助听器的结构和元件

　　助听器的作用主要就是放大声音信号，因此麦克风、放大器、受话器是它的三大主要部件，除此之外一般还有音量电位器、开关、微调、电感、电池、耳钩等部件。

　　1.麦克风

　　麦克风的作用是收集环境声音然后转换为音频电信号，用于助听器的麦克风一般都是驻极体式麦克风，灵敏度很高，而失真很小，输出频响也很宽泛。

　　目前，驻极体式麦克风被广泛应用于声学领域，它是采用一种绝缘的永久性极化材料制成。声音进入麦克风，声波的疏密变化引起带负电的薄金属膜片振动，随即将声能转变为机械能，膜片振动在驻极体上产生压力，传递至驻极体后板。驻极体后板和膜片底部都与场效应晶体管前置放大器相连并有一终端通向外部。当膜片振动时，膜片和驻极体后板间的距离和空间发生改变，产生电压变化，通过固定在麦克风上的场效应晶体管，将机械能转变为电能，再通过终端传到放大器。 驻极体式麦克风频响宽，灵敏度高且耐用，而膜片是它唯一运动的部分。图5.19显示了一种典型的驻极体式电容全向性麦克风结构，声音进入麦克风口后，导致麦克风内部前腔的压力变化，这些压力的改变引起振膜的振动，从而使麦克风输出一个模拟的电信号。

　　1)全向性麦克风

　　全向性麦克风指即等量接受各方向的声音的麦克风，与之对应指向性麦克风对前面传来的声音比后面传来的声音反应敏感得多。全向性麦克风的特点是无论信号和噪音在什么方位，麦克风都同等强度的将其收集并转换成电信号，它在极性图上的典型表现为0°到360°范围内信号强度均接近最大，表示各个角度均没有声音衰减。

　　2)指向性麦克风

　　根据极性形式来分类，对前面传来的声音比后面传来的声音反应敏感得多。指向性麦克风有两个入声口，呈前后方向排列，指向性麦克风的工作原理十分简单（见图5.22）：从助听器后面传来的声波将首先传递进入麦克风的后入声口，这部分声波(声波A)进入麦克风口后将遇到一个机械滤网，这将使声波延迟，这个滤网对声波的延迟被称为内部延时Ti。同时，声波还将向前传播到达前麦克风口(声波B)，由于两个麦克风口之间有一定的距离，声波从后麦克风口到达前麦克风需要一定的时间，这一时间被称为外部延时Te。如果这个机械滤网对声波的延时被设计成正好等于外部延时Te，则当声波B到达麦克风的前口并使连通着前口的麦克风前半腔体压力产生变化时，声波A也正好进入麦克风后半腔，由于声波A和声波B将在各自腔体内产生非常接近的声压，在振膜的两侧没有压差存在。因此，这将不能引起振膜振动也没有电信号会产生。由此可见，指向性麦克风已有效在消除了从后侧来的声波，并且阻止这些信号进入线路。指向性麦克风有两个开口在膜片的两端，一边一个。膜片的振动根据相位关系，取决于两端的压力差。在后声孔的前端置一细密的声学滤网起延时作用，这样从后面传来的声音可同时从前后两个声孔到达振膜并抵消。

　　方向性指数DI是一个用分贝为单位的数值，它表示信号从前方（0°方位角）传来和从其它各方向传来时对应的助听器输出之比率。DI与助听器的信噪比提高密切相关，它能很好的预测在噪音环境下方向性麦克风带来的益处，DI越高，佩戴者在复杂噪音环境下交流就越容易。极性图反映了不同频率，当信号源从不同方向传来时，助听器频响输出的改变。极性图描记在以原点为中心的同心圆和发射线坐标上，最外面一圈表示无衰减，每往圆心近一格通常代表衰减相应的分贝。一般来说，坐标正上方代表0°方位角，右方为90°方位角，下方为180°方位角，左方为270°方位角。极性图通常是助听器悬挂在自由声场中测试得到的，典型有以下几种类型：全向性、心形、8字形、强心形和超心形。

　　3)双麦克风系统

　　上述指向性麦克风的这种工作方式也可以由两个全向性麦克风来达成（见图5.23）。与指向性麦克风采用机械滤网实现从后麦克风口进入的声音的延迟不同，双麦克风系统中采用了一个电子延时器，用于延迟来自后麦克风的声音信号。而且，如果该电子延时即内部延时Ti被设定等于外部延时Te时（即声波从后麦克风传递到前麦克风所需时间），则当两个信号进入一个减法器后，将完全抵消，因此来自后侧的声音被消除了。

　　在许多真实的环境下，不想要的噪声会来自不同的方向，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从各个方向传来。如果要在噪声环境下产生最大的言语可懂度，方向性麦克风应该对来自前方的声音有最大的灵敏度，而其它方向的平均灵敏度越低越好，即DI应尽可能的高。

　　4)自适应指向性

　　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。自适应指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。在两个或多个麦克风组成的方向性系统里，信号处理器可以自适应调整内部延时，从而改变极性图模式。无论何时，极向模式收集声音的零位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、8字形、超强心形或介于这四种类型之间的极向模式。

　　5)麦克风匹配

　　双麦克风系统的使用，使助听器能将有用的信息放大并抑制噪声，并且可以实现自适应指向性从而提高在噪声环境下的言语可懂度。但是，由于双麦克风系统需要保持两个麦克风之间灵敏度的匹配，元器件的位移、湿气、皮屑、尘埃甚至助听器长时间的闲置等会影响麦克风的匹配，麦克风不匹配的直接后果是影响方向性指数（DI）。DI是指对前面声音的灵敏度相对与其它方向平均灵敏度的比例，用分贝表示。在自由场中，完美的麦克风匹配在强心形指向模式下，其方向指数为６dB。

　　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系统的使用寿命，有利于方向性麦克风系统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。

　　6)自动麦克风系统

　　自动麦克风系统可以帮助配戴者辨别环境类别，并根据使用环境自动选择合适的麦克风系统，例如在噪音环境可以自动启动指向性，而在安静环境则可以自动回复到全向性模式。自动麦克风系统是基于助听器的自动情景识别基础上才能实现的，现在一些中高档产品都已经具备了这项自动功能，因此也具有实现自动麦克风系统的基础。

　　以一个手动的指向性助听器为例，在嘈杂环境，尤其是聚会等社交场合，来自侧后方的语音信号对配戴者而言也是噪音，而且数字降噪对这些语音信号也无能为力，这时启动指向性就能抑制来自侧后方的语音信号从而提升信噪比。但回到常见的安静环境或简单的会话环境时，由于指向性模式下低频滚降和本机噪音的升高，配戴者需要将助听器切换回全向性模式。在这个过程中，配戴者必须始终对听力情景的变化高度敏感，并能及时转换麦克风模式。事实上这很难做到，所以指向性助听器在实验室中虽然已被证实对提升信噪比和言语识别率具有明显的帮助，但有时在配戴者的实际使用中却并不如此，这正是因为配戴者并不能总是及时手动选择正确的指向性模式。

　　随着助听器芯片集成度的提高，自动情景识别成为可能，它完全避免了手动模式的种种限制和不实用性。图5.29是一个自动情景识别助听器的功能模块图，助听器首先抽取声音的特征与内置的声音样本库比对决定助听器处在哪种情景下，然后根据得到的情景分类选择合适的麦克风模式。助听器的自动情景识别系统始终在进行着环境的识别，然后自动地平滑地转换麦克风模式，配戴者不再需要关心情景变化和做任何操作了。