包含时间去相关波束形成器的双边助听器系统的制作方法

1.本发明在第一方面涉及一种双耳助听器系统，该双耳助听器系统包括用于放置在用户右耳处或右耳中的第一助听器和用于放置在用户左耳处或左耳中的第二助听器，反之亦然。第一助听器的第一信号处理器被配置成基于由第一助听器的第一麦克风布置响应于传入声音而提供的一个或多个麦克风信号，生成第一单耳波束形成信号，所述第一单耳波束形成信号表现出在目标方向上具有最大灵敏度的第一极性图。第一信号处理器还被配置成基于第一单耳波束形成信号和从第二助听器接收的第二单耳波束形成信号，生成双边波束形成信号。双边波束形成信号表现出在目标方向(通常是用户的正面方向)上具有最大灵敏度且在第一、第二助听器的相应同侧或本侧具有降低的灵敏度的极性图。第一信号处理器还被配置成基于一个或多个麦克风信号，生成第三单耳波束形成信号，并且表现出在第一助听器的同侧具有最大灵敏度且在目标方向上具有降低的灵敏度且在第一助听器的对侧具有降低的灵敏度的第三极性图。第一信号处理器还被配置成相对于第一双边波束形成信号，对第三单耳波束形成信号进行时间延迟以降低两者的相关性，并组合第一双边波束形成信号和经时间延迟的第三单耳波束形成信号以形成第一混合波束形成信号；第一、第二和第三极性图优选地已经借助安装在声学人体模型的右耳和左耳上的第一、第二助听器进行测量或以其他方式确定。


背景技术：

2.听力正常的人能够在嘈杂的聆听条件(例如餐馆、酒吧、音乐会场馆等)下有选择地集中注意力以实现语音可懂度并保持情境意识。相比之下，对于听力受损的人，在嘈杂环境中聆听特定、期望的声源，同时保持环境意识，这仍然是一项日常具有挑战性的任务。现有的双耳助听器系统通常有效地改善了双边或双耳波束形成麦克风信号相对于由左耳和右耳麦克风布置提供的一个或多个原始麦克风信号的测量或客观信噪比。双边或双耳波束形成麦克风信号的显著的信噪比改善是由双耳波束形成麦克风信号的高方向性引起的。这意味着，位于目标方向(通常是用户的正面方向)周围相对狭窄的角度范围之外的声源会被严重衰减或抑制。声源保持基本上不衰减的狭窄角度范围可能仅围绕目标方向延伸 /-20至40度。这种对于布置在目标方向之外的声源的严重抑制导致对于听力受损用户而言令人不快的所谓“隧道听力”感觉，其中目标方向之外的声源可能是听不见的，这尤其会导致丧失情境意识。
3.us8755547公开了一种用于增强声音可懂度的双耳波束形成方法和双耳助听器系统。增强声音可懂度的方法包括以下步骤：检测从第一方向发出的主声音并产生主信号；检测从第一方向的左侧和右侧发出的次声音并产生次信号；相对于次信号延迟主信号；并将信号的组合呈现给听者的听觉系统的左侧和右侧。us 8755547仅将优先效应用于定位优势。
4.本领域需要一种双耳助听器系统，其提供灵活的方式以在嘈杂的听力环境中通过强波束形成(即应用高方向性指数)来实现语音可懂度的改进，并在不太不利的听力环境中
通过离轴放置(即在目标方向或目标范围之外，例如放置在用户的侧面和后面)的声学信号源的可控水平，减轻“隧道听力”感觉。


技术实现要素：

5.本发明的第一方面涉及一种双耳助听器系统，其包括：用于放置在用户左耳或右耳处，或左耳或右耳中的第一助听器，所述第一助听器包括第一麦克风布置、第一信号处理器、被配置用于通过数据通信信道无线发送和接收麦克风信号的第一数据通信接口；
6.用于放置在用户的相对耳处或中的第二助听器，所述第二助听器包括第二麦克风布置、第二信号处理器、被配置用于通过数据通信信道无线发送和接收麦克风信号的第二数据通信接口。优选地，第一信号处理器被配置成：
7.基于由第一麦克风布置响应于传入声音而提供的一个或多个麦克风信号，生成第一单耳波束形成信号，所述第一单耳波束形成信号表现出在目标方向上具有最大灵敏度的第一极性图(a first polar pattern)，
8.通过第一无线通信接口将第一单耳波束形成信号发送到第二和对侧助听器，
9.通过第一无线数据通信接口从第二助听器接收第二单耳波束形成信号，
10.基于第一和第二单耳波束形成信号，生成第一双边波束形成信号，所述第一双边波束形成信号表现出在目标方向上具有最大灵敏度且在用户左耳和右耳的相应同侧具有降低的灵敏度的第二极性图，
11.基于一个或多个麦克风信号，生成第三单耳波束形成信号，并其表现出在第一助听器的同侧具有最大灵敏度且在目标方向上具有降低的灵敏度且在第一助听器的对侧具有降低的灵敏度的第三极性图。第一信号处理器还被配置成相对于第一双边波束形成信号，对第三单耳波束形成信号进行时间延迟，以降低第一双边波束形成信号和第三单耳波束形成信号之间的相关性。第一信号处理器还被配置成组合或混合第一双边波束形成信号和时间延迟的第三单耳波束形成信号，以形成第一混合波束形成信号；其中第一、第二和第三极性图已经借助在分别安装在声学人体模型的右耳和左耳上或处的第一和第二助听器在1khz下进行测量或以其他方式确定。
12.声学人体模型可以是市售声学人体模型，例如kemar或hats或被设计或构造成模拟或代表人类头部和躯干的平均声学性质的任何类似的声学人体模型。本领域技术人员将理解，当双耳助听器系统适当地布置在听力受损用户或患者身上时，如当适当地安装在声学人体模型上时，第一、第二和第三极性图通常将表现出基本上相同的极性图或定向特征。然而，参考基于声学人体模型的第一、第二和第三极性图的确定确保了目前双耳助听器系统的这些特性的定义明确且可再现的测量条件。
13.本领域技术人员将理解，第二助听器的第二信号处理器优选地被配置成对由第二麦克风布置而提供的一个或多个麦克风信号执行对应的功能或算法。因此，第二信号处理器被配置成形成或生成第二单耳波束形成信号、对应的第二双边波束形成信号、对应的第四单耳波束形成信号和第二混合波束形成信号，该第二混合波束形成信号具有与在第一助听器分中形成的第一混合波束形成信号对应的性质。
