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助听器的基本结构--麦克风

时间:2014-04-08 12:09   来源:网络整理   复制分享 共有评论()条

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  • 麦克风是传声器的俗称。麦克风以线性方式工作,也就是说每次输入信号声压加倍,输出电压也会加倍。一个完美的麦克风,从麦克风出来的电流信号的波形与进入麦克风的声学信号波形是一致的。麦克风种类按工作原理可分成动圈式、压电式、静电式、硅胶式等类别。

    一、动圈式麦克风

    动圈式麦克风主要由一个在磁场内的电导体组成,该导体运动时与磁力线相交。

    声波经多孔盖作用于膜片上,带动线圈运动。由于磁铁的作用产生感应电流,这样就把声信号转换成了电信号,完成了声电转换。线圈是铝制的,麦克风膜片是25um厚等级,它可用铝材料或塑料制成。这种麦克风可以产生较高的输出级,谐波失真较低。20世纪50年代至60年代中期助听器多采用该种麦克风。但是由于它的结构复杂及依赖于永久磁铁,因此动圈式麦克风的稳定性和频率特性不够优良。60年代后期,新型麦克风问世。

    二、压电式麦克风

    1880年科学家们发现某些晶体在机械力的作用下会产生自发电极化的压电效应,压电式麦克风正是基于此原理制成的。

    声波经过多孔盖使膜片偏转,使压电元件发生形变而产生输出电压。这种麦克风结构简单、体积小、频率响应宽而平、价格低廉,如图2-3所示。但是由于理想的压电物质未找到,陶瓷材料提供的特性会因老化效应和在某种情况下对温度的高灵敏度而遭到损害。另外压电陶瓷麦克风对低频振动过于敏感,容易对风噪声、细小的振动产生响应。

    为弥补压电陶瓷麦克风的缺点,20世纪70年代初,诞生了驻极体麦克风。

    三、驻极体麦克风

    驻极体用来描述一种固体电解质,可对它加电应力,并在除去外部所加的应力时,使电应力在某种程度“固定”于该材料中。驻极体是永久静电场的源,在这个意义上,它类似于永久磁铁。

    驻极体麦克风实质上是一种静电式(电容式)麦克风,它的极化是由永久驻极体层提供的,这个驻极体层由具有适当介质特性的塑料做成。它的工作原理是:声波使绷紧的膜片交替地趋向和偏离背面板.。因而在两个电极之间引起电容的交替变化,从而引起电压的改变。

    驻极体麦克风不需要额外的直流电压作为极化电压。但驻极体麦克风的输出阻抗很高,因而对静电干扰十分敏感。需要一个场效应管作为阻抗转换器,放置在麦克风内部,同时场效应管需要一个低压工作电源供能。因此驻极体麦克风,需要一个低压电源。

    一个在很宽的频率范围内(100Hz~15kHz)频率响应曲线十分平坦,另一个在4 KHz附近有一个共振峰,是专为助听器应用而设计的:因为一般患者佩戴助听器后,改变了外耳道原来的长度和容积,使外耳道失去了原有的共振特性。这个设计正是为了补偿由此引起的高频损失。

    四、硅胶式麦克风

    硅胶式麦克风(也称固体状态或整合麦克风)是发展中的新型麦克风,先去掉硅胶块的一部分,用另外材料填充它,再使用与做整合电路相似的技术来生产。生产商们希望能解决麦克风的低灵敏度和高内部噪音,这样的麦克风最终能代替驻极体麦克风,变得更小,聋人心理,更可靠,学科培训,更容易生产,而且成本低。

    五、方向性麦克风

    为解决助听器在噪声环境下的低信噪比问题,方向性麦克风问世了。

    1.方向性麦克风的种类

    以前的方向性麦克风的结构如图2-7所示,是一个具有两个进声孔的麦克风。声波从两侧的进声孔传入麦克风的振膜,振膜感受到的是两侧声压的压力梯度。这种方向性麦克风也称压力梯度传感器。

    现在,大多数方向性麦克风采用的是两个或多个性能匹配的麦克风。但是由于麦克风的匹配较困难以及助听器的空间位置有限,目前常用的方向性麦克风通常由两到三个麦克风组成。

    2.方向性麦克风的极性

    全向性麦克风所有方向上的声压灵敏度基本相同,其极性图为一球形。方向性麦克风极性的种类可分为下列几种:

    心形  对来自前方及两侧的声压灵敏度较高,对来自后方的声压灵敏度很低,起到抑制后方噪声的作用。在自由声场中测试方向性麦克风,多数呈心形极坐标图。

    “8”字型  又称为双极行。对来自前方及后方的声压灵敏度较高,对来自两侧的声压灵敏度很低,起到抑制两侧噪声的作用。

    超心形  对来自前方的声压灵敏度较高,对来自后方声压灵敏度次之,对来自斜后方的灵敏度很低,起到抑制斜后方噪声的作用。

    超级心形  图形类似于超心形,对来自前方的声压灵敏度较高,同时对来自后方的声压灵敏度也较高,而对来自两侧的声压灵敏度很低。

    当图形从心形到超心形到超级心形时,对后背声音的敏感性逐渐加强,但对来自前面声音的敏感性减弱。在极端情况下,“8”字图形前部和后部有相同的敏感性,但麦克风对来自边上的声音完全没有敏感性。

