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Binaurale Richtwirkung
Drahtlose Datenübertragung öffnet das Tor zu völlig neuen Ansätzen bei
direktionalen Multi-Mikrofonsystemen
Einleitung
Phonak gilt zu Recht als der Erfinder der MultimikrofonTechnologie bei Hörsystemen. Bereits in den frühen neunziger
Jahren des vorigen Jahrhunderts setzten Hörsysteme mit
AudioZoom neue Maßstäbe in puncto Sprachverständlichkeit
im Störlärm. Die Multimikrofon-Technologie wurde mit dem
Aufkommen digitaler Hörsysteme von allen Herstellern
übernommen, kontinuierlich weiterentwickelt und ist heute
Standard in jedem Hörsystem. Trotzdem können bestimmte
physikalische Grenzen mit dem Einsatz von nur zwei
Mikrofonen nicht überwunden werden. Mit ZoomControl,
welches interaktiven Datenaustausch zwischen linkem und
rechtem Hörsystem anwendet, war es zum ersten Mal möglich,
neuartige Muster wie z.B. einen Hörfokus nur nach rechts,
links oder nach hinten zu erzeugen. Jetzt geht Phonak in der
Richtwikungstechnologie wieder einen grossen Schritt weiter
nach vorne. Durch Kombination der nur Phonak zur Verfügung
stehenden Möglichkeit, das vollständige Audiosignal zwischen
Hörgeräten zu übertragen und der Richtwirkungsfunktionalität, kann jetzt ein binaurales Richtwirkungssystem
zur Verfügung gestellt werden. Damit können ganz neue
Formen der Richtwirkungs-Charakteristik erzeugt werden.
Durch das Austauschen von vollständigen Audiosignalen
arbeiten die Mikrofone beider Hörsysteme zusammen und
können sich noch genauer auf Signalquellen direkt von vorne
fokusieren. Gleichzeitig werden konkurrierende Störgeräusche
aus allen anderen Richtungen auf ein Mindestmaß abgesenkt.
Das Ergebnis ist ein signifikant verbesserter Signal-RauschAbstand (SNR), der zu einem deutlich besseren
Sprachverständnis in schwierigen Hörsituationen führt, als es
vorher je möglich war.
Fokussierung beim natürlichen Hören
Das menschliche Ohr ist in der Lage, eine Vielfalt von
akustischen Schallquellen bis auf wenige Grad genau zu orten.
Es bedient sich dabei geringster Laufzeit- und
Pegelunterschiede, welche zwischen beiden Ohren auftreten.
Dieser Lokalisierungsprozess verläuft meist unbewusst und das
Gehör kann damit auf bestimmte Signalquellen fokussieren.
Die aus den verschiedensten Richtungen ankommenden
Signale werden im Gehirn nach ihrer scheinbaren Wichtigkeit
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beurteilt und einer auditorischen Szenenanalyse unterzogen.
Je nachdem, wie diese Beurteilung ausfällt, werden bestimmte
Anteile hervorgehoben oder gegebenenfalls unterdrückt.
Dieser Mechanismus ist beim hörgeschädigten Ohr sehr oft
gestört und Hörgeschädigte haben deshalb mehr oder weniger
Probleme mit der Ortung von Schallquellen und der
Unterdrückung von Störschall bei der Verarbeitung der
akustischen Signale im Innenohr und im Gehirn. Die moderne
Technik versucht, diese Fähigkeiten wieder zu verbessern. Da
sie aber nicht in die Prozesse im Innenohr und im Gehirn
eingreifen kann, geschieht das indem bestimmte als wichtig
erachtete Signale hervorgehoben und andere, unwichtige oder
sogar störende Signale unterdrückt werden.
Die Multimikrofon-Technologie ist bei Hörsystemen der
wahrscheinlich wichtigste und am besten funktionierende
Ansatz, Störsignale von Nutzsignalen zu unterscheiden. Sie
nutzt die Tatsache, dass der Mensch in der Regel in die
Richtung schaut, aus welcher ein ihn interessierendes
Audiosignal kommt. Durch Kombination der beiden
Richtcharakteristiken der Mikrofone werden in der Regel
Signale von vorne hervorgehoben und Signale aus anderen
Richtungen unterdrückt.