14.第一和第二听力仪或助听器中的每一个都可以包括bte、rie、ite、itc、cic、ric等类型的助听器，与其相关联的壳体形状和在用户耳朵处的放置。
15.由本双耳助听器系统生成的第一和第二混合波束形成信号的特性向助听器用户提供针对离轴定位的声源的感知空间化的声像，以促进声源隔离。这种声源隔离改进了助听器用户在嘈杂的声音环境(例如鸡尾酒会环境)中的语音理解、聆听舒适度和情境意识，如下面更详细讨论的。
16.第一和第二数据通信接口中的每一个优选地包括无线收发器，该无线收发器包括用于将第一和第二单耳波束形成信号分别发送到相对助听器的无线发射器和分别用于接收第二和第一单耳波束形成信号的无线接收器。无线收发器可以是被配置成在2.4ghz工业科学医学(ism)频带中操作的无线电收发器并且可以符合蓝牙le标准。替代地，第一和第二数据通信接口中的每一个可以包括磁线圈天线并且基于天线之间的近场磁耦合，例如在10至20mhz之间的频率范围内操作的nmfi。本领域技术人员将理解，第一和第二单耳波束形成信号中的每一个优选地以数字编码格式发送，例如作为根据第一和第二数据通信接口的数据协议的实时数字音频流来传输。在由第一和第二信号处理器执行上述定向处理步骤之前，由第一麦克风布置供应的一个或多个麦克风信号和由第二麦克风布置供应的一个或多个麦克风信号优选地通过相应的a/d转换器转换为对应的数字麦克风信号。因此，上述波束形成信号优选地以如上所讨论的数字编码格式并以特定采样率或频率(例如32khz、48khz、96khz等)表示。
17.第一助听器的第一信号处理器可以包括全通滤波器电路或算法，其被配置成对第三单耳波束形成信号进行全通滤波或将第三单耳波束形成信号时间延迟第一信号处理器的时钟信号的多个时钟周期，以创建第三单耳波束形成信号的预定时间延迟。在一个实施例中，第一信号处理器被配置成将第三单耳波束形成信号延迟大于4毫秒或5毫秒的值，并且优选地小于50毫秒，例如在5毫秒和20毫秒之间，在1khz下测量。时间延迟可以由第一信号处理器的单独硬件电路或组件创建。下面参考附图更详细地讨论该时间延迟的适当长度。滑雪者将理解，在双边波束形成信号和第三单耳波束形成信号之间提供的时间延迟用于暂时使第一混合波束形成信号的这些信号分量去相关，如下面参考附图更详细地讨论的。
18.第一麦克风布置优选地至少包括第一全向麦克风和第二全向麦克风，它们被配置成生成第一和第二全向麦克风信号，作为形成第一单耳波束形成信号的第一波束形成算法的输入。替代地或另外，第一麦克风布置可以包括定向麦克风，其被配置成生成定向麦克风信号，作为第一波束形成算法的输入。第三单耳波束形成信号优选地至少基于第一和第二全向麦克风信号，因为全向性质允许第一信号处理器调整第三单耳波束形成信号的定向性质，并且因此使用第一和第二全向麦克风信号的相应头部相关传递函数和如下面更详细地讨论的相应滤波器函数以灵活的方式将第三极性图调整为特定目标函数。
19.第一、第二助听器的一个实施例可以包括第一和第二全向麦克风以及第三全向麦克风或定向麦克风。第一助听器可以包括耳后(behind-the-ear)壳体部，其中第一和第二全向麦克风的相应声音入口，或者其中定向麦克风的第一和第二声音入口，以预定的前后间距例如大于5mm或10mm布置。通常，第一和第二声音入口之间较大的间距或距离改进了第一单耳波束形成信号的方向性和定向指数(di)，并且同样改进了第三单耳波束形成信号的方向性和定向指数(d1)。在第一助听器的某些实施例中可以实现第一和第二全向麦克风的第一和第二声音入口之间的相对大的间距，该第一助听器除了耳后壳体部外，还包括ric耳
塞或可以包括用于输出声音生成的微型扬声器或接收器的类似耳内壳体部。后一个壳体部通常与耳内壳体部物理地分开相当大的距离。在一个实施例中，第一全向麦克风可以布置在耳后壳体部中，并且第二全向麦克风和其声音入口可以布置在耳内壳体部上。在另一个实施例中，第一和第二全向麦克风布置在如上所讨论的耳后壳体部中，而第三全向麦克风或定向麦克风布置在耳内壳体部上。来自耳内壳体部的麦克风信号可以经由合适的信号线或线路发送到耳后壳体部，该耳后壳体部通常包括第一信号处理器和电池。
20.根据双耳助听器系统的一个实施例，第一助听器的第一信号处理器还被配置成在与第一双耳波束形成信号混合或添加到第一双耳波束形成信号之前调节第三单耳波束形成信号的电平，以提供具有可变电平的第三单耳波束形成信号的第一混合波束形成信号。这种特征使得第一信号处理器能够针对助听器用户的特定声音环境，动态地调整包括离轴声源和听觉线索的第三单耳波束形成信号的电平。第一信号处理器可以例如还被配置成：
[0021]-基于第一助听器的第一和第二麦克风信号，估计传入声音的信噪比，
[0022]
基于估计的信噪比，自动且动态地调节第一助听器中第三单耳波束形成信号的电平-例如通过借助增加传入声音的信噪比而增加第三单耳波束形成信号的电平，如下面参考附图更详细地讨论的。
[0023]
本领域技术人员将理解，第一双边波束形成信号可以由本领域已知的各种固定或自适应波束形成算法形成，例如延迟和求和波束形成算法或滤波器和求和波束形成算法。
[0024]
根据双耳助听器系统的一个实施例，第一信号处理器被配置成基于第一单耳波束形成信号z
l
和第二单耳波束形成信号zr，使用时间延迟和求和机制，自适应地计算第一双边波束形成信号；所述计算包括根据以下公式的最小化代价函数c(α，β)：
[0025]
c(α，β)＝e{(αz
l
βzr)
·
(αz
l*
βz
r*
)} λ
*
(α β-1) λ(α β-1)
*
[0026]
