Izdelki za osebno ojačenje zvoka (angl. Personal Sound Amplification Product, PSAP) ponujajo poceni rešitev za ljudi, ki potrebujejo minimalno ojačenje sluha pri športu ali poslabšani slišnosti.
Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
Čeprav so ti pametni in prilagodljivi slušni pripomočki vedno bolj priljubljeni, snovalcem neprestano predstavljajo izziv glede tega, kako izboljšati zmogljivost ter hkrati kar najbolj zmanjšati stroške in porabo energije.
Izzivi izvirajo iz potrebe po zmanjšanju težavnih signalov prehajanja zvoka iz okolja in prek kostne prevodnosti v slušnem kanalu, hkrati pa je treba upoštevati zakasnitve zaradi elektronike slušnega pripomočka. Ti elektronski izdelki vključujejo mikrofone, zvočnik, procesor digitalnih signalov in kodek. Ko se signali ojačitve in zakasnitve združijo z zvokom iz okolja in zvokom, ki se prevaja prek kosti, se ustvari učinek »glavnika«, ki ga je treba dobro razumeti. Šele takrat ga je mogoče učinkovito ublažiti ter uvesti stroškovno učinkovito zasnovo z učinkovito porabo energije.
V tem članku so opisani sestava, delovanje in običajne zahteve glede zasnove izdelka za osebno ojačenje zvoka ter ključni tehnični koncepti, kot je učinek glavnika. Nato je predstavljen visokozmogljiv zvočni kodek z nizko porabo energije podjetja Analog Devices/Maxim Integrated za uporabo v izdelkih za osebno ojačenje zvoka, ki se lahko uporabi pri obravnavanju učinka glavnika, in prikazano je, kako se ga uporabi.
Delovanje izdelka za osebno ojačenje zvoka in zahteve glede zasnove
S starostjo je pogosto vedno težje slišati zvok z radia ali televizije oziroma pogovor. Včasih šum iz ozadja moti poslušanje pogovora v restavraciji ali na družabnem dogodku. Dosedanje rešitve za težave s sluhom so temeljile na dragih slušnih aparatih, ki so klasificirani in regulirani kot medicinski pripomočki. Ne glede na stopnjo slušne prizadetosti uporabnika so ti pripomočki bistveno dražji od nereguliranih izdelkov za osebno ojačenje zvoka.
Izdelki za osebno ojačenje zvoka, ki jim je mogoče ponovno napolniti baterijo so namenjeni izboljšavi sluha pri rekreaciji ali poslabšani slišnosti, imajo prilagodljivo ojačenje na nižji ravni, ki uporabnikom pomaga razločneje slišati tako, da zniža ali poviša frekvence od srednjega do visokega razpona. Ojačevalnik mikrofonijo in šum iz ozadja običajno zmanjša s ponastavitvami ojačenja in vezjem za odpravljanje šuma (slika 1).
Frekvenčni razpon posameznega pripomočka je odvisen od primarnega načina uporabe, na primer za poslušanje glasu v primerjavi s poslušanjem glasbe. Pri glasu je delovni frekvenčni razpon od 20 Hercev (Hz) do 8 kilohercev (kHz), medtem ko je pri glasbi slišni razpon lahko tudi do 20 kHz. Večina izdelkov za osebno ojačenje zvoka ima baterijsko napajanje in računalniško programsko opremo za prilagodljivo ojačenje po frekvenčnem razponu. Ti pripomočki so zasnovani tudi za zagotavljanje odlične kakovosti zvoka in razumljivosti govora za zvoke okoli uporabnika in iz njegovega telefona ter za pretakanje zvoka.
Običajen zvočni sistem izdelka za osebno ojačenje zvoka vključuje zvočni kodek in jedro procesorja digitalnih signalov. Poenostavljeno gledano ima tak zvočni sistem izdelka za osebno ojačenje zvoka zvočni kodek z vhodom prek mikrofona do analogno-digitalnega pretvornika. Zvočni kodek razredči digitalni izhod analogno-digitalnega pretvornika in ga pripravi za prenos v sistem na čipu Bluetooth /jedro procesorja digitalnih signalov (slika 2). Sistem na čipu Bluetooth/jedro procesorja digitalnih signalov nadalje decimira signal in ga pripravi za blok procesorja digitalnih signalov. Blok procesorja digitalnih signalov obdela signal, ga interpolira in nato pošlje digitalni signal nazaj zvočnemu kodeku. Zvočni kodek pretvori digitalni signal nazaj v analognega za izhod iz zvočnika.
Omogočeni izdelek za osebno ojačenje zvoka ima dve vrsti zvokov, ki dosežejo uporabnikov bobnič. S1 je seštevek preostalega uhajanja uporabnikovega glasu iz okolja (S1A) in prevajanja prek kosti (S1B). Za S1 slušni pripomoček prekrije ušesno odprtino, da prepreči zvoku, da bi dosegel notranjost in ušel iz ušesnega kanala (slika 3). Mikrofon izdelka za osebno ojačenje zvoka zajame zvok iz okolja (S2), procesor digitalnih signalov ga obdela in v ušesni kanal se prek zvočnega prenosnika pošlje izhodni signal (S2A). Pri tem je pomembno, da zaradi zasnove verige za obdelavo zvoka nastane zakasnitev. Ti trije zvoki se združijo na uporabnikovem bobniču in ustvarijo izkušnjo z izdelkom za osebno ojačenje zvoka.
