方向性麥克風(fēng)系統(tǒng)的類型_助聽器學(xué)

5.6.1　方向性麥克風(fēng)系統(tǒng)的類型

1.單體麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)

(1)結(jié)構(gòu)

單體方向性麥克風(fēng)系統(tǒng)是通過經(jīng)特殊設(shè)計的單體麥克風(fēng)實現(xiàn)的。該類麥克風(fēng)內(nèi)部設(shè)橫隔機械振膜,同時具備兩個呈前后位置排列的入聲口,根據(jù)需要,前后入聲孔開口方向可置于直線位置,也可呈一定角度排列。前后入聲口分別與機械振膜兩面相連,后入聲口內(nèi)設(shè)有聲學(xué)延時裝置(阻尼器)。

(2)工作原理

自助聽器后方傳來的聲波將首先傳遞進入麥克風(fēng)后入聲口,這部分聲波(聲波A)進入麥克風(fēng)口后遇到聲學(xué)延時裝置(阻尼器),聲波A就此被延遲。通常這類由聲學(xué)延時裝置(阻尼器)造成的聲波延遲被稱為內(nèi)部延時Ti。同時,另一部分聲波(聲波B)將繼續(xù)向前傳播到達(dá)麥克風(fēng)前入聲口,但是由于兩個麥克風(fēng)口之間存在一定的距離,故這類聲波由麥克風(fēng)后入聲口到達(dá)前入聲口所需的時間通常被稱為外部延時Te。

因此,如果聲學(xué)延時阻尼器對聲波的內(nèi)部延時Ti被設(shè)計成恰好等于外部延時Te時,即當(dāng)聲波B到達(dá)麥克風(fēng)的前入聲口并使連接前入聲口的麥克風(fēng)前半腔壓力產(chǎn)生變化時,聲波A也正好進入麥克風(fēng)后半腔(Ti=Te),聲波A和聲波B將在各自腔體內(nèi)產(chǎn)生非常接近的聲壓,促使機械振膜兩面聲壓能量抵消,機械振膜振動及電位的變化消失,無電信號產(chǎn)生。由此可見,單體方向性麥克風(fēng)能夠有效消除來自后側(cè)方向的聲波,阻止后側(cè)聲音信號的干擾,而不影響從前方傳入的聲音信號,從而實現(xiàn)方向性效果。

(3)方向性

值得注意的是,單體方向性麥克風(fēng)所產(chǎn)生的方向性,是在聲學(xué)信號被轉(zhuǎn)換成電信號之前就形成的,因此該類麥克風(fēng)的方向性是由外部延時Te及內(nèi)部延時Ti的比所決定的(外部延時由兩個入聲口之間的距離決定,內(nèi)部延時由聲學(xué)延時裝置決定)。故在設(shè)計助聽器時,通過調(diào)整后入聲口的聲學(xué)延時裝置(阻尼器),即可使助聽器產(chǎn)生不同的方向特性。但是,由于單體方向性麥克風(fēng)在設(shè)計時就被賦予了固定的方向性,不僅無法在方向性和全向性之間切換,其使用環(huán)境也存在較大限制。因此，目前單體方向性麥克風(fēng)在助聽器上的單獨應(yīng)用趨于減少,僅由于其入聲口間距較小的特點,通常在同一個全向性麥克風(fēng)組合后被運用于耳內(nèi)式或半耳式定制助聽器。另外,單體方向性麥克風(fēng)機械振膜感受的是兩部分聲音的聲壓差值,聲音信號的一部分會被抵消,因此其總強度必定會有一定程度的減弱,尤其是在低頻部分。

2.雙麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)

（1）結(jié)構(gòu)

雙麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)是由一對匹配的全向性麥克風(fēng)組成。麥克風(fēng)之間有一定距離，這樣采得的信號僅與語音相關(guān)，降低了噪聲。

(2)工作原理

與單體方向性麥克風(fēng)系統(tǒng)采用阻尼器實現(xiàn)從后入聲口進入的聲音信號的延遲不同,雙麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)中全部的聲音信號均以未處理的狀態(tài)進入前后麥克風(fēng),并被立即轉(zhuǎn)換成電信號,因此，雙麥克風(fēng)方向系統(tǒng)內(nèi)部并沒有實現(xiàn)指向性,而是采用了信號延遲電路(模擬或數(shù)字信號處理芯片)，以實現(xiàn)來自后置麥克風(fēng)的聲音信號延遲。

雙麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)例如,當(dāng)該聲音信號的內(nèi)部延時Ti(即由信號延遲電路形成的電子延時)被設(shè)定等于外部延時Te時(即聲波從后置麥克風(fēng)傳遞到前置麥克風(fēng)所需的時間),自后方傳遞至前后麥克風(fēng)的聲音信號進入減法器后,將完全抵消,因此來自后方的聲音被消除,方向特性由此產(chǎn)生。另外,在雙麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)的典型應(yīng)用上,信號延遲電路通常設(shè)置于后置麥克風(fēng)的信號處理通路中,如此便可較為容易地得到各種不同的麥克風(fēng)極性。同時這種設(shè)計的好處還在于能夠方便地在方向性和全向性之間選擇切換,只需把延時電路關(guān)閉(延遲為零)就變成全向性了。