Die Grenzen von Dualmikrofon-Systemen
Einfache Dualmikrofon-Systeme haben bestimmte Grenzen,
die durch die Physik gegeben sind. In Abb. 1 sind die
verschiedenen Charakteristiken eines Dualmikrofon-Systems
dargestellt. Es ist zu sehen, dass die mögliche Form der
Richtcharakteristik, dargestellt in Polardiagrammen stufenlos
alle Möglichkeiten zwischen der reinen Kugelcharakteristik
und der Form einer Acht durchlaufen kann. Wenn man von der
reinen „Acht“-Charakteristik absieht, welche in Hörsystemen
in der Regel nicht genutzt wird, liegt der Hauptfokus der
Empfindlichkeit stets in der Vorwärtsrichtung. Neben dieser
Festlegung auf nur eine Hauptrichtung der Empfindlichkeit
fällt auch noch auf, dass die „Ausformung“ der
Empfindlichkeit, das heißt also, wie sensibel das System in
welche Richtung reagiert, wenig scharf ist. Das bedeutet, dass
neben Signalen, welche direkt von vorne kommen auch solche,
die innerhalb eines Winkels von +/-60° zur Vorwärtsrichtung
liegen, sehr gut übertragen werden. Das ist aber, je nach
Hörsituation, oft nicht gewünscht.
Um dieses Problem zu lösen muss der Beam schmaler und
empfindlicher werden, was man durch Vergrößerung der
Entfernung zwischen beiden Mikrofonen erreichen kann.
Da die Gehäuse heutiger Hörsysteme sehr klein sind
funktioniert diese Strategie nur begrenzt. Auch Versuche, die
Anzahl der Mikrofone hintereinander zu erhöhen, wodurch
sich ebenfalls ein engerer Beam erzeugen lässt, hatten keinen
grossen Erfolg. Beim hintereinander Schalten mehrerer
Mikrofone
lassen
sich
zwar
prinzipiell
neue
Richtcharakteristiken erzeugen, die Herausforderung ist
jedoch, dass dies nur mit Richtmikrofonsystemen Zweiter
Ordnung möglich ist.
Systemen die Richtwirkung im Hochtonbereich angewandt
während im Tieftonbereich grösstenteils eine omnidirektionale Charakteristik gewählt wird. In ganz bestimmten
akustischen Situationen, in denen man davon ausgehen kann,
dass das angehobene Eigenrauschen nicht gehört wird oder
keinen Einfluss auf das Verstehen der anderen Signale hat
wird auch im Tieftonbereich eine Richtwirkung erzeugt.
Obwohl es moderne digitale Hörsysteme ermöglichen diese
Charakteristiken in mehreren Kanälen zu steuern können die
grundlegenden Probleme, zwar reduziert, aber nicht
vollständig gelöst werden.
Das Problem des angehobenen Eigenrauschens im
Tieftonbereich wird bei Multi-Mikrofonsystemen höhrere
Ordnung wie etwa Dreimikrofon- oder Seriellen
Multimikrofon-Anordnungen noch größer. Die Empfindlichkeit
nimmt zum Beispiel bei einem Dreifachmikrofon-System mit
12 dB/Oktave zu den tiefen Frequenzen hin ab. Dieser
Sachverhalt ist in Abb. 2 dargestellt. Als Konsequenz lässt
man bei solchen Systemen in der Praxis im Bereich tiefer
Frequenzen nur zwei Mikrofonen arbeiten. Das dritte Mikrofon
wird erst oberhalb etwa 1 kHz zugeschaltet.
Abb. 2: Die Empfindlichkeit eines Kugelmikrofones (grün), eines
Dualmikrofon-Systems (rot) und eines Dreimikrofon-Systems (blau) in
Abhängigkeit von der Frequenz.
Abb. 1: Polardiagramme mit den theoretischen Richtcharakteristiken, welche
man bei Benutzung von zwei Mikrofonen kontinuierlich erzeugen kann.
