助聽器雙重反饋抑制算法中的參數(shù)效應研究

凃磊 任杰 趙堅 方文南 王樺

1 引言

隨著社會老齡化的日益加劇及人們對聽力干預與言語康復的重視程度越來越高，助聽器的發(fā)展逐漸受到國家及社會各界的廣泛關注。對于大多數(shù)配戴助聽器滿意度不高的聽障患者，聲反饋現(xiàn)象是最主要的原因之一。助聽器聲反饋現(xiàn)象是由于助聽器受話器的輸出聲被麥克風拾取后再次放大形成循環(huán)回路而產(chǎn)生，此時會出現(xiàn)嘯叫聲，對助聽器配戴者的言語清晰度產(chǎn)生影響，甚至會損傷配戴者的殘余聽力，長期處于嘯叫狀態(tài)下的助聽器更容易出現(xiàn)質(zhì)量問題[1]。因此，抑制或消除聲反饋一直是助聽器技術研究的前沿熱門領域。由于人的耳道、耳背機耳模以及耳內(nèi)式助聽器外殼對于高頻聲信號的衰減作用不明顯，使得1500 Hz 以上的中高頻信號較低頻信號更易引起聲反饋，從而導致同等增益下助聽器在高頻易產(chǎn)生嘯叫。由于聲反饋的存在，聽力師在處理下坡型聽力損失（尤其是高頻陡降型聽力損失）時，很難在驗配助聽器過程中給聽損者提供足夠的高頻補償，以保證較高的言語清晰度。因此，如何最大程度的利用助聽器提供的反饋抑制功能保證高頻陡降型聽力的聽損者足夠的高頻補償，對于聽力師臨床工作有重要意義。

聲反饋現(xiàn)象的產(chǎn)生條件與助聽器本身、助聽器配戴者的聽力損失情況以及實時多變的聲學環(huán)境相關，最早的助聽器反饋抑制技術利用耳背式助聽器耳模，衰減從受話器到麥克風反饋路徑的物理方法抑制聲反饋。隨著數(shù)字助聽器的出現(xiàn)，利用數(shù)字信號處理技術進行反饋抑制的方法被采用。經(jīng)過發(fā)展及演變，如今主流的助聽器反饋抑制算法可分為三類，分別是陷波濾波器法、自動增益頻率響應控制法以及自適應濾波器反饋路徑抵消法[2]。陷波濾波器法的基本思路是通過檢測單音信號或嘯叫，生成一個陡峭的陷波濾波器對較窄頻段內(nèi)的回聲信號進行限制，達到消除反饋的目的，這種方法對嘯叫探測的靈敏度和準確性要求很高，當系統(tǒng)中多個頻率產(chǎn)生嘯叫或聲學環(huán)境突然變化時就會難以應付[3]。而另兩種反饋抑制方法即是本文的研究重點，通常我們把同時使用這兩種方法的助聽系統(tǒng)成為雙重反饋抑制系統(tǒng)。

本文通過對采用較先進的雙重反饋抑制算法的助聽器中不同參數(shù)的效應進行研究，希望給廣大聽力師或臨床工作者提供助聽器驗配指導。

2 反饋抑制算法的理論原理

2.1 聲反饋現(xiàn)象的產(chǎn)生

聲源所發(fā)出的信號由助聽器的麥克風接收后，經(jīng)過助聽器芯片處理，即前向路徑[G(Ω，n）]通過受話器在配戴者鼓膜附近發(fā)聲。同時，受話器播放的聲音信號會不可避免的通過反饋路徑[F(Ω，n）]后，傳回麥克風，形成聲信號的反饋閉環(huán)。

前向路徑G(Ω，n）涵蓋了所有在助聽器中用到的信號處理方法。聲音在通過反饋路徑時除了在不同頻段上有不同程度的衰減外，還會因為聲音傳播而產(chǎn)生延時。因此，F(xiàn)(Ω，n）是由反饋路徑自身的聲學特性、麥克風及受話器的頻率響應以及模-數(shù)、數(shù)-模轉(zhuǎn)換模塊共同決定。

系統(tǒng)產(chǎn)生聲反饋引發(fā)嘯叫需要滿足以下兩個條件：

所以，反饋抑制算法是通過讓上述兩個條件中的某個不成立抑制嘯叫的產(chǎn)生。

評估某系統(tǒng)在抑制聲反饋方面的性能時，通常需要用到一個關鍵指標，即凈空增益（added stable gain，ASG）。凈空增益是指反饋抑制算法給助聽器在未產(chǎn)生嘯叫的前提下帶來的額外穩(wěn)定增益。ASG 越大，系統(tǒng)在反饋抑制性能就越好[4]。

2.2 反饋抑制算法及主要參數(shù)