在α β＝1的约束条件下；e是统计期望，*指示复函数的共轭，并且λ是拉格朗日乘子(lagrange multiplier)，如下面参考附图更详细地讨论的。
[0027]
根据以下公式，第一信号处理器优选地被配置成生成第三单耳波束形成信号并且第二助听器的第二信号处理器被配置成生成第二助听器的对应的第二单耳波束形成信号耳波束形成信号
[0028][0029]
其中表示与声源的角度，并且是目标方向，
[0030]
表示在声学人体模型例如kemar或hats上测量的第二助听器的第一麦克风的头部相关传递函数，
[0031]
表示在声学人体模型例如kemar或hats上测量的第二助听器的第二麦克风的头部相关传递函数，
[0032]
表示在声学人体模型例如kemar或hats上测量的第一助听器的第一麦克风的头部相关传递函数，
[0033]
表示在声学人体模型例如kemar或hats上测量的第一助听器的第二麦克风的头部相关传递函数；并且
[0034]
表示第二助听器的第一离散时间滤波器，例如fir滤波器的频率响应，
[0035]fbl
(f，b)表示第二助听器的第二离散时间滤波器，例如fir滤波器的频率响应，
[0036]ffr
(f，b)表示第一助听器的第三离散时间滤波器，例如fir滤波器的频率响应，
[0037]fbr
(f，b)表示第一助听器的第二离散时间滤波器，例如fir滤波器的频率响应。
[0038]
空间滤波器的相应频率响应f
fl
(f，b)、f
bl
(f，b)、f
fr
(f，b)和f
br
(f，b)优选地相对于第一和第二助听器，例如通过适当编程的外部计算设备，例如个人计算机、智能电话等，进行离线计算。
[0039]
关于第一极性图的特性或第一单耳波束形成信号的定向特性，所陈述的在目标方向上的最大灵敏度应意味着在1khz下或更优选地在500hz和4khz之间的任何测试频率下的最大灵敏度，落入围绕目标方向的狭窄角度范围内，使用根据下面图4和5的角度符号，例如340至20度或更优选地350至10度的角度范围。第一极性图的最小灵敏度优选地位于用户身后，使用根据下面图4和5的角度符号，例如在约150至210度或更优选地170至190度的角度范围内。在1khz下，第一极性图的最大和最小灵敏度之间的差可大于10db-例如在500hz和4khz之间的任何测试频率下大于10db。
[0040]
关于第三极性图的特性或第三单耳波束形成信号的定向特性，在1khz下或在500hz和4khz之间的任何测试频率下，第三极性图的最大和最小灵敏度之间的差可大于10db。右耳(例如第一)助听器的第三极性图的最大灵敏度，优选地落在用户或人体模型的右耳的同侧，使用根据图4和5的角度符号，例如在约60至160度的角度范围内。同样，左耳(例如第二)助听器的单耳波束形成信号的极性图的最大灵敏度，优选地落在用户或人体模型的左耳的同侧，使用根据图4和5的角度符号，例如在约200至300度的角度范围内，如下面参照附图更详细地讨论的。
[0041]
第三单耳波束形成信号的第三极性图的最小灵敏度可以位于或靠近目标方向，或者位于右耳助听器的对侧。在任何特定测试频率下第三极性图的最小和最大灵敏度之间的差尤其取决于上述空间滤波器的频率响应和物理尺寸，例如麦克风布置的声音入口间距。根据第一助听器的一个实施例，在1khz下或在500hz和4khz之间的任何测试频率下，第三极性图的最大灵敏度和在目标方向上的灵敏度之间的差大于6db，如下面参考附图更详细地讨论的。
[0042]
关于第二极性图的特性或第一双边波束形成信号的定向特性，所陈述的在目标方向上的最大灵敏度应意味着在1khz下或更优选地在500hz和4khz之间的任何测试频率下的最大灵敏度落在围绕目标方向的狭窄角度范围中，使用根据下面图4和5的角度符号，例如340至20度，或更优选地350至10度的角度范围。
[0043]
第一助听器的第一信号处理器优选地还被配置成对第一混合波束形成信号执行听力损失补偿。听力损失补偿可以包括众所周知的放大策略，这类多信道动态范围压缩和/或降噪，用于生成旨在恢复助听器用户的正常听力的电听力损失补偿输出信号。第一和第二助听器中的每一个还可以包括输出换能器，该输出换能器被配置成将电听力损失补偿输出信号转换成用户耳道中的对应声学信号或声压或转换成用于耳蜗植入电极的多信道电
极信号。
[0044]
第一信号处理器和第二信号处理器中的每一个可以包括软件可编程微处理器，例如数字信号处理器或专有数字逻辑电路系统或其任何组合。如本文所用，术语“处理器”、“信号处理器”、“控制器”等旨在指代微处理器或cpu相关实体，硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件。例如，“处理器”、“信号处理器”、“控制器”、“系统”等可以是但不限于是在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行文件、执行线程和/或程序。作为说明，术语“处理器”、“信号处理器”、“控制器”、“系统”等既指在处理器上运行的应用程序，也指硬件处理器。一个或多个“处理器”、“信号处理器”、“控制器”、“系统”等或其任何组合可驻留在进程和/或执行线程中，并且一个或多个“处理器”、“信号处理器”、“控制器”、“系统”等或其任何组合，可以位于一个硬件处理器上，可能与其他硬件电路系统组合，和/或分布在两个或多个硬件处理器之间，可能与其他硬件电路系统组合。另外，处理器(或类似的术语)可以是能够执行信号处理的任何组件或组件的任何组合。例如，信号处理器可以是asic处理器、fpga处理器、通用处理器、微处理器、电路组件或集成电路。
[0045]
本发明的第二方面涉及一种通过在分别布置在用户的右耳和左耳处或中的第一助听器和第二耳助听器处，或反之亦然，对传入声音的双边空间滤波来降低由位于目标方向的目标声源产生的目标声音信号的噪声的方法，所述方法包括在第一助听器处：