    哪一种响应是我们所希望的?在许多真实的环境下,不想要的噪声或多或少会来自不同的方向,因为即使噪声来自一个或几个声源,房间的反射会使声能量到达助听器佩戴者的所有方向。如果要在噪声环境下产生最大的言语可懂度,一个好的方向性麦克风应该对来自前方的声音有最大的灵敏度,而其他方向的平均灵敏度越低越好。

    自适应方向性  能根据周围环境的变化自动改变麦克风方向性类型,抑制噪声。部分采用这种技术的助听器用户,在噪声环境下的言语可懂度甚至高于正常人。当然,这种降噪模式在声音信号来自前方时最为有效。

    自适应定向系统的工作原理采用独特、先进的运算方法,瞬间(几毫秒)便可计算出最佳的极向模式。无论何时,极向模式收集声音的零点位置都对准了最大噪声源,这意味着任何时候都可以进行最佳降噪。极向模式对周围声音的分析,目前能以每秒250次以上的速度更新。

    根据输入两个或多个麦克风声音方位的不同,系统中的一部分专门分析前方传来的声音,同时,另一部分不断检测后面、侧面或后面与侧面之间传来的声音,从而发现了主要的噪声信号,并加以抑制,立即形成了相应的极性模式——超心形、心形或双极形或介于这3种类型之间的极向模式。

    方向性麦克风的使用,使助听器能将有用的信息放大并抑制噪声,从而提高在噪声环境下的言语可懂度。方向性麦克风对助听器来讲特别重要,因为它是一种可以增加信噪比,提高言语可懂度的信号处理方式。如果环境有回响,这个优点就会减少,除非信号源与佩戴者靠得很近。由于有些频率对言语可懂度的帮助多于其他频率,有必要对这些重要频率上的方向性指数进行评估。

    多家助听器厂家的研究报告表明,使用方向性麦克风的助听器在噪声环境下的言语可懂度明显高于使用全向性麦克风的助听器,耳聋患者更愿意使用带方向性麦克风的助听器。

    但是,有一个阻碍方向性麦克风推广的问题,就是麦克风的匹配问题。

    3.方向性麦克风的匹配

    方向性麦克风的使用已经有好几年了,但是由于元器件的位移、湿气、皮屑、尘埃甚至助听器长时间的闲置,都会影响麦克风的匹配。此外,使用非自适应定向性麦克风的助听器,发型、头型、帽子等也会影响麦克风的匹配。从而使具有方向性麦克风的助听器一直未能很好地推广(麦克风之间严重的不匹配,其传声效果比非方向性麦克风更差)。

    对前面声音的灵敏度相对与其他方向平均灵敏度的比例称为方向性指数(DI)。方向性指数用分贝表示。三维空间的所有方向的方向性指数,其计算方式,对高度方向性麦克风而言通常会产生很大的方向性指数。但是,经常在助听器的说明中引用的是前面灵敏度相对于后面灵敏度的比例来替代方向性指数,这种前后比例是一个误导的测试,因为它除了表达助听器抑制来自佩戴者后面噪声的效应外并不说明对其他方向噪声的抑制效果。对不同的心形图形,最高的三维方向性指数(等于5.9dB)事实上是来自超级心形模式,但它的前后比例却很差。最高的二维方向性指数(等于4.8dB)来自超级心形模式。

    在自由场中,完美的麦克风匹配在超心形定向模式下,其方向性指数为6dB。

    清晰度指数-方向性指数是指提高1dB的方向性指数将会提高约10%的言语可懂度。清晰度指数-方向性指数值在全向性麦克风助听器接近0dB,对方向性助听器是2~5dB。

    目前,随着助听器数字技术的不断发展,推出了一种新技术—智能动态麦克风匹配技术。它的工作原理是系统不断地监测两个或多个麦克风的输出,并加以校正,使几个麦克风的信号输出大致相同。系统能够区分麦克风的暂时变化和长久变化,通过校正使之与正常麦克风之间的偏差逐渐变小,直到完美匹配,并保存最新数据。

    声音响度上极细微的差别也会对助听器的定向性发生关键性作用。因此,动态麦克风匹配的调整精度需达到0.1dB。

    有了这项技术,大大延长了方向性麦克风的使用寿命,有利于方向性麦克风在助听器领域上的推广。当然,这项技术并不能校正严重的不匹配问题。因此,使用时注意清洁与保养仍是首要问题。

    六、助听器麦克风的主要性能

    (一) 麦克风的频率响应

    前面已经讨论过,驻极体麦克风的频率响应除了在4KHz附近有一个共振峰外基本上是平坦的。助听器中驻极体麦克风还使用了低频衰减,可以减少助听器对经常围绕在我们周围的低频强声的灵敏度。