不考慮耳?；蛑犉魍鈿さ拿荛]程度所造成的聲反饋現(xiàn)象，目前常用的針對增益過大產(chǎn)生嘯叫的反饋抑制方法主要有：①增益-頻率響應控制，即通過降低嘯叫風險高的頻率上放大增益；②反饋路徑抵消，即通過在系統(tǒng)中把麥克風重新拾取到的輸入信號從系統(tǒng)通路里減去，抵消反饋路徑；③頻率及相位控制，即在助聽器處理的前向路徑中加入頻率或相位的改變。3 種方法都是通過破壞等式(1)中的不穩(wěn)定條件來提升系統(tǒng)穩(wěn)定性來抑制嘯叫的產(chǎn)生，其中前兩種是針對條件1 而后一種是針對條件2的，由于頻率及相位控制的方法會引入較大失真，只會在較特殊情況下才會考慮使用（如高頻陡降型聽力的聽損者使用到移頻或頻率轉(zhuǎn)換功能），所以在此不作詳細討論。

增益-頻率響應控制法是針對等式(1)中聲反饋產(chǎn)生的第一個條件抑制嘯叫產(chǎn)生，即對一個特定頻率的反饋振動的發(fā)生，避免在此頻率上從麥克風傳到鼓膜處的前向增益在絕對值上超過從鼓膜處返回麥克風的反饋增益。因此，如果能夠?qū)崟r估計反饋路徑并與助聽器當前的前向路徑進行比對，當評估出某一個頻率上的嘯叫風險較大時，就能自適應控制該頻段增益至嘯叫不產(chǎn)生，而平時正常情況下無嘯叫風險或嘯叫風險低時，則不對增益做任何處理。

以圖1、圖2 為例解釋說明增益-頻率響應控制法的工作原理，圖中有三角形標記的曲線代表的是取負向后的前向路徑頻率響應，無三角形標記的曲線代表瞬時估計得到的反饋路徑頻率響應，當反饋路徑曲線高于負向前向路徑曲線的時候，等效于，則代表該頻率點有產(chǎn)生嘯叫的風險，用圓點標記。增益-頻率響應控制法中的一個重要參數(shù)是增益空間?？紤]到實時反饋路徑頻率響應估計的準確性和穩(wěn)定性有限，通常會人為控制頻率增益比允許上限更低，保留空間以降低系統(tǒng)中的反饋風險。增益空間的定義是以不產(chǎn)生反饋為前提，系統(tǒng)所允許的負向前向路徑增益的最大值（通常即為所估計反饋路徑頻率響應值）與實際人為控制的負向前向路徑增益最大值之間的差異。數(shù)學關系上是前者減去后者，因此如果增益空間是正數(shù)，則表明系統(tǒng)允許某種程度上的反饋發(fā)生，絕對值越大，反饋發(fā)生的幾率越大；如果增益空間為負數(shù)，則表明系統(tǒng)有意識降低反饋發(fā)生的幾率，絕對值越大，反饋發(fā)生的機率越小。圖1 和圖2 中是對同一臺助聽器在設置相同增益（MSG 以上20 dB）時，設置不同增益空間參數(shù)值而達到的不同效果。當增益-頻率響應控制法中的增益空間為10 dB 時，從圖1 的瞬時響應動態(tài)圖中可看出，系統(tǒng)平均增益約34 dB，基本上沒有對增益進行控制，并且反饋的風險很大；圖2 中的增益空間設置為-10 dB，助聽器平均增益大概在20 dB 左右，幾乎沒有反饋風險。因此，筆者從理論上推斷，增益-頻率響應控制法會降低助聽器的實際增益，不會提高放大系統(tǒng)的凈空增益。

圖1 當目標增益為MSG 以上20 dB 時，增益-頻率響應控制法中增益空間為10 dB 的瞬時響應動態(tài)圖

圖2 當目標增益為MSG 以上20 dB 時，增益-頻率響應控制法中增益空間為-10 dB 的瞬時響應動態(tài)圖

反饋路徑抵消法與增益-頻率響應控制法不同，它可以持續(xù)地監(jiān)視整個系統(tǒng)傳聲通路的變化并利用對真實回聲路徑的估計在反饋產(chǎn)生之前，虛擬了一個回聲抵消路徑來抑制反饋環(huán)路的形成，所以在達到極致上限條件之前，系統(tǒng)都是不會產(chǎn)生反饋的。使用自適應濾波器的反饋抑制系統(tǒng)，比沒有使用自適應濾波器的反饋抑制系統(tǒng)所能提供的增益要高，也更容易滿足聽損人士對中高頻聽力補償?shù)男枨?。自適應反饋抑制(adaptive feedback suppression，AFS) 是常用的一種利用自適應濾波器來抑制反饋產(chǎn)生的方法[5]，AFS 算法的工作原理如圖3 所示[6]。

