Hann-over, ein Rückblick Charity-Gala für besseres Hören

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11/2010
»Mit Elan durchstarten«
Hann-over,
ein Rückblick
Alt bewährte Dinge trafen auf zukünftigen
Fortschritt und ließen die Branche auf dem
diesjährigen EUHA-Kongress glänzen. Die
ausführliche Kongress-Berichterstattung
finden Sie ab Seite 22.
– Das ist das erklärte Ziel der Fördergemeinschaft Gutes Hören (FGH) mit ihren beiden
neuen Geschäftsführern Jürgen Matthies und
Burkhard Stropahl sowie dem neuen Leiter der
Geschäftsstelle Christian Hastedt. Wir haben
mit Christian Hastedt gesprochen, um
mehr über die zukünftigen Schwerpunkte
und Projekte ab Seite 46 zu erfahren.
Charity-Gala
für besseres Hören
0
Die Hear the World Foundation veranstaltete
01
2
/
in Berlin ihre erste Benefiz-Gala mit
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M
Fa c h w i sse n
Binaurale Richtwirkung
Neue Ansätze bei
direktionalen Multi-Mikrofon-Systemen
Barbra Timmer, Phonak
Der interaktive Datenaus­
tausch zwischen linkem und
rechtem Hörsystem mit Zoom­
Control ermöglicht neuartige
Muster wie z. B. einen Hör­
fokus nur nach rechts, links
oder nach hinten zu erzeugen.
Durch Kombination beider
Möglichkeiten, das vollständige Audiosignal zwischen
Hörgeräten zu übertragen
und der Richtwirkungsfunk­
tionalität, kann jetzt ein bin­
aurales Richtwirkungssystem
zur Verfügung gestellt werden.
Damit können ganz neue
Formen der RichtwirkungsCharakteristik generiert
Die Funktion StereoZoom soll dabei helfen, einzelne Personen im Störgeräusch
werden.
noch besser zu verstehen.
(Foto: pressmaster / fotolia.com)
D
urch das Austauschen von vollständigen Audiosig­
nalen arbeiten die Mikrofone beider Hörsysteme zusammen und können sich noch genauer auf Signalquellen
direkt von vorne fokussieren. Gleichzeitig werden konkurrierende Störgeräusche aus allen anderen Richtungen auf
ein Mindestmaß abgesenkt. Das Ergebnis ist ein signifikant verbesserter Signal-Rausch-Abstand (SNR), der zu
einem deutlich besseren Sprach­verständnis in schwierigen
Hörsituationen führt.
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 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 Schwerhörige
haben deshalb mehr oder weniger Probleme mit der Ortung von Schallquellen und der Unterdrückung von Stör12
schall 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.
Grenzen von
Dual-Mikrofon-Systemen
Einfache Dual-Mikrofon-Systeme haben bestimmte
Grenzen, die durch die Physik gegeben sind. In Abb. 1 sind
die verschiedenen Charakteristiken eines Dual-MikrofonHörakustik 11/2010
Fa c h w issen
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 Vorwärts-Richtung. Neben dieser Festlegung auf nur
eine Hauptrichtung der Empfindlichkeit fällt auch noch
auf, dass die »Ausformung« der Empfindlichkeit, d. h. 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 (Richtstrahl) 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 Richtmikrofon-Systemen zweiter Ordnung möglich ist.
Cardiod
Supercardiod
Bidirectional
Ein einzelnes Richtmikrofon wird auch als Mikrofon
erster Ordnung bezeichnet. Physikalisch bedingt arbeitet
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. Dual-Mikrofon-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-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-Mikrofon-Systemen höherer Ordnung wie etwa Drei-Mikrofon- oder seriellen
Multimikrofon-Anordnungen noch größer. Die Empfindlichkeit nimmt z. B. bei einem Dreifach-Mikrofon-System
mit 12 dB/Oktave zu den tiefen Frequenzen hin ab. Die­ser Sachverhalt ist in Abbildung 2 dargestellt. Als Konsequenz lässt man bei solchen Systemen in der Praxis im
Bereich tiefer Frequenzen nur zwei Mikrofone arbeiten.
Das dritte Mikrofon wird erst oberhalb etwa 1 kHz zugeschaltet.
10 dB
←→
Omnidirectional
Der Einfluss der »Ordnung«
Abb. 1: Polardiagramme mit den theoretischen Richtcha­
rakteristiken, welche man bei Benutzung von zwei Mikro­
fonen kontinuierlich erzeugen kann.
Hörakustik 11/2010
100
1K
10 K
f/Hz
Abb. 2: Die Empfindlichkeit eines Kugelmikrofons (grün),
eines Dual-Mikrofon-Systems (rot) und eines Drei-Mikro­
fon-Systems (blau) in Abhängigkeit von der Frequenz
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Fa c h w i sse n
Realistische Richtcharakteristiken
Es sollte bedacht werden, dass einige der vorange­
gangenen Beschreibungen von Dual-/Multi-MikrofonTechnologien nur in der Theorie zutreffen. Bei einem
Dual-Mikrofon-System können die vorher beschriebenen,
theoretischen Kurven nur dann erreicht 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 kann der Schall beispielsweise 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 (Abb. 3) ist für tiefe Frequenzen
wegen auftretender Beugungseffekte nicht so groß, nimmt
aber mit steigender Frequenz stark zu. Die Konsequenz
daraus ist, dass man allgemein auch in der Praxis bei tiefen Frequenzen eine schlechte Richtwirkung hat.