Der Einfluss der „Ordnung“
Ein einzelnes Richtmikrofon wird auch als Mikrofon Erster
Ordnung bezeichnet. Physikalisch bedingt arbeiten es mit
einer frequenzabhängigen Empfindlichkeit. Das bedeutet tiefe
Frequenzen werden schlechter übertragen als hohe. Die
Empfindlichkeit fällt mit 6 dB/Oktave zu den tiefen
Frequenzen hin ab, was zur Folge hat, dass der Klang, sofern
dies nicht korrigiert wird, wegen der zu geringen
Tiefenübertragung hell und „dünn“ ist. Korrigiert man den
Frequenzgang, so hebt man dadurch aber den internen
Rauschpegel an. Dies führt besonders bei leisen
Eingangssignalen zu Problemen, weil dieses Rauschen hörbar
werden kann. Dualmikrofon-Systeme verwenden oft zwei
omnidirektionale Mikrofone, um die Richtcharakteristiken
erster Ordnung zu erzeugen. Um die zuvor beschriebenen
Probleme zu umgehen, wird bei diesen Multi-Mikrofon-
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Realistische Richtcharakteristiken
Es sollte bedacht werden, das einige der vorangegangenen
Beschreibungen von Dual/Multimikrofon-Technologien nur in
der Theorie zutreffen. Bei einem Dualmikrofon-System können,
die vorher beschriebenen, theoretischen Kurven nur dann
erreichen werden, wenn es sich im freien Schallfeld befindet.
Wird das Hörgerät in einer echten Geräuschumgebung
getragen unterscheiden sich die Ergebnisse natürlich
wesentlich. Bei einem typischen HdO beispielsweise kann der
Schall nur von der gleichen Seite her relativ ungestört in die
Mikrofone gelangen. Signale von der gegenüberliegenden
Seite werden durch den Kopf als Hindernis abgeschwächt.
Dieser Kopfschatteneffekt (Abbildung 3) ist für tiefe
Frequenzen wegen auftretender Beugungseffekte nicht so
groß nimmt aber mit steigender Frequenz stark zu.
Konsequenz daraus ist, dass man allgemein auch in der Praxis
bei tiefen Frequenzen eine schlechte Richtwirkung hat.
Abb. 3: Am Kopf gemessene Richtcharakteristik für eine bestimmte Frequenz,
welche den Kopfschatteneffekt verdeutlicht.
Weiterentwicklung durch ZoomControl
Das von Phonak entwickelte ZoomControl stellte den nächsten
Schritt bei der Weiterentwicklung von MehrfachmikrofonSystemen dar. Zum ersten Mal überhaupt konnte der Träger
eines Hörsystems das Hören in eine andere Richtung als nur
nach vorne fokussieren. ZoomControl arbeitet mit einem
Dualmikrofon-System, aber mit der Möglichkeit der
Fokussierung sowohl nach vorne als auch nach hinten. Will
man bei einem Dualmikrofon-System einen Beam nach rechts
oder links erhalten, so muss man die Anordnung der
Mikrofone ändern und sie nebeneinander und nicht
hintereinander platzieren (Abb. 4). Bei binauraler Versorgung
liegt diese Voraussetzung theoretisch vor, denn die jeweils
vorderen und hinteren Mikrofone der beiden Hörsysteme
können diese Anordnung realisieren. Nun müssten diese
Mikrofone nur noch miteinander verknüpft werden. Dies kann
zum Beispiel durch drahtlose Funktechnologie wie in einem
HIBAN (Hearing Instrument Body Area Network) System
geschehen. Will man den Beam nach rechts ausrichten, so
könnten zum Beispiel die Dual-Mikrofone des rechten
Hörgeräts die Rolle der frontalen Mikrofone und die DualMikrofone des linken Hörgeräts die Rolle der rückwärtigen
Mikrofone übernehmen. So einfach ist es aber nicht, denn auf
Grund der in der Praxis vorhandenen Kopfschattenwirkung ist
eventuell kein geeignetes Signal auf der Gegenseite
vorhanden, welches sich zur Differenzbildung eignen würde.
Man geht deshalb einen etwas anderen Weg.
Abb. 4: Mikrofone in Parallelanordnung
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Wenn der Hörgeräteträger sich dazu entschließt, den Fokus
nach rechts zu richten, passieren mehrere Dinge gleichzeitig.