圖3 自適應濾波器反饋抑制算法原理圖

因為所需模擬的反饋路徑會隨環(huán)境實時變化而變化，因此在設計自適應濾波器的時候需要考慮能夠快速跟蹤到這種環(huán)境變化，最常用的自適應估計算法有最小均方算法(least mean square，LMS)[7，8]、標準最小均方算法(normalized LMS，NLMS)[9，10]、可變步長最小均方(variable-step-size LMS，VLMS)[11]以及遞歸最小二乘算法(recursive least square，RLS)，這些算法都是通過迭代的方法最小化均方誤差目標函數(shù)或通過最小二乘實現(xiàn)對目標系統(tǒng)的估計，而在迭代的過程中涉及單次迭代的步長可以控制自適應濾波器的更新速率，與后文參數(shù)相關。

反饋路徑抵消法中的重要參數(shù)包含兩方面：①啟動與初始化時間。當助聽器合上電池艙門開始工作時，反饋抑制算法還處于一個初始狀態(tài)，因此就需要算法快速自我調(diào)整到一個較好的工作狀態(tài)，從而能夠很好地對反饋路徑進行初步估計。因此，在算法進入正常工作模式之前，所需要的時間我們就把它稱為啟動時間，通常設置在1～59 秒。②自適應調(diào)整速度。即是反饋抑制算法在反饋估計中更新的速率，如果這個速率被持續(xù)設置為比較快，系統(tǒng)會對很快的偵測到反饋現(xiàn)象并進行抑制，但是如果系統(tǒng)長期處于無嘯叫產(chǎn)生的狀態(tài)下，這樣的設置會造成較大失真并且不必要的計算也會加大助聽器功耗；相反，如果設置為比較慢的時候，反饋現(xiàn)象在被抑制前可能會持續(xù)較長的一段時間，但是聲音失真較小。這樣的切換機制通常由激活靈敏度、激活速度以及激活時間這3 個參數(shù)共同決定。系統(tǒng)激活速度越快，激活時間越長，越有助于系統(tǒng)快速應對處理多變的聲學環(huán)境。當系統(tǒng)處于反饋抑制空閑狀態(tài)，空閑速度則決定了當處于無反饋的狀態(tài)時，系統(tǒng)所采用的反饋抑制更新速率，通常會相對激活速度要慢很多。

3 實驗方法及步驟

本實驗選取某載有內(nèi)置算法的助聽器放大器進行實驗，該廠商所使用算法即是使用雙重反饋抑制算法消除嘯叫[12]。

3.1 實驗方法

①分析兩種獨立的反饋抑制方法對反饋抑制性能的提升；②研究雙重反饋抑制是否能協(xié)同作用配合提升助聽器的反饋抑制性能；③通過不同的參數(shù)集合的助聽器設置比較凈空增益、反映速度、收斂速度等反饋抑制性能指標對助聽器驗配提供臨床指導；④同時評估評估助聽器的補償效果、言語清晰度并結(jié)合負作用綜合考慮。

3.2 實驗條件

設置助聽器放大器各通道小聲增益及最大輸出功率相同，平均增益在30 dB±3 dB 范圍內(nèi)為初始狀態(tài)，壓縮比皆為1：1 即線性放大狀態(tài)，關閉語音增強、脈沖噪聲抑制、風噪聲抑制及其他功能，盡可能避免其它功能對反饋抑制功能的性能分析結(jié)果的影響。此時助聽器頻率響應曲線主要由麥克風、受話器的頻響曲線決定，通常為1000 Hz 以下頻率較為平坦，2000 ～5000 Hz 有共振峰，這樣的頻響曲線在臨床上具有參考價值。

3.3 實驗設備

①丹麥國際聽力（Interacoustics）的Affinity 型助聽器分析儀以及TBS25 測試箱；②美國GRAS 制造仿真耳一對，與杭州愛華制造頭戴耳機測試架、仿真嘴、傳聲器、前置放大器及耦合腔共同組成仿真實驗模塊；③以仿真耳耳道為模型制作的CIC 助聽器，其中采用樓氏EM24446麥克風及SONION 的E50DA012 受話器；④音頻頻譜分析軟件。在測試時所播放的聲音文件為由白噪聲、言語聲、鳥叫聲、音樂聲組成的混合聲音文件。白噪聲完成自適應濾波器的初始化，言語聲模擬日常的言語溝通使用環(huán)境，而鳥叫聲及音樂聲評估反饋抑制的穩(wěn)定性及負作用大小。