[0046]-响应于传入声音，通过第一助听器的麦克风布置生成一个或多个麦克风信号，
[0047]-使用一个或多个麦克风信号，形成第一单耳波束形成信号；所述第一单耳波束形成信号表现出在目标方向上具有最大灵敏度的极性图，
[0048]-通过无线数据通信接口从左耳助听器接收第二单耳波束形成信号，其中所述第二单耳波束形成信号表现出在目标方向上具有最大灵敏度的极性图，
[0049]-基于第一和第二单耳波束形成信号，生成第一双边波束形成信号，所述第一双边波束形成信号表现出在目标方向上具有最大灵敏度且在左耳和第一助听器的相应侧边具有降低的灵敏度的极性图。
[0050]
该方法另外包括：
[0051]-基于第一助听器的麦克风布置的一个或多个麦克风信号，生成第三单耳波束形成信号，其表现出在第一助听器的同侧具有最大灵敏度且在目标方向上具有降低的灵敏度且在第一助听器的对侧具有降低的灵敏度的极性图，
[0052]-相对于第一双边波束形成信号向第三单耳波束形成信号施加时间延迟以降低第一双边波束形成和第三单耳波束形成信号之间的相关性，
[0053]-组合或混合第一双边波束形成信号和第三单耳波束形成信号以形成第一混合波束形成信号，
[0054]
其中当左耳和第一助听器安装在声学人体模型上时，在1khz下确定或已经确定第一、第二和第三极性图。
[0055]
降低目标声音信号的噪声的方法可以包括以下步骤：在与第一双边波束形成信号混合或添加到第一双边波束形成信号之前，动态地调节第三单耳波束形成信号的电平以提供具有可变电平的第三单耳波束形成信号的第一混合波束形成信号。后一种方法的一个实施例还包括：
[0056]-通过第一信号处理器，基于其一个或多个麦克风信号，估计第一麦克风布置处传
入声音的信噪比，和/或通过第二信号处理器，基于其一个或多个麦克风信号，估计第二麦克风布置处的传入声音的信噪比，
[0057]
基于估计的信噪比，自动且动态地调节第三单耳波束形成信号的电平-例如通过借助增加传入声音的信噪比而增加第三单耳波束形成信号的电平。
附图说明
[0058]
在下文中，参考附图更详细地描述本发明的优选实施例，其中：
[0059]
图1示意性地示出了根据本发明的示例性实施例的包括经由双向无线数据通信信道连接的左耳助听器和右耳助听器的双耳或双边助听器系统，
[0060]
图2示出了根据本发明的第一实施例的双耳或双边助听器系统的左耳助听器的示意框图，
[0061]
图3示出了根据本发明的实施例的双边波束形成器的基于框的频域实现的简化信号流程图，
[0062]
图4是布置在用户头部周围空间分离的方向上的目标信号源例如期望扬声器和干扰信号源的示例性布置的示意图示，
[0063]
图5示出了左耳助听器和右耳助听器在1khz、2khz和4khz频率下的第三单耳波束形成信号或监听耳信号的极性图的示例性目标函数，
[0064]
图6示出了作为声源方向的函数的左耳助听器的前麦克风和后麦克风的在kemar上的相应头部相关传递函数(hrtf)的实验测量幅度，
[0065]
图7示出了作为声源方向的函数的右耳助听器的前麦克风和后麦克风的在kemar上的对应头部相关传递函数(hrtf)的对应实验测量幅度，
[0066]
图8a和8b分别示出了由示例性优化过程确定的右耳助听器的第一和第二fir滤波器的频率响应，
[0067]
图9a示出了对于单耳波束形成器的一个实施例，在1khz、2khz和4khz频率下左耳助听器的第三单耳波束形成信号或监听耳信号的在kemar上的实验测量极性图，
[0068]
图9b示出了对于单耳波束形成器的一个实施例，在1khz、2khz和4khz频率下右耳助听器的第三单耳波束形成信号或监听耳信号的在kemar上的实验测量极性图，
[0069]
图10示出了对于双边波束形成器的优选实施例，在1khz、2khz和4khz频率下左耳助听器和右耳助听器的双边波束形成信号的在kemar上的实验测量极性图；和
[0070]
图11示出了作为时间滞后函数的以分贝为单位的语音的典型自相关函数。
具体实施方式
[0071]
在下文中，参考附图描述双耳助听器系统的各种示例性实施例。技术人员将理解，附图是示意性的并且为了清楚而简化并且因此仅示出对于理解本发明必不可少的细节，而省略了其他细节。相同的附图标记始终指代相同的元件。因此，不必针对每幅图详细描述相同的元件。
[0072]
图1示意性地示出了双耳或双边助听器系统50，其包括左耳助听器或听力仪10l和右耳助听器或听力仪10r，其中的每个都包括用于连接到另一听力仪的无线通信接口。在本实施例中，左耳助听器10l和右耳10r经由双向无线数据通信信道或链路12相互连接，该双
向无线数据通信信道或链路12支持数字化麦克风信号的实时流传输。唯一的id可以与左耳助听器10l和右耳助听器10r中的每一个相关联。双耳助听器系统50的所示无线通信接口34l、34r中的每一个可以被配置成在2.4ghz工业科学医学(ism)频带中操作并且可以符合蓝牙le标准。替代地，所示无线通信接口34l、34r中的每一个可以包括磁线圈天线44l、44r并且基于近场磁耦合，例如在10和20mhz之间的频率区域中操作的nmfi。
[0073]
除了上述唯一id外，在本助听器系统的一些实施例中，左助听器10l和右助听器10r可以基本上相同，使得以下对左助听器10l的特征、组件和信号处理功能的描述也适用于右助听器10r。左助听器10l可包括zno2电池(未示出)或可再充电电池，其连接用于向助听器电路14l供电。左助听器10l包括麦克风布置16l，其优选地至少包括第一和第二全向麦克风，如下面更详细地讨论的。
[0074]