值得注意的是,相對于單體方向性麥克風(fēng)系統(tǒng)而言,雙麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)的優(yōu)勢更為明顯。其中最重要的在于：在單體方向性麥克風(fēng)系統(tǒng)中，延時比是由麥克風(fēng)制造商事先固定的,因此只有一種特定的方向性設(shè)定可獲得；而雙麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)卻具有很高的靈活性,其前后麥克風(fēng)口間的距離和內(nèi)部延時特性均可由助聽器制造商調(diào)整。特別是隨著近年來數(shù)字信號處理技術(shù)發(fā)展的日趨成熟,在某些具備多記憶程序的高端助聽產(chǎn)品中,不同的延時比可通過編程設(shè)置到不同的聽力程序中,用以實現(xiàn)助聽器佩戴者根據(jù)不同聆聽環(huán)境的特點,自由快捷地切換至最為適合的極性圖,或是結(jié)合數(shù)字信號處理技術(shù),使其極性圖隨著噪聲源角度的變換而變換。當(dāng)然,其中必須包含全向性麥克風(fēng)程序,因為在大部分聆聽環(huán)境下,全向性仍是最為合適的麥克風(fēng)狀態(tài)。

另外,雙麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)還具備能夠在低噪音環(huán)境下優(yōu)化信噪比的優(yōu)勢。因為(雖然)在絕大部分設(shè)計良好的助聽器中,麥克風(fēng)產(chǎn)生的噪聲占據(jù)了本底噪聲中最多的成分,同時由于麥克風(fēng)數(shù)量的增加,方向性麥克風(fēng)的噪音將比全向性麥克風(fēng)更高。但是,雙麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)的設(shè)計卻能夠在一定程度上改善這種狀況。因為同樣的言語信號被傳遞至兩個麥克風(fēng)后,經(jīng)兩個麥克風(fēng)的輸出疊加,言語信號會被增加6dB,而每個獨立的麥克風(fēng)產(chǎn)生的噪音卻是隨機且無關(guān)聯(lián)的,被疊加后,麥克風(fēng)噪音在輸出上僅增加了3dB,即信噪比獲得了3dB的凈增長。因此,若將兩個麥克風(fēng)的輸出衰減或降低6dB,使增益回到所需的原始狀態(tài),那么一個3dB的麥克風(fēng)噪音抑制就被獲得了,同樣重要的是，3dB的衰減是可以被助聽器佩戴者所感受到的。而方向性模式中內(nèi)部麥克風(fēng)噪音實際高出的3dB則會被環(huán)境的噪音所掩蓋,因為佩戴者只在噪音環(huán)境中方才使用方向性模式,此時環(huán)境噪音的信號將大大強于任何線路產(chǎn)生的本底噪聲。

3.三麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)

三麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)是以雙麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)為基礎(chǔ)的延伸產(chǎn)物,是目前助聽器領(lǐng)域具有最大指向性指數(shù)的新技術(shù),其DI值平均較雙麥克風(fēng)系統(tǒng)高2～3dB,最大可獲得12dB的信噪比。

(1)結(jié)構(gòu)

三麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)由三個麥克風(fēng)整合而成(麥克風(fēng)A在前、麥克風(fēng)B居中、麥克風(fēng)C在后),以水平方向呈前后排列。

目前，三麥克風(fēng)系統(tǒng)中的麥克風(fēng)類型通常采用以下兩種方式組合：其一,被稱為“o-g-o”模式,由三個獨立的全向性麥克風(fēng)組成；其二,被稱為“o-g-o”模式,由兩個特性一致的全向性麥克風(fēng)和一個壓差式麥克風(fēng)組成。盡管“o-g-o”模式的方向性指數(shù)和“o-o-o”模式較為相似,但其對麥克風(fēng)增益變化的寬容性相對較好,更重要的是,“o-g-o”模式在單麥克風(fēng)性能受到影響(經(jīng)過使用以后)出現(xiàn)失配(mismatch)的情況下,聲音信號所受到的影響較“o-o-o”模式小得多。

(2)工作原理

三麥克風(fēng)方向性系統(tǒng)采用三個雙麥克風(fēng)呈塔狀分布組成二階差分抵消的處理模式。麥克風(fēng)A和B、麥克風(fēng)B和C各組成一個雙麥克風(fēng)系統(tǒng),而兩個系統(tǒng)的輸出將再次被送入抵消器,通過三次對后方信號的抵消,三麥克風(fēng)將獲得極高的指向性指數(shù)。但由于低頻滾降的存在,低頻信號會同時被過多地削減,故從第二階抵消器輸出的信號雖然有很高的指向性指數(shù),但對低頻信號(1000Hz以下)的靈敏度將會大幅下降,造成音質(zhì)受損,甚至還會減少言語信號的可聽度。因此在三麥克風(fēng)系統(tǒng)中,低頻部分的信號是采用雙麥克風(fēng)系統(tǒng)的輸出經(jīng)低通濾波器直接獲得的,只有高頻部分的信號才通過高通濾波器從二階抵消器輸出的信號中獲得,最后高低頻信號進入加法器進行疊加處理,獲得完整的信號。

在使用多麥克風(fēng)系統(tǒng)時需要注意的是,由于使用了多個麥克風(fēng)(兩個以上),麥克風(fēng)之間的匹配就尤為重要,匹配難度也隨之增加。而且由于麥克風(fēng)數(shù)量的增多,相應(yīng)帶來的麥克風(fēng)本底噪聲問題也將更為突出。