteti annak használatát.

A személyi hangerősítők üzemeltetési és tervezési követelményei

Az életkor előrehaladtával gyakran nehezebben hallják az emberek a rádiót, a televíziót vagy a beszélgetéseket. Néha a háttérzaj zavarja, hogy halljuk az éttermi vagy társasági beszélgetést. A hallásproblémák megoldására eddig drága hallókészülékeket használtak, amelyek gyógyászati segédeszközként vannak besorolva és szabályozva. Ezek a készülékek az egyes felhasználók halláskárosodásának mértékétől függetlenül lényegesen drágábbak, mint a nem szabályozott személyi hangerősítő hallókészülékek.

A szabadidős tevékenységekhez vagy kismértékű hallásjavításra szánt elemes vagy akkumulátoros személyi hangerősítők kismértékű, testreszabható erősítéssel rendelkeznek, hogy a közép- és magas frekvenciák csökkentésével vagy növelésével segítsenek a felhasználóknak abban, hogy mindent tisztán halljanak. Az erősítő a visszacsatolás és a háttérzaj csökkentése érdekében általában el van látva az erősítést alaphelyzetbe állító lehetőséggel és valamilyen zajszűrő áramkörrel (1. ábra).

1. ábra: Az olyan személyi hangerősítők, mint a C350+, kismértékű, testreszabható erősítéssel rendelkeznek a tisztán hallás javítása érdekében (kép: Health Products for You (HPFY, gyógyászati termékek Önnek))

Az egyes készülékek frekvenciaátviteli tartománya az elsődleges felhasználási módtól függ, ami lehet például beszéd vagy zene hallgatása. A beszéd esetében a működési frekvenciatartomány 20 Hz és 8 kHz között van, míg zene esetében a hallható hangok 20 kHz-es felső határáig terjed. A legtöbb személyi hangerősítő készülék elemről vagy akkumulátorról működik, és tartozik hozzá valamilyen számítógépes szoftver az erősítésnek az adott frekvenciatartományban való testreszabásához. Ezeket a készülékeket emellett úgy tervezték, hogy kiváló hangminőséget és beszédérthetőséget biztosítsanak a felhasználó körüli környezeti hangok, a telefonról érkező hangok és a hangfelvételek hallgatásához.

Egy jellegzetes személyi hangerősítő rendszer tartalmaz valamiféle hangkodeket és egy alapszintű digitális jelfeldolgozó (DSP) egységet is. A személyi hangerősítő rendszer egyszerűsített nézetén egy hangkodek látható, amely egy analóg-digitális átalakítóhoz (ADC) csatlakozó mikrofonbemenettel van ellátva. A hangkodek a Bluetooth egykártyás rendszermodullal kombinált (SoC) alapszintű digitális jelfeldolgozó (DSP) részegységre történő digitális adatátvitel előkészítéseként (2. ábra) „megtizedeli”, azaz azaz alacsonyabb mintavételi frekvenciára ülteti át az analóg-digitális átalakító digitális kimenőjelét.

2. ábra: A személyi hangerősítők jellegzetes hangrendszere mikrofonból, analóg-digitális átalakítóból, jeltizedelőből, kombinált Bluetooth–DSP (digitális jelfeldolgozó) részegységből, interpolátorból, digitális-analóg átalakítóból (DAC), erősítőből és hangszóróból áll (kép: Maxim Integrated, módosította: Bonnie Baker)

A Bluetooth egykártyás rendszermodullal kombinált alapszintű digitális jelfeldolgozó részegység tovább tizedeli a jelet a digitális jelfeldolgozó egység számára történő előkészítés gyanánt. A digitális jelfeldolgozó egység feldolgozza és interpolálja a jelet, majd a digitális jelet visszaküldi a hangkodeknek. A hangkodek visszaalakítja a digitális jelet analóg jellé, hogy meg lehessen vele hajtani a hangszórókimenetet.

A bekapcsolt személyi hangerősítő kétféle hangot juttat a felhasználó dobhártyájára. Az S1 a felhasználó hangjának környezeti beszűrődéséből visszamaradó hangnak (S1A) és a csontvezetéssel terjedő hangnak (S1B) az összege. Az S1 esetében a hallókészülék eltakarja a fülnyílást, hogy megakadályozza a hang bejutását a hallójáratba, illetve a hang kijutását a hallójáraton kívülre (3. ábra).

3. ábra: A személyi hangerősítő segítségével három forrásból származó hang éri el a dobhártyát: a környezeti beszűrődésből eredő hang (S1A), a csontvezetéssel terjedő hang (S1B) és a feldolgozott környezeti hang (S2A) (kép: Maxim Integrated, módosította: Bonnie Baker)

A személyi hangerősítő mikrofonja érzékeli a környezeti hangot (S2), a digitális jelfeldolgozó egység feldolgozza azt, és az így kapott kimenőjelet (S2A) a hangátalakítón keresztül a hallójáratba küldi. Fontos megjegyezni, hogy a hangfeldolgozó lánc kialakítása késleltetést okoz. Ez a három hang összegezve éri el a felhasználó dobhártyáját, hogy megteremtse a személyi hangerősítő nyújtotta hanghatást.

A személyi hangerősítő fésűhatása

A személyi hangerősítő nyújtotta hanghatás eléréséhez a hangrendszernek összegeznie kell minden hangot, mielőtt azok elérnék a dobhártyát. Az S1A és az S1B egyszerre érkezik a felhasználó dobhártyájához, de mint látható, az S2 jel áthalad a hangrendszeren, ami némi késleltetést okoz. Ha a késleltetés és az erősítés nincs megfelelően beállítva, a források összeadásakor visszhang keletkezik (4. ábra).