左助听器10l另外包括信号处理器24l，其可以包括听力损失处理器。信号处理器24l还被配置成对左助听器的麦克风信号和对侧麦克风信号进行单耳波束形成和双边波束形成，如下面更详细地讨论的。听力损失处理器被配置成补偿左助听器10l的用户的听力损失。优选地，听力损失处理器24l包括众所周知的动态范围压缩器电路或算法，用于补偿用户的动态范围的频率相关损失，在本领域中通常称为重振。因此，信号处理器24l生成并输出具有附加听力损失补偿的双边波束形成音频信号到扬声器或接收器32l。扬声器或接收器32l将电音频信号转换成对应的声学信号以发送到用户的左耳道中。
[0075]
技术人员将理解，信号处理器24l、24r中的每一个可以包括软件可编程微处理器，例如数字信号处理器。左耳助听器10l和右耳助听器10r中的每一个的操作可以由在软件可编程微处理器上执行的合适的操作系统来控制。操作系统可以被配置成管理助听器硬件和软件资源，例如包括双边波束形成信号的计算、第一和第三单耳波束形成信号的计算、听力损失补偿的计算以及可能的其他处理器和相关联信号处理算法、无线数据通信接口34l、某些存储器资源等。操作系统可以调度任务以有效使用助听器资源，并且还可以包括用于成本分配的会计软件，包括功耗、处理器时间、存储位置、无线传输和其他资源。操作系统可控制无线数据通信接口34l的操作，使得第一单耳波束形成信号被发送到右耳助听器10r，并且通过无线数据通信接口34l和通信信道12从右耳助听器接收第二单耳波束形成信号。右耳助听器10r具有以对应方式起作用的相同硬件组件和软件组件。
[0076]
图2是双耳或双边助听器系统50的用于放置在用户左耳处或中的左耳助听器或听力仪10l的示意框图。左耳助听器10l的所示组件可以布置在一个或多个助听器壳体部例如bte、rie、ite、itc、cic、ric等类型的助听器外壳内部。助听器10l包括麦克风布置16l，其优选地至少包括上述第一全向麦克风101a和第二全向麦克风101b，它们分别响应传入或入射声音而生成第一和第二麦克风信号。第一全向麦克风101a和第二全向麦克风101b的相应声音入口或端口(未示出)优选地以特定间距布置在壳体部助听器10l之一中。声音入口或端口之间的间距取决于壳体部的尺寸和类型，但可以介于5和30mm之间。该端口间距范围实现通过将求和和延迟技术应用于第一和第二麦克风信号来形成第一单耳波束形成信号。助听器10l优选地包括一个或多个模数转换器(未示出)，其在施加到第一单耳波束形成器105之前将模拟麦克风信号转换成具有特定分辨率和采样频率的对应数字麦克风信号。技术人员将理解第一单耳波束形成器105可以实现为信号处理器24l的专用计算硬件或通过在信号处理器24l上执行的一组合适的可执行程序指令来实现，例如先前讨论的可编程微处理器
或dsp或者专用计算硬件和可执行程序指令的任何组合。
[0077]
第一单耳波束形成器105被配置成基于第一和第二麦克风信号，生成第一单耳波束形成信号120，其中波束形成信号120表现出在目标方向(即零度方向或如图4和5上所示的航向)上具有最大灵敏度的第一极性图。在目标方向上的最大灵敏度使得第一单耳波束形成信号120非常适合作为双边波束形成器的输入信号，因为第一极性图对从用户头部的后半球(即在约180度的方向)来的声音信号表现出相对于最大灵敏度的降低的灵敏度。与目标方向相比，从后方来的声音的相对衰减或抑制可能大于6db或10db，在1khz下测量。
[0078]
信号处理器24l被配置成使用支持实时音频的合适的专有或标准化通信协议，通过rf或nfmi天线44l和无线数据通信接口34l，将第一单耳波束形成信号120发送到右侧(即对侧)助听器10r。技术人员将理解，第一单耳波束形成信号120优选地以数字格式例如标准化数字音频格式进行编码。信号处理器24l还被配置成通过无线数据通信接口34l从右侧助听器10r接收第二单耳波束形成信号121。信号处理器24l基于第一单耳波束形成信号120和第二单耳波束形成信号121，使用求和和延迟型双边波束形成器106，生成第一双边波束形成信号107。双边波束形成信号107表现出在目标方向上具有最大灵敏度且在第一和第二助听器的相应对侧具有降低的灵敏度的第二极性图。求和和延迟型双边波束形成器106还被配置成基于第一单耳波束形成信号120(s
l
)和第二单耳波束形成信号121(sr)，自适应地计算双边波束形成信号107。
[0079]
技术人员将理解，第二单耳波束形成信号由右侧助听器10r的信号处理器24r，使用麦克风布置16r的第一和第二麦克风信号，以与第一单耳波束形成信号120的形成对应的方式形成。同样地，右侧助听器10r的信号处理器24r通过双向无线数据通信信道或链路12接收第一单耳波束形成信号120，并被配置成基于第一单耳波束形成信号120和第二单耳波束形成信号121，生成第二双边波束形成信号(未示出)。第二双边波束形成信号具有极性图，该方向图以与双边波束形成信号107对应的方式，在目标方向上具有最大灵敏度且在左侧和右侧助听器的相应对侧具有降低的灵敏度。
[0080]
技术人员理解，由于头影效应，对于离轴定位的声源，即在与目标方向0度不同的角度位置处的声源，左耳麦克风信号和右耳麦克风信号的幅度和相位均不同。左耳麦克风信号和右耳麦克风信号的相应幅度优选地在以延迟和求和波束形成方式求和之前均衡。在双边助听系统的本实施例中，我们一般假设目标声源或说话者位于助听系统的用户或听者前方0度处。
[0081]
根据双边波束形成器106或波束形成算法的一个实施例，第一单耳波束形成信号120(s
l