3.4 實驗步驟

①同時關閉增益-頻率響應控制及反饋路徑抵消功能；②測量并記下最大穩(wěn)定增益MSG，然后開啟反饋路徑抵消功能，測量并記下凈空增益ASG；③用一塊隔板模擬遮擋物來反射聲音并逐漸由遠及近靠近配戴助聽器的仿真耳來制造反饋并觀察反饋路徑抵消功能的不同反應，之后調(diào)整不同的啟動時間、激活靈敏度、激活速度、激活時間、空閑速度等自適應反饋抑制參數(shù)值進行比較；④按照從步驟③中選取一組相對最優(yōu)的反饋路徑抵消功能參數(shù)設置助聽器，開啟增益-頻率響應控制功能，測量并記下凈空增益ASG；⑤調(diào)整增益-頻率響應控制中不同的增益空間參數(shù)值并比較ASG 以及實際測量增益；⑥在以上實驗中未產(chǎn)生嘯叫的情況下，要觀察分析其音質(zhì)、夾帶或其他負作用效果。

4 實驗結(jié)果及分析

①關閉增益-頻率響應控制功能時，自適應反饋路徑抵消功能所提供的凈空增益為10 dB。②不同啟動時間對反饋路徑抵消功能影響并不大。③對于激活靈敏度測試了從低到高共40 檔個不同數(shù)值，取第36 檔數(shù)值最為合適。④綜合調(diào)試激活速度（共5 檔）和激活時間（0.1～10 秒）兩個參數(shù)之后，發(fā)現(xiàn)當激活速度取第2 檔，激活時間取1.2秒的時候最為合適。⑤對于空閑速度測試了從低到高共10 檔，發(fā)現(xiàn)取第6 檔左右性能最好，空閑速度的參數(shù)效應可參照激活速度。⑥按照上述②～⑤選取一組相對最優(yōu)的反饋路徑抵消參數(shù)以后，開啟增益-頻率響應控制功能，凈空增益可進一步提高，通過調(diào)整不同增益空間數(shù)值（-16 dB ～16 dB）可發(fā)現(xiàn)調(diào)整至-8 dB 時為最好，既能提升凈空增益至18.3 dB，又能保證增益補償效果無較大差別。⑦當增益空間給到-16 dB 的極端情況時，雖然看起來凈空增益的測量值可以提高很多，但是實際增益已經(jīng)遠小于調(diào)試所顯示數(shù)值，因此該指標不再具有表征意義，也會使配戴者的聽力補償及言語清晰度造成很大影響。

根據(jù)以上實驗結(jié)果，筆者作出如下討論。①反饋路徑抵消功能中的各項參數(shù)調(diào)整圍繞著系統(tǒng)對反饋出現(xiàn)后的反應速度和消除反饋的速度快慢進行，速度快慢的選擇要綜合聲音信號音質(zhì)的考慮。②反饋路徑抵消功能本身就能提供可觀的凈空增益，加上增益-頻率響應控制功能協(xié)同作用后的雙重抑制機制則可以提供更高的凈空增益。雖然理論上增益-頻率響應控制功能不會提高系統(tǒng)的凈空增益，但是常遇到的反饋嘯叫是在較為極端條件下產(chǎn)生的，如頭發(fā)擋住耳朵，吃飯或講話張開嘴巴或兩人擁抱的時候，聽力師的處理方法通常是為了防止在這些發(fā)生頻率不高的極端情況下不嘯叫而犧牲掉部分增益造成聽力補償不足，而增益-頻率響應控制功能恰好能很好地避免這樣的補償不足發(fā)生；③本實驗中所測量出的凈空增益可能與某些助聽器廠商所宣傳的有出入，不同實驗環(huán)境和實驗方法下所測量的凈空增益指標有明顯區(qū)別，本研究的 重點在指標相對數(shù)值的比較上進行性能分析，因此，指標參數(shù)的絕對數(shù)值不具備很強的表征意義。

5 結(jié)論

本文通過對助聽器中使用的雙重反饋抑制算法進行性能分析，得出以下結(jié)論：①反饋路徑抵消功能與增益-頻率響應控制功能的雙重反饋抑制機制能夠協(xié)同作用提供不錯的凈空增益保證配戴者的高頻補償；②增益頻率響應控制功能的參數(shù)調(diào)試時要在提供極端條件下抑制嘯叫作用的同時保證不會影響常規(guī)聲學環(huán)境下工作時的增益補償；③反饋路徑抵消功能的參數(shù)調(diào)試基本上是綜合考慮系統(tǒng)對反饋的反應速度、處理速度以及配戴者所要求的音質(zhì)決定。對反饋現(xiàn)象的反應速度和處理速度設置的越快，嘯叫發(fā)生的機會減小，但是音質(zhì)就會降低，失真度提高，尤其是聽音樂的時候。