4. ábra: A három hang (S1A, S1B és S2) összegzésének jelmodellje (kép: Bonnie Baker)

A 4. ábrán a változók a késleltetés és az erősítés (G). Az S1 jel közvetlenül a dobhártyára jut. Azáltal, hogy a környezeti S1 hangot hozzáadjuk az elektronikus S2 útvonalhoz, az S2 erősítési funkciója késleltetést eredményez. Az S1 és az S2 összeadása visszhangot hozhat létre, de ez a késleltetési időnek és az erősítés mértékének módosításával minimálisra csökkenthető.

Az 5. ábrán a kapott frekvenciagörbe látható 0,4 ms és 3 ms késleltetés, valamint 0 dB, 15 dB és 30 dB értékű erősítés (G) esetén.

5. ábra: Két hang összegzésének frekvenciagörbéje a jelmodell alapján, 0,4 ms és 3 ms késleltetés és 0 dB, 15 dB és 30 dB erősítés esetén (kép: Maxim Integrated, módosította: Bonnie Baker)

Az 5. ábrán látható normalizált frekvenciagörbék a késleltetés és az erősítés dobhártyára gyakorolt hatását szemléltetik. A 0 dB-nek megfelelő erősítés esetén torzítás vagy fésűhatás jelentkezik több „besüppedés” formájában. A fésűhatás az utánzengés vagy a visszhang következtében ronthatja a hangminőséget. Az 5A. ábrán látható, hogy a 3 ms késleltetés sokkal alacsonyabb frekvenciákon több besüppedést hoz létre.

Az 5B. ábrán az látható, hogy nagyobb erősítés esetén a fésűhatás mértéke csökken. Az erősítést 0 dB-ről 15 dB-re növelve 15 dB-es erősítésnél ~3 dB-es hullámosság jön létre. Az 5C. ábrán 30 dB-es erősítés mellett mindkét késleltetés esetében szinte lapos frekvenciagörbét láthatunk.

A fésűhatás csökkentésének módja

Mint fentebb látható, az erősítés növelése és a késleltetés csökkentése a hagyományos személyi hangerősítő-rendszerekben csökkenti a fésűhatást, amivel csökkenthető az utánzengés és a visszhang. A korszerű személyi hangerősítő eszközökben a késleltetést és az erősítést megvalósító részegységeket egy kis késleltetésű digitális szűrővel helyettesítik, amely zajcsökkentő funkciót lát el (6. ábra).

6. ábra: A korszerű személyi hangerősítő-rendszerek esetén négy hang éri el a dobhártyát, az ábrán látható jelöléssel: S1A, S1B, S2A és S2B (kép: Maxim Integrated, módosította: Bonnie Baker)

A 6. ábrán a MAX98050 kis fogyasztású, nagy teljesítményű hangkodek zajcsökkentő jelet (S2B) állít elő, amely az eredeti passzív környezeti hanggal kölcsönhatásba lépve új hangot alkot. A MAX98050 zajszűrő, valamint beszédhang- és környezetizaj-javító funkciókat lát el. Ezek a funkciók egy kis fogyasztású, kis késleltetésű digitális szűrőre támaszkodnak, amely lehetővé teszi, hogy az S2B hang alacsony frekvenciákon csökkentse a zajt.

A 7. ábrán egy MAX98050 kodeken alapuló személyi hangerősítő készülék egyszerűsített blokkvázlata látható.

7. ábra: A MAX98050 kodek megteremti a személyi hangerősítő jelillesztőjét, lehetővé téve az erősítés változtatását, valamint a zaj és a késleltetés csökkentését (kép: Bonnie Baker)

A 7. ábrán látható blokkvázlaton alapuló szimuláció a MAX98050 eszközre épülő rendszer fésűhatás-csökkentését, valamint az erősítés és a késleltetési idő zajra gyakorolt hatását szemlélteti (8. ábra).

8. ábra: A 7. ábrán látható blokkvázlat alapján készített szimulációt mutató ábrán a MAX98050 fésűhatás-csökkentése, valamint az erősítés és a késleltetési idő zajra gyakorolt hatása látható (kép: Maxim Integrated)

A 8. ábrán látható, hogy a Maxim zajcsökkentő megoldása kiemeli az S1 és S2 hang erősítése közti különbséget. A szimuláción kívül a valós alakú és valós idejű értékelőrendszeren alapuló mérések is igazolják a javasolt zajcsökkentő megoldás hatását.

Megjegyzendő, hogy a késleltetés csökkentése a hangrendszerekben viszonylag nagy mintavételi frekvenciát követel meg az analóg-digitális és a digitális-analóg átalakítótól is. Ezek a változtatások növelik a számítási terhelést és csökkentik az hatásfokot. Ezek miatt összességében romlik a hangteljesítmény.

Összegzés

A személyi hangerősítők egyértelmű, költségtakarékos előnyöket nyújtanak mindazoknak, akik javítani szeretnék a hallásukat. A tervezők számára továbbra is kihívást jelent a hatásfok javítása és a teljesítmény növelése, amihez hatékonyabban kell csökkenteni a fésűhatást. Mint látható, a Maxim Integrated kis fogyasztású, mindig aktív MAX98050 kodekjének használatával a tervezők csökkenthetik a személyi hangerősítő fésűhatását, ami a következő generációs személyi hangerősítők esetében jobb hangteljesítményt és hatásfokot, valamint rugalmas rendszertervezést tesz lehetővé.