Die Empfindlichkeit des linken Mikrofones wird abgedämpft,
so dass es Signale von links nicht aufnimmt. Das rechte
Hörsystem nimmt eine Einstellung ein, welche eine möglichst
optimale Signalaufnahme von rechts garantiert. Das rechts
aufgenommene Signal wird drahtlos und in Echtzeit zum
linken
Hörsystem
gesendet,
wo
es
mit
dem
Verstärkungsmodell des linken Ohres verstärkt wird. Als
Ergebnis hört der Benutzer ein nach rechts optimiertes
Gesamtsignal mit den richtigen Pegeln auf beiden Ohren. Der
Effekt ist bemerkenswert. Der Benutzer erhält ein Signal,
welches dem eines Richtmikrofonsystems, welches streng
nach rechts ausgerichtet ist, entspricht.
ZoomControl ist ein eigenständiges Programm und kann über
einen Schalter am Hörgerät oder über Fernbedienung aktiviert
werden. Bisher musste der Benutzer die Fokusrichtung wählen
und manuell verstellen, wenn sich die Situation änderte. Mit
der Spice-Generation wurde diese einzigartige Phonak
Innovation noch ausgereifter. Jetzt muss der Benutzer, wenn
er in eine andere Richtung als nach vorne fokussieren will,
lediglich das auto ZoomControl Programm wählen. Von da an
stellt sich das Hörsystem auf die Richtung des dominanten
Sprachsignals ein und stellt die Fokusrichtung automatisch
nach, sobald sich die Richtung der Signalquelle ändert.
Mikrofonanordnungen
Komplexe Mikrofonanordungen die mehrere Mikrofone nutzen
werden in unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt.
Mittels moderner Computertechnik machen es solche
sogenannten Mikrofonarrays möglich, nahezu jede bewegte
Lärmquelle punktgenau aufzuspüren und auch zu verfolgen.
Obwohl ein solches Array in Hörsystemen nicht realisierbar ist
sind die Möglichkeiten, welche in ihm stecken, für Audiologen
und Entwickler interessant. Eine einfache Anordnung, mit der
man akustisch praktisch in jede Richtung “sehen“ könnte zeigt
Abbildung 5. Bei geeigneter Schaltung der Einzelmikrofone
(M1–M4) lassen sich die Zoomrichtungen Z1–Z4 erhalten.
Schaltet man die Mikrofone M2-M4 zu einem
„virtuellen“ Mikrofon M5 zusammen, so ist auch die Richtung
Z5 möglich. Es ist leicht einzusehen, dass diese Anordnung
von Mikrofonen nach allen Richtungen „spähen“ kann. Leider
lässt sich diese Anordnung aus Platzgründen, nicht in einem
Hörsystem realisieren.
Trotzdem bilden diese Überlegungen die Basis zur
Weiterentwicklung eines verbesserten Beamformers in
Hörsystemen. Fakt ist, dass bei binauraler Versorgung, vier
Mikrofone vorhanden sind und warum sollte man diese nicht
dazu nutzen, eine verbesserte Richtcharakteristik zu
entwickeln, die heute üblichen Systemen überlegen ist?
Abb.5: Theoretische Anordnung von Mikrofonen (M1–M4), die ein Array bilden,
welches in jede Richtung (Z1–Z5) fokussieren kann.
StereoZoom – ein neuartiges über drahtlose Technologie
verknüpftes Mikrofonarray
In Hörsystemen ist eine dreidimensionale Anordnung der
Mikrofone nicht so wichtig, da die meisten wichtigen
Schallereignisse in der Ebene um uns herum auftreten. Man
kann deshalb auf die altbewährte Anordnung der Mikrofone
zurückgreifen, mit denen sich ebene Richtcharakteristiken
aufbauen lassen. Die Grundidee bei dem von Phonak jetzt neu
entwickelten StereoZoom besteht darin, ein zusätzliches
Mikrofonsystem für die Formung des Beam zu verwenden.