)和第二单耳波束形成信号121(sr)组合，目标是进一步增强来自目标方向，例如目标或期望的说话者或发言者的声音信号。该双边波束形成器106的该实施例的目的是抑制离轴干扰噪声源，该噪声源可能包括各种类型的家用或工业机器，但也包括一个或多个竞争性说话者，如在众所周知的鸡尾酒会情况下。对于从目标方向(在听者前面)来的声音信号，出于对称原因，第一单耳波束形成信号120和第二单耳波束形成信号121满足条件：s
l
＝sr，并且我们生成波束形成信号s：
[0082]
s＝αs
l
(1-α)sr＝sr[0083]
对于从目标方向之外(例如在助听器用户或听者的侧面或后面)来的声音信号，波束形成信号s应被最小化，即来自离轴声源的信号被抑制。这个目的可以用以下公式表示：
[0084]
arg min
α
(rms(αs
l
(1-α)sr)
[0085]
其中rms表示信号的房间均方值。因此，需要获得最佳α值来实现我们的目标。这等价于在频域中求解以下代价函数c(α，β)中的α和β：
[0086]
{arg min
α，β
e{(αz
l
βzr)
·
(αz
l
βzr)
*
}
[0087]
在α β＝1的约束条件下，并且e是统计期望。*指示复函数的共轭。符号z
l
和zr是频域中的信号表示，分别由s
l
和sr的fft或类似的时-频域变换生成。
[0088]
最佳解优选地通过最小化代价函数获得，如下：
[0089]
c(α，β)＝{e{(αz
l
βzr)
·
(αz
l*
βz
r*
)} λ
*
(α β-1) λ(α β-1)
*
[0090]
通过应用随机最陡下降算法：
[0091]
·
取梯度
[0092]
·
求解拉格朗日
[0093]
.v＝αz
l
βzr[0094]
·
因此，梯度
[0095]
·
最小均方(lms)解为最小均方(lms)解为
[0096]
·
μ是步长
[0097]
归一化的最小均方(nlms)算法可以描述为：
[0098][0099]
优选地，当v
*
·
v＞0时执行更新。步长μ默认值可以设置为0.0002和0.01之间的值，例如μ＝0.001。步长决定了收敛速度。
[0100]
图10示出了双边波束形成器106的上文公开的实施例的在1khz、2khz和4khz下测量的双边波束形成信号107的相应极性图。双边波束形成信号107的极性图是通过将其灵敏度测量为测试声源的方位角0-360度的函数获得的。左侧和右侧助听器适当地放置在kemar或模拟人体头部和躯干的平均声学性质的类似人体声学模型上。测试声源可以生成例如最大长度序列(mls)声音信号的宽带测试信号，该信号在从0至360度的每个方位角以预定大小的步长(例如，5或10度)再现。从双边波束形成信号107和测试信号导出声学传递函数。声学传递函数的功率谱表示双边波束形成信号107在每个方位角处的幅度响应。对于自适应波束形成器和波束形成算法，为了避免高估波束形成信号107的灵敏度，在漫射声场中应用施罗德(schroeder)相位复谐波作为声学测试声音信号以模拟用户的真实声学环境可能是有利的。幅度谱响应可以例如基于测试声音信号回放和作为响应获得的双边波束形成信号107之间的谐波幅度来估计。
[0101]
图3示出了基于框的频域实现由双边波束形成器106进行的双边波束形成信号的上述计算的简化信号流程图。在步骤340中，信号处理器获取或读取第一单耳波束形成信号120的n个时域信号样本。n可以在16和96个样本之间。在步骤342中，信号处理器将第一单耳
波束形成信号120的n个样本附加到第一单耳波束形成信号120的先前样本片段。在步骤346中，长度为m的合适的分析窗口，例如汉宁窗口(hanning window)，被应用于附加的样本。在步骤348中，通过fft函数或算法将加窗的时域样本变换为频域。左侧频域信号z
l
被输入到α计算步骤349。同时，在步骤341、343、345、347中，信号处理器对第二单耳波束形成信号121应用相同的处理。这导致提供左侧频域信号zr，其同样被输入到α计算步骤349。在步骤349中，v表示频域中的波束形成信号段，并且v
*
·
v是段v的功率谱。α计算步骤349更新α的值，并步骤350中，在上述α β＝1的约束条件下，使用缩放因子α和β的当前值，计算双边波束形成信号段v，作为左侧频域信号z
l
和右侧频域信号zr的加权和。在步骤352中，信号处理器将信号段v变换回时域。在步骤354中，信号处理器对计算出的信号v的时域段应用合适的合成窗口，并且然后将v的顺序信号段加上一定的重叠，例如25％或75％之间的重叠。最后，在步骤358的输出处可获得双边波束形成信号107的新段。
[0102]
第二单耳波束形成器102被配置成基于分别由麦克风布置16l的前麦克风101a和后麦克风101b提供的第一和第二麦克风信号来生成左耳助听器10l的第三单耳波束形成信号122。第三单耳波束形成信号122具有第三极性图，其表现出在第一或左侧助听器10l的侧边具有最大灵敏度且在目标方向上具有降低的灵敏度的第三极性图。第三极性图也表现出相对于在左侧助听器10l的侧边的最大灵敏度，在第一助听器10l的对侧(即在第二或右侧助听器10r的一侧)的降低的灵敏度。从目标方向和从对侧来的声音的相对衰减或抑制意味着第三单耳波束形成信号122聚焦在左侧助听器10l的侧边周围一定角度范围的声源上，使用根据图4和5的角度符号，即约210至330度的角度范围。目标声源460，例如讲话人，位于助听器用户463前方0度目标方向。
[0103]
相对于目标方向，从左侧助听器10l的侧边(任选地在210至330度的整个范围内)来的声音的灵敏度可以大于6db或8db，例如大于10db，在kemar或模拟人类头部和躯干的平均声学性质的类似人体声学模型上在1khz下测量。左侧助听器10l适当地安装在kemar的左耳处或中，并且右侧助听器10r适当地安装在kemar的右耳处或中。相对于对侧，即在90度的角度，来自左侧助听器10l的侧边(任选地在210至330度的整个范围内)的声音的灵敏度可以大于6db或8db，例如大于10db，在kemar上在1khz下测量。技术人员将理解，第二单耳波束形成器102可以作为信号处理器24l的专用计算硬件来实现，或者由在信号处理器24l上执行的一组合适的可执行程序指令来实现，例如前面讨论的可编程微处理器或dsp或者专用计算硬件和可执行程序指令的任何组合。
