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助聽器介紹及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)

文章來源：永阜康科技更新時(shí)間：2018/8/31 10:57:00

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摘要：這篇應(yīng)用筆記將介紹助聽器的類型，包括耳背式(BTE)、耳內(nèi)式(ITE)、耳道式(ITC)和完全耳道式(CIC)，并簡單總結(jié)助聽器所用的模擬和數(shù)字技術(shù)，討論音頻處理的重要性，以及關(guān)鍵電子元器件的功能和選型。

概述

電子助聽器是置于耳內(nèi)或耳附近用以提高聽覺障礙患者聽力的小型設(shè)備。助聽器的基本單元包括麥克風(fēng)、信號(hào)調(diào)理電路、接收器(也稱為揚(yáng)聲器)、以及電池。麥克風(fēng)將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)調(diào)理單元?jiǎng)t可簡可繁，簡單的僅將音頻信號(hào)按固定比例放大，復(fù)雜的則需利用數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行均衡。揚(yáng)聲器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，而電池則為電子元器件提供電源。

類型

目前市場上主要有4種類型的助聽器，體積從大到小依次是包括耳背式(BTE)、耳內(nèi)式(ITE)、耳道式(ITC)和完全耳道式(CIC)。BTE位于耳后，用一個(gè)軟管連接耳內(nèi)的耳模發(fā)聲。由BTE還發(fā)展出來一種開放式(OTE)助聽器，耳模被一個(gè)小耳塞代替，給人耳一種更開放的感受。其它的變型還包括用導(dǎo)線替代軟管，并將揚(yáng)聲器從耳后移到耳內(nèi)。ITE將助聽器放入外耳，和耳模成為一體，這種助聽器幾乎將外耳填滿，看起來是一大塊。ITC將助聽器填入耳道內(nèi)，減小了占用外耳的空間，但還是容易被看見。CIC是各類型中最小的，助聽器被完全置入耳道內(nèi)，從外面幾乎看不見。

耳背式(BTE)、耳內(nèi)式(ITE)、耳道式(ITC)和完全耳道式(CIC)助聽器，Starkey Laboratories, Inc.授權(quán)照片。

技術(shù)演進(jìn)

助聽器在技術(shù)上基本分為兩類，模擬助聽器和數(shù)字助聽器。首先誕生的是模擬助聽器，僅在模擬域處理電聲信號(hào)，而最近才誕生的數(shù)字助聽器則在數(shù)字域處理電聲信號(hào)。最早的模擬助聽器既放大語音也放大噪音，而且需要先測試患者對特定頻率的敏感程度后專門定制。后來的一些模擬助聽器可以在試戴過程中編程，另一些助聽器佩戴者可利用一個(gè)按鍵自己選擇預(yù)設(shè)的幾種不同頻響。數(shù)字助聽器也可在試戴過程中編程，并具有多種佩戴者可選的頻響。將聲音數(shù)字化的技術(shù)使降噪、濾波、聲反饋(自激)控制等成為可能。由于數(shù)字助聽器相對模擬助聽器性能和靈活性的大幅提升，目前銷售的助聽器大部分都是數(shù)字式的。

數(shù)字助聽器功能框圖。

特性

目前的助聽器有許多新特性，包括音量調(diào)整、遙控、拾音線圈、直接音頻輸入、FM接收、Bluetooth®、指向性麥克、壓縮、鉗位、移頻、風(fēng)噪管理、數(shù)據(jù)記錄、自學(xué)習(xí)、防潮、耳模通風(fēng)。有一些特性沒法在助聽器內(nèi)部狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)，需要占用外部空間，而另外一些則可以在助聽器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

音量調(diào)整可通過助聽器上的按鍵或滾輪實(shí)現(xiàn)，而使用遙控器則可避免在狹小的助聽器上安裝按鍵或滾輪，但仍能控制助聽器的所有功能。拾音線圈可以用來替代麥克風(fēng)，拾音線圈在以前使用電磁線圈揚(yáng)聲器的老式電話機(jī)中通過拾取磁信號(hào)來幫助打電話的人提高通話質(zhì)量。今天的電話或其它收聽設(shè)備都內(nèi)置拾音線圈這一功能并專門指出和助聽器兼容。直接音頻輸入和FM接收是另外兩個(gè)助聽器輸入信號(hào)的方式，第一個(gè)要用有線方式連接，另一個(gè)實(shí)際就是FM收音機(jī)。另外一個(gè)新趨勢是集成Bluetooth功能，這樣就可以從手機(jī)或音樂播放器中接收信號(hào)。Bluetooth既可以集成到助聽器也可以作為附件通過拾音線圈或FM接入助聽器。