Dies erreicht man, indem man das Dualmikrofon-System einer
Kopfseite mit dem auf der anderen Kopfseite über drahtlose
Technologie verknüpft. Die zusätzliche Information bewirkt,
dass sich eine neuartige, verbesserte Richtcharakteristik
erzeugen lässt, welche „schärfer“ ist als bisher und einen
weiter verbesserten SNR bietet (Abb. 6). Zusätzlich verbessert
sich die Richtcharakteristik in den tiefen Frequenzen durch
den insgesamt größeren Mikrofonabstand deutlich. Die
Nullstellen des Beams können weiter nach vorne in die
Richtung von +/-45° verschoben werden, was einen deutlich
schmaleren Focus nach vorne erzeugt und einen verbesserten
SNR möglich macht. Abb. 6 zeigt dieses Verhalten für eine
Sprache-im-Störgeräusch Situation. Während bei einem
herkömmlichen Richtwirkungs-System alle drei sprechenden
Personen (Mundsymbole in Abb.6) hervorgehoben werden und
sich gegenseitig stören falls sie durcheinander sprechen, wird
bei StereoZoom nur eine bestimmte Person in den Beam
einbezogen. So kann sich der Nutzer mit StereoZoom voll auf
diese Person konzentrieren.
Abb. 6: Monaurale Richtmikrofone haben einen breiten Fokus nach vorne
(linkes Bild, grauer Bereich). StereoZoom hat einen starken Fokus nach vorne
(rechtes Bild, grüner Bereich), damit man sich auf eine einzelne Stimme in
einer Menschenmenge konzentrieren kann.
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Zusätzliches Programm
In der mehr als fünf Jahre andauernden Entwicklungszeit von
StereoZoom hat sich in Feldstudien gezeigt, dass es wenig
sinnvoll ist, StereoZoom in einen Automatikmodus im
Hörsystem zu integrieren. Der sehr scharfe Fokus von
StereoZoom ist nur für sehr spezielle Hörsituationen adäquat,
in denen sich der Zuhörer auf nur eine Person im Störlärm
konzentrieren will. StereoZoom ist deshalb ein eigenständiges
Programm, welches vom Benutzer bei Bedarf über den
Programmwahltaster am Hörsystem oder die Fernbedienung
aktiviert werden kann. Es ist für komplexe und schwierige
Hörsituationen gedacht in denen herkömmliche Beamformer
an ihre Grenzen stoßen.
Neuartige Chiptechnologie
Die binaurale Richtwirkung mit StereoZoom lässt sich nur mit
einer hochentwickelten Prozessortechnologie und der
Möglichkeit realisieren, das vollständige Audiosignal zwischen
den Hörsystemen auszutauschen. Diese einzigartige drahtlose
Funktionalität und Prozessorkapazität ist jetzt verfügbar und
StereoZoom ist in allen drahtlosen Premium Hörsystemen der
Phonak Spice-Generation erhältlich.
Zusammenfassung
Phonak baut seine Führungsposition im Bereich der
Richtmikrofon-Technologie weiter aus. Mit StereoZoom ist es
Phonak gelungen einen wichtigen Meilenstein in der
Richtwirkungs-Technologie zu setzen. der weit über das
hinausgeht was eine in den meisten Hörsystemen zur
Verfügung
stehende
konventionelle
RichtmikrofonTechnologie leisten kann. Das Ziel war, ein Mikrofonarray
aufzubauen, welches bei einer binauralen Anpassung nicht
nur jeweils die beiden Mikrofone einer Kopfseite unabhängig
voneinander nutzt, sondern ein Netzwerk von Mikrofonen
beider Hörsysteme bildet. Damit lassen sich neue und
schlankere Richtwirkungscharakteristiken realisieren und
gezielt in besonders schwierigen Geräuschsituationen
einsetzen. Durch die drahtlose Vernetzung der Hörsysteme
und den Austausch von Audiosignalen in Echtzeit ist es jetzt
möglich, den Fokus auf eine einzelne Person zu richten und
dabei nicht nur störenden Lärm von hinten und von der Seite,
sondern nun zum ersten Mal auch von vorne zu reduzieren.
Diese neue Ära der binauralen Richtwirkung ist erst durch die
erstaunliche Leistungsfähigkeit der neuen Spice-Plattform
möglich geworden, die anderen Plattformen deutlich
überlegen ist. . StereoZoom ist ein eigenständiges Programm,
welches je nach Bedarf vom Benutzer über den
Programmwahltaster am Hörgerät oder die Fernbedienung
aktiviert wird. Es bietet eine verbesserte Richtwirkung nach
vorne und somit einen deutlich verbesserten Signal-RauschAbstand in besonders anspruchsvollen Hörsituationen, die
bislang von Trägern von Hörsystemen nicht bewältigt werden
konnten.