Hörsysteme können diese Anordnung realisieren. Nun
müssten diese Mikrofone nur noch miteinander verknüpft
werden. Dies kann z. B. durch drahtlose Funktechnologie
wie in einem HIBAN-System (Hearing Instrument Body
Area Network) geschehen. Will man den Beam nach rechts
ausrichten, so könnten 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 evt. 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
Abb. 3: Am Kopf gemessene Richtcharakteristik für eine
bestimmte Frequenz, welche den Kopfschatteneffekt ver­
deutlicht.
Weiterentwicklung durch ZoomControl
Das von Phonak entwickelte ZoomControl stellte den
nächsten Schritt bei der Weiterentwicklung von MehrfachMikrofon-Systemen dar. Zum ersten Mal konnte der Träger eines Hörsystems das Hören in eine andere Richtung
als nur nach vorne fokussieren. ZoomControl arbeitet mit
einem Dual-Mikrofon-System, aber mit der Möglichkeit
der Fokussierung sowohl nach vorne als auch nach hinten.
Will man bei einem Dual-Mikrofon-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
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Wenn der Hörgeräte-Träger sich dazu entschließt, den
Fokus nach rechts zu richten, passieren mehrere Dinge
gleichzeitig. Die Empfindlichkeit des linken Mikrofons
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 Richtmikrofon-Systems, das 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 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 RichHörakustik 11/2010
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tung des dominanten Sprachsignals ein und stellt die
­Fokusrichtung automatisch nach, sobald sich die Richtung
der Signalquelle ändert.
Mikrofon-Anordnungen
Komplexe Mikrofon-Anordnungen, 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
­ eiterentwicklung eines verbesserten Beamformers in
W
Hörsystemen. Fakt ist, dass bei binauraler Versorgung vier
Mikrofone vorhanden sind – und warum sollte man diese
nicht dazu nutzen, um eine verbesserte Richtcharakte­ristik zu entwickeln, die heute üblichen Systemen überlegen ist?
rakteristiken 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
Dual-Mikrofon-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 Fokus nach vorne erzeugt und einen verbesserten SNR
möglich macht.
Abb. 6 zeigt dieses Verhalten für eine Sprache-im-Störgeräusch-Situation. Während bei einem herkömmlichen
Richtwirkungssystem 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.
StereoZoom
ON
StereoZoom
ON
(M2)
(Z1)
(Z 2)
(Z 5)
(M 5)
(M 3)
(M1)
(Z 3)
(Z4)
(M 4)
Abb. 5: Theoretische Anordnung von Mikrofonen (M-M4),
die ein Array bilden, welches in jede Richtung (Z1-Z5)
fokussieren kann.
Neuartiges 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 RichtchaHörakustik 11/2010
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.
(Fotos: Phonak AG)
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
über die Fernbedienung aktiviert werden kann. Es ist für
komplexe und schwierige Hörsituationen gedacht, in denen herkömmliche Beamformer an ihre Grenzen stoßen.
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Fa c h w i sse n
Neuartige Chiptechnologie
Die binaurale Richtwirkung mit StereoZoom lässt sich
nur mit einer hoch entwickelten Prozessortechnologie und
der Möglichkeit realisieren, das vollständige Audiosignal
zwischen den Hörsystemen auszutauschen. Diese drahtlose Funktionalität und Prozessorkapazität ist nun ver­
fügbar und StereoZoom in allen drahtlosen PremiumHörsystemen der Phonak Spice-Generation erhältlich.
Zusammenfassung
Mit StereoZoom ist es gelungen, einen wichtigen Meilenstein in der Richtwirkungstechnologie zu setzen, der
weit über das hinaus geht, was eine in den meisten Hörsystemen zur Verfügung stehende, konventionelle Richtmikrofon-Technologie leisten kann. Das Ziel war es, 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 Neuerung der binauralen Richtwirkung ist erst
durch die Leistungsfähigkeit der neuen Spice-Plattform
Hörakustik 11/2010
Barbra Timmer, MAudSA, MBA, ist als Director of
Audiology and Education bei der Phonak AG in Stäfa
(Schweiz) tätig. Nach dem Abschluss ihres Audiolo­
gie-Studiums in Australien sammelte sie in nahm­
haften Institutionen und Unternehmen umfang­
reiche Erfahrungen im Bereich Hörakustik und
Audiologie in Australien, Neuseeland und in den
Niederlanden. Seit 1996 arbeitet sie in verschiedenen
Positionen bei Phonak.
möglich geworden. 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-Rausch-Abstand in besonders anspruchsvollen
Hörsituationen, die bislang von Hörsystem-Trägern nicht
bewältigt werden konnten.
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