    要想获得低频衰减是很容易的:在前后振动膜之间留一条小的通道,让低频声音几乎同时撞击振动膜的两侧,这样减少了振动膜的位移。开口越大,衰减越多,衰减频率就越广。开口起到调节前后振动膜静态空气压的作用。不同程度低频衰减的麦克风经常使用在定制机上,可以获得我们希望的整体增益-频率响应。

    (二) 麦克风的缺陷

    (1)易损坏性。麦克风往往暴露在化学成分(如汗水)中,因而易受损坏。

    (2)麦克风噪声。所有元件都会随机产生少量的电噪声,麦克风也不例外。麦克风总噪声一部分是由空气分子对振动膜的随机运动产生的,另一部分是由麦克风内部噪声组成的。噪声如果被助听器的放大器放大,有时在安静环境下也可以被助听器使用者听到,尤其使用者在该频率的听阈接近正常。一般通过衰减麦克风的低频频率响应来降低噪声。

    (3)对振动的敏感性。麦克风对振动很敏感,比如,摩擦助听器的声音(盒式助听器与衣服相摩擦、身体的直接振动(如在硬的平面上跑动)、撞击声等,这些振动放大后成为一个较吵的声音。其次当助听器的授话器工作时,会产生声音和振动。麦克风拾取部分振动,转换成电信号,然后被助听器放大,传送到授话器,这又会产生进一步的振动。因而有可能在低频上产生一个听得到的振动。我们需要通过调整麦克风和授话器的位置来避免这个问题。

    (4)易受风噪声的影响。当风撞击头部、耳廓或助听器时,会产生压力的波动。麦克风把这些振动转换成电的波动—佩戴者有可能会听得到低中频噪声。最好的解决方法是把进声孔放置在耳道深处。让麦克风的进声孔远离风的波动也可以减少风噪声的影响,或者在麦克风的开口上放置网筛,但这个效果差一点。简单有效的方法是直接让佩戴者使用薄的围巾,这可以阻止风对助听器和耳廓的撞击,减少空气波动。

    此外当助听器的结构设计不好时,会产生麦克风的另一个缺陷。如果麦克风与进声孔之间的管子长且壁薄,由于赫尔姆霍茨共振,在输出的增益-频率响应会产生一个很大的峰,而且超过峰频率的频率增益就下降得很快,这样减小了助听器的频响范围。     

    (一) 灵敏度

    麦克风灵敏度是其声输入的大小与电输出的关系。

    灵敏度方程;

    n=20lg(E/P)

    单位:dB对每帕斯卡1伏。式中,

    n=灵敏度

    E=输出电压(均方根)

    P=声压级(均方根)

    麦克风灵敏度与频率有关。

    麦克风灵敏度的计算:

    例:已知某麦克风2KHz灵敏度为-54dBV/0.1Pa,试计算,当输入声压级分别为40dBSPL及80dBSPL时的输出电压。

    解:首先,根据灵敏度方程,n=20lg(E/P)= -54dBV/0.1Pa

    lg(E/P)=-2.7dBV/0.1Pa,E/P≈2×10–³V/0.1Pa

    然后,将相对声压换算成绝对声压。

    (1)20lg(P1/P0)=40, lg(P1/P0)=2,P1=102P0=2×10-3(Pa)=2×10-2(0.1Pa)

    (2)20lg(P1/P0)=80  lg(P1/P0)=4, P2=104P0=0.2Pa=2(0.1 Pa)

    最后,输出电压

    E1=2×10-3P1=4×10-5(V)=0.04(mV)

    E2=2×10-3P2=4×10-3(V)=4(mV)

    式中P0为声波在空气中的基准声压,P0=20μPa

    麦克风的灵敏度在各个频率上是不一样的。麦克风生产厂家一般根据麦克风的斜率分类,或者根据峰值频率偏移、峰值衰减等分类,以适应不同用户的听力曲线。图2-10是助听器麦克风及授话器主要生产商之一,Knowles(楼氏)公司目前生产的不同类型麦克风的灵敏度-频率曲线。

    (a)型适用于平坦型听力曲线,(b)型适用于下坡型斜率不大的听力曲线;(c)、(d)型适用于陡降型听力曲线;(e)型有利于助听器中频增益的提高,适用于中频听阈较差的用户;使用(f)型的助听器,声音较柔和且不易啸叫。

    由于麦克风音调的调节可以在放大器中实现,(b)、(c)、(d)三款一般较少使用。

    (一)麦克风的噪声

    麦克风的噪声由设备噪声及输出噪声两部分组成。如图2-11、图2-12所示。设备噪声与输入声压级大小无关,输出噪声与输出电压有关,前沿技术,也就是输入声压级有关。麦克风是产生助听器噪声的主要元件。

  • (责任编辑:中国听觉网)
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