[0104]
图9a示出了第二单耳波束形成器的下面公开的实施例的由左侧助听器10l的第二单耳波束形成器102在1khz、2khz和4khz下产生的第三单耳波束形成信号122的在kemar上的相应实验测量的极性图。图9b示出了第二单耳波束形成器的下面公开的实施例的由右侧助听器10r的第二单耳波束形成器(未示出)在1khz、2khz和4khz下产生的第二单耳波束形成信号的在kemar上的对应实验测量极性图。正如预期的那样，极性图围绕前后轴线(0-180度)呈镜像对称。
[0105]
下面，将左侧助听器10l的第三单耳波束形成信号122指定为将右侧助听器10r的第二单耳波束形成信号指定为相应空间滤波器优选地由适当编程的计算设备例如个人计算机，根据以下，进行离线计算：
[0106][0107][0108]
其中表示与声源的角度，并且是目标方向，
[0109]
表示如图4上示意性地所示的在声学人体模型例如kemar或hats上测量的左耳助听器的麦克风布置16l的第一麦克风101a的头部相关传递函数，
[0110]
表示如图4上示意性地所示的在声学人体模型例如kemar或hats上测量的左耳助听器的麦克风布置16l的第二麦克风101b的头部相关传递函数，
[0111]
表示如图4上示意性地所示的在声学人体模型例如kemar或hats上测量的右耳助听器的麦克风布置16r的第一麦克风101c的头部相关传递函数，
[0112]
表示如图4上示意性地所示的在声学人体模型例如kemar或hats上测量的右耳助听器的麦克风布置16l的第二麦克风101d的头部相关传递函数；并且
[0113]ffl
(f，b)表示第二或左耳助听器的第一离散时间滤波器，例如fir滤波器的频率响应，
[0114]fbl
(f，b)表示左耳助听器的第二离散时间滤波器，例如fir滤波器的频率响应，
[0115]ffr
(f，b)表示右耳助听器的第一离散时间滤波器，例如fir滤波器的频率响应，
[0116]fbr
(f，b)表示右耳助听器的第二离散时间滤波器，例如fir滤波器的频率响应。
[0117]
图6示出了和的实验测量幅度，其表示作为处于图5上阐述的角度的所指示声源方向的函数的左耳助听器10l的第一麦克风101a和第二麦克风101b的在kemar上的相应头部相关传递函数(hrtf)。实线图示出虚线图示出第一麦克风101a是正面麦克风，而第二麦克风101b是背面麦克风，如图5上示意性地所示。
[0118]
图7示出了和的对应的实验测量幅度，其表示作为处于图5上阐述的角度的所指示声源方向的函数的右耳助听器10r的第一麦克风101c和第二麦克风101d的在kemar上的相应头部相关传递函数(hrtf)。实线图示出虚线图示出
[0119]
可以通过优化处理来确定左侧助听器10l的第三单耳波束形成信号122的最佳响应函数和右侧助听器10r的第二单耳波束形成信号的最佳响应函数该优化处理最小化以下代价函数：
[0120][0121]
其中a、b、c、d表示上述fir滤波器的相应fir滤波器系数f
fl
(f，b).、f
bl
(f，b)、f
bl
(f，b)和f
br
(f，b)，而target(f，θ)是目标函数。
[0122]
优选的目标函数示意性地示于图5上，即target(f，θ)＝1，30＜θ＜330，否则为0。
[0123]
换句话说，左侧和右侧助听器的第二单耳波束形成信号的目标函数被设计为或旨在对从围绕目标方向330至30度角空间之外来的声音表现出最大灵敏度。第二单耳波束形
成信号的目标函数还旨在对从330至30度角空间内的位置来的声音表现出基本上为零的灵敏度。该目标函数试图借助有限量的计算资源以及麦克风在相应左耳和右耳助听器中的放置的实际和物理限制，在可能的程度上最大化每个助听器的双边波束形成信号107和第三单耳波束形成信号122之间的空间去相关(decorrelation)。
[0124]
图8a和8b示出了使用上述优化过程的第二助听器的第一和第二fir滤波器的分别确定的频率响应，f
fr
(f，b))和f
br
(f，b))，在图8a的绘图801上示出幅度，在图8b的绘图803上示出相位。左侧助听器的对应fir滤波器的频率响应，f
fl
(f，b)和f
rl
(f，b)，基本上相同，因此为简洁起见未示出。技术人员将理解，第二听力的第一和第二fir滤波器的相应滤波器系数，f
fr
(f，b))和f
br
(f，b))，优选地被下载到第二助听器的信号处理器并存储在第二助听器的合适的非易失性存储设备或区域(未示出)中。该任务可以在制造第二助听器期间或在装配第二助听器期间进行。第一信号处理器24l优选地被配置成在信号处理器的加电和初始化期间读取和使用第一和第二fir滤波器的相应滤波器系数以启用第二单耳波束形成器102的功能。右侧助听器10r的第二信号处理器24r以对应的方式操作。
[0125]
如上所述，图9a和9b示出了在1khz、2khz和4khz下由第二单耳波束形成器产生的左侧和右侧助听器的第二单耳波束形成信号或侧监听信道的在kemar上的相应实验测量的极性图。技术人员将理解，对于所有测试频率，图9a的极性图在左耳助听器的侧边表现出最大灵敏度，例如对于约210和270度之间的角度，并且对从目标方向来的声音表现出相对降低的灵敏度，约8-10db。然而，由于前面讨论的实际限制，这种对从目标方向来的声音的灵敏度的降低小于对从目标方向且在330-30度之间的目标区域内部来的声音的约零灵敏度的设计目标。