帶有指向性麥克風(fēng)的助聽器有兩個(gè)或以上的麥克風(fēng)面向不同的方向接收信號(hào)，這樣做可以提高在嘈雜環(huán)境中收聽的信噪比(SNR)，而使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可進(jìn)一步提高話音質(zhì)量。壓縮和鉗位在音量過大時(shí)降低音量以使人耳感覺更舒適，但有些時(shí)候會(huì)限制音量。移頻技術(shù)通過數(shù)字信號(hào)處理將語音移到低頻，對那些患有高頻聽覺障礙的人很有幫助。風(fēng)噪管理可以檢測風(fēng)聲并消除其反饋，以防助聽器佩戴者聽到嘯叫。

數(shù)據(jù)記錄功能記錄收聽環(huán)境以及助聽器如何被使用，聽覺專家可以根據(jù)這些信息來微調(diào)助聽器提升性能。自學(xué)習(xí)功能可利用記錄的數(shù)據(jù)自動(dòng)微調(diào)助聽器提升性能。防潮功能可以降低因潮濕環(huán)境導(dǎo)致的返修率。耳模通風(fēng)則可提高人耳佩戴耳模助聽器時(shí)的舒適程度。

一般需求

助聽器的關(guān)鍵元器件位于音頻處理通道。主要包括一個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器以及前置放大器(如果需要的話)和揚(yáng)聲器放大器。D類功放和AB類功放相比功耗低、失真小、尺寸小，因而多用于現(xiàn)今的助聽器。另外，無論音頻帶寬是20kHz還是被限制于8kHz，音頻編解碼器都應(yīng)該具有高SNR以保證高回放音質(zhì)。

數(shù)字助聽器的核心是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，這是實(shí)現(xiàn)數(shù)字助聽器所有優(yōu)勢的關(guān)鍵。各廠商采用不同的DSP技術(shù)，但通常包括分頻段壓縮/放大、正反饋消減、降噪、語音增強(qiáng)等，DSP還可以處理方向信息，并可調(diào)整助聽器特性使其適合不同的佩戴者。

電源和電池管理

已經(jīng)有一些助聽器開始使用可充電的單節(jié)鋰離子(Li+)電池，但多數(shù)還是使用一次性鋅空氣電池，根據(jù)助聽器的類型和尺寸、電路功耗以及對使用時(shí)間的要求，目前主要使用5種尺寸的鋅空氣電池。表1對比了這五種最常用鋅空氣電池的容量和尺寸，以及它們的顏色代碼以及通常被哪種助聽器使用。

鋅空氣電池起始電壓為1.4V，需要更換電池時(shí)的終止電壓為1.0V或更低。如果按每天使用16小時(shí)計(jì)算，電池壽命在幾天到幾星期之間，取決于電池容量和助聽器的設(shè)計(jì)。電池效率最高的設(shè)計(jì)從單節(jié)電池直接供電，然后使用開關(guān)調(diào)節(jié)器升壓電路將電壓提升來驅(qū)動(dòng)1.8V或3.0V的助聽器電路。使用鋅空氣電池的理想功耗在1mW至10mW之間。使用可充電Li+電池的助聽器也許需要一個(gè)線性或開關(guān)穩(wěn)壓器來將4.2V的單節(jié)Li+電池滿充電壓降至電路可以接受的工作電壓。也可以將電池充電電壓限制在3.3V，這取決于電路的需要。為了防止聽覺障礙患者在需要助聽器幫助時(shí)電池電量耗盡，需要一個(gè)精確電量計(jì)提前做出低電量預(yù)警。

表1. 鋅空氣電池對比

Type	Capacity (mAh)	Size (d x h, mm)	Color Code	Style Usage
675	540 to 640	11.6 x 5.4	Blue	BTE (high power), cochlear implants
13	230 to 285	7.9 x 5.4	Gold	BTE, ITE
312	120 to 160	7.9 x 3.6	Burgundy	miniBTE, ITE, ITC
10	60 to 90	5.8 x 3.6	Yellow	ITC, CIC
5	30 to 40	5.8 x 2.1	Red	CIC

靜電防護(hù)

所有助聽器必須滿足IEC 61000-4-2靜電防護(hù)(ESD)要求，使用內(nèi)置靜電防護(hù)的元器件或在外漏的走線上增加ESD保護(hù)器可以幫助滿足這些要求。

Bluetooth是Bluetooth SIG, Inc.的字標(biāo)，徽標(biāo)是Bluetooth SIG, Inc.擁有的注冊商標(biāo)。Maxim已得到授權(quán)使用這些標(biāo)志。

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