Učinek glavnika v izdelku za osebno ojačenje zvoka
Za izkušnjo z izdelkom za osebno ojačenje zvoka zvočni sistem zahteva, da se vsi zvoki združijo, preden zadenejo bobnič. Čas prihoda zvokov S1A in S1B do uporabnikovega bobniča je enak, vendar, kot je prikazano, signal S2 potuje skozi zvočni sistem, kar povzroči rahlo zakasnitev. Če zakasnitev in ojačenje nista ustrezno prilagojena, pride do učinka odmeva, ko se viri dodajo skupaj (slika 4).
Spremenljivki na sliki 4 sta zakasnitev in ojačenje (G). Signal S1 gre neposredno do bobniča. Z dodajanjem zvoka iz okolja S1 elektronski poti S2 funkcija ojačenja na poti S2 povzroči zakasnitev. Dodajanje S1 in S2 lahko povzroči odmev, vendar ga je mogoče zmanjšati z naravnavanjem časa zakasnitve in magnitude ojačenja.
Na sliki 5 je prikazan nastali odziv signala za zakasnitev, ki je enaka 0,4 milisekunde (ms) in 3 ms, ter za ojačitev G, ki je enaka 0 decibelov (dB), 15 dB in 30 dB.
Normalizirani frekvenčni odzivi na sliki 5 ponazarjajo učinek zakasnitve in ojačenja na bobnič. Obstaja popačenje oziroma učinek glavnika v obliki več zarez za G, ki je enak 0 dB. Učinek glavnika lahko poslabša kakovost zvoka zaradi odboja ali odmeva. Na sliki 5A zakasnitev za 3 ms ustvari več zarez pri precej nižji frekvenci.
S povečanim ojačanjem na sliki 5B se pomembnost učinka glavnika zmanjša. Sprememba ojačenja z 0 dB na 15 dB povzroči približno 3-decibelno valovanje pri ojačenju 15 dB. Pri ojačenju 30 dB na sliki 5C je za obe zakasnitvi skoraj sploščen odziv.
Kako ublažiti učinek glavnika
Kot že opisano, povečanje ojačenja in zmanjšanje zakasnitve zmanjša učinek glavnika v običajnem sistemu izdelka za osebno ojačenje zvoka, da se zmanjšata njegov odboj in odmev. Pri naprednem pripomočku za osebno ojačenje zvoka sta komponenti zakasnitve/ojačenja zamenjani z dodatnim digitalnim filtrom z nizko zakasnitvijo, ki opravlja funkcijo protihrupa (slika 6).
Na sliki 6 visokozmogljivi zvočni kodek z nizko porabo energije MAX98050 ustvarja protišum (S2B), ki v interakciji s prvotnim pasivnim zvokom iz okolja ustvarja nov zvok. MAX98050 ima funkciji odstranjevanja šuma in izboljšave glasu/zvoka iz okolja, ki temeljita na digitalnem filtru z nizko porabo energije in nizko zakasnitvijo, ki zagotavlja, da S2B zmanjšuje šum pri nizkih frekvencah.
Na sliki 7 je prikazan poenostavljen blokovni diagram na osnovi rešitve izdelka za osebno ojačenje zvoka s kodekom MAX98050.
Simulacija na osnovi blokovnega diagrama na sliki 7 ponazarja učinek glavnika sistema s kodekom MAX98050 ter vpliv ojačenja in časa zakasnitve na šum (slika 8).
Na sliki 8 je prikazano, da je pri rešitvi s protišumom podjetja Maxim poudarjena razlika v ojačenju med S1 in S2. Poleg simulacije tudi meritve na osnovi realne oblike/velikosti in sistema ocenjevanja v realnem času potrjujejo predlagano rešitev s protišumom.
Pri tem je treba upoštevati, da zmanjšanje zakasnitve v zvočnih sistemih zahteva relativno visoke hitrosti vzorčenja analogno-digitalnega pretvornika in digitalno-analognega pretvornika. Te spremembe povečujejo računsko obremenitev in zmanjšujejo učinkovito porabo energije. Na splošno pride do poslabšanja zvočne zmogljivosti.
Zaključek
Izdelki za osebno ojačenje zvoka zagotavljajo očitne in stroškovno učinkovite prednosti vsem, ki želijo izboljšati svoje slušne spodobnosti. Za snovalce ostaja izziv izboljšanja učinkovitosti in zmogljivosti, ki zahteva učinkovitejšo obravnavo učinka glavnika. Kot je prikazano, lahko snovalci z uporabo vedno aktivnega kodeka z nizko porabo energije MAX98050 podjetja Maxim Integrated ublažijo učinek glavnika v izdelku za osebno ojačenje zvoka, kar vodi do izboljšane zmogljivosti zvoka in porabe energije ter prilagodljive zasnove sistema za izdelke za osebno ojačenje zvoka naslednje generacije.
https://www.digikey.com