[0126]
现在参考左耳助听器10l的图2上的示意框图讨论第三单耳波束形成信号122和双边波束形成信号107在混合波束形成信号109的形成中的作用。左耳助听器的信号处理器被配置成相对于双边波束形成信号107向第三单耳波束形成信号122引入时间延迟，例如通过将时间延迟功能、滤波器或块103应用到第三单耳波束形成信号122。该时间延迟用于使第三单耳波束形成信号122和双边波束形成信号107暂时去相关(temporarily de-correlate)。图11示出了所应用的时间延迟的这种去相关性质(decorrelation property)，并示出了以语音的db为单位自相关函数作为以毫秒(ms)为单位测量的时间滞后(time lag)的函数的函数。很明显，随着时间滞后增加，自相关下降并且语音的自相关在时间滞后或大约5毫秒内减少了约10db。
[0127]
技术人员将理解，时间延迟功能103的时间延迟在某个预定带宽(例如语音带宽，例如约100hz-10khz)的所有频率下可以是恒定的，或者可以在预定带宽内变化。在这两种情况下，在1khz下测量的第三单耳波束形成信号122的时间延迟优选地大于4毫秒或5毫秒或10毫秒。在1khz下测量的第三单耳波束形成信号122的时间延迟优选地小于50毫秒，例如小于30毫秒，以避免引入任何用户可察觉的回声效应，该回声效应通常是高度干扰和在感知上令人反感的。时间延迟功能103可以包括全通滤波器，其在1khz下表现出上述时间延迟中的任一个，但在预定带宽内的其他频率下可能具有更小或更大的时间延迟。时间延迟功能103的替代实施例可以向单耳波束形成信号122赋予纯时间延迟，这对于第三单耳波束形成信号122的数字采样版本特别简单，该第三单耳波束形成信号122可以被延迟与信号处理器相关联的时钟信号的一定数量的时钟周期。时间延迟功能103的输出相应地生成或提供
第三单耳波束形成信号122的时间延迟副本或版本124，并且后一信号被施加到增益功能104的输入，该增益功能104可以被配置成在延迟和放大或衰减的第二单耳波束形成信号126输入到信号混合器或信号组合器108之前，放大或衰减第三单耳波束形成信号122的时间延迟副本124的电平。
[0128]
在某些实施例中，信号处理器可以被配置成在信号混合器108中与双边波束形成信号107混合之前，调节第三单耳波束形成信号122的延迟副本或版本124的电平，以提供具有可变电平的第三单耳波束形成信号122的混合波束形成信号109，这取决于例如传入声音的特性，例如其估计的信噪比和/或传入声音中语音的存在。
[0129]
信号混合器108被配置成将延迟和放大/衰减的第二单耳波束形成信号126与双边波束形成信号107进行组合、求和或相加，以形成或生成混合波束形成信号109，即波束形成信号或定向信号，其包括双边波束形成信号107的信号分量和延迟的第二单耳波束形成信号124的信号分量。
[0130]
信号处理器可以将混合波束形成信号109施加到左侧助听器10l的先前讨论的常规听力损失功能或模块110。常规听力损失处理器110被配置成补偿左助听器10l的用户的听力损失并且向先前讨论的微型扬声器或接收器32l或替代地向输出级的耳蜗植入类型的多个输出电极提供听力损失补偿输出信号。常规听力损失处理器110可以包括输出或功率放大器(未示出)以驱动微型扬声器或接收器32l，例如d类放大器，例如数字调制脉冲宽度调制器(pwm)或脉冲密度调制器(pdm)等。微型扬声器或接收器32l将电听力损失补偿输出信号转换成对应的声学信号，该声学信号可以例如经由左助听器10l的适当地设计形状和尺寸的耳塞传送到用户的耳鼓膜。
[0131]
技术人员将理解，包括双边波束形成信号107的信号分量和延迟的第二单耳波束形成信号124的信号分量的混合波束形成信号109由于利用了众所周知的优先效应(又名哈斯效应)而具有若干有益性质。优先效应指示图4上所示的声源布置或设置，其中目标声源460置于目标方向并且干扰/噪声声源461布置在用户的左耳处，即约270度的角位置，将提供双边波束形成信号(即超前声音)和延迟的第二单耳波束形成信号之间的单一相干听觉感知。混合波束形成信号109还能够向助听器用户465提供关于目标声源460的横向移动的可靠空间提示。混合波束形成信号109适用于增强目标声源460携带的某些信息和助听器用户的情境意识，例如房间声学和干扰/离轴声源461的意识。由于在双边波束形成信号107和第三单耳波束形成信号122之间引入的时间延迟，例如超过4毫秒或5毫秒，该时间延迟用于降低混合波束形成信号和第二单耳波束形成信号的超前和滞后信号分量之间的相干或相关性，优先效应被用来产生混合波束形成信号109。同时，该时间延迟降低了滞后抑制效果，即滞后声音对传送给助听器用户的声像的贡献变得更加有效。
[0132]
此外，第三单耳波束形成信号122的上述设计和产生的极性图用于另外降低双边波束形成信号107和第三单耳波束形成信号122或监听耳信号122之间的相关性。基于这种空间滤波设计，即监听耳信号122加上双边波束形成信号107，离轴说话者/噪声干扰者461可以以可控方式在助听器用户465的头部感知地呈现，如圆形区域或点462所示。相比之下，双边波束形成器信号单独呈现在用户头部中心的两个竞争性声源460、461，而离轴说话者461被抑制，如圆形区域或点464所示。双边波束形成信号107和由本双耳助听器系统生成的监听耳信号122的组合的特性产生了离轴声源的感知空间化的声像，以促进声源隔离，这种
声源隔离改进了助听器用户在例如鸡尾酒会环境的嘈杂声环境中的语音理解、聆听舒适度和情境意识。