专利名称：应用固定波束成型技术的助听系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应用固定波束成型技术的助听系统。
背聚技术
助听器是辅助听障人士聆听的仪器，其作用为把传入的声音放大，让使用 者易于聆听，达到较佳的语音辨识效果。传统式的助听器构造简单，主要包括麦 克风、扩音器和播放器三个部件。其中麦克风用于接收外界声音，并将声音转换 成电波；而扩音器则把电波放大；最后播放器将放大后的电波转回声音，并传送 到使用者的耳朵。 一般传统式的助听器会把背景噪声连同其它声音一并放大，令 使用者在嘈杂的环境下，难以清楚地分辨对话者的声音和背景噪声，造成困扰。
市场上有不同的数码式助听器，它们运用不同的数字信号处理方法，把背 景噪声减低，例如一般的滤波和波束成型(Beamforming)技术，能使信号对干扰 噪声比(Signal-to-Interference-and-Noise Ratio, SINR)大幅度提高。其中的波束 成型技术除了把环境噪声减低外，还把对话者的声音选出并加以扩大。波束成型 助听器有一个麦克风阵列，向外接收声音来源。从麦克风接收到的声音会送到数 字信号处理器进行运算，对话者的声音信号会被加强，而干扰和周边噪声的信号 则被减弱。波束成型技术可分为两种，包括固定波束成型(FixedBeamforming)和 自适应波束成型(Adaptive Beamforming)。固定波束成型技术利用每个麦克风的 声音来源以相同的比重和时差进行运算，而自适应波束成型技术则按不同的情况 对每个麦克风的声音来源以不同的比重来进行运算，其运算多在频域(Frequency Domain)上进行。自适应波束成型的运算比较复杂，其运算工具的技术规格相对 比较先进，令制作成本大大提高，而由于其体积亦比较大，因此自适应波束成型 的运算很难实施在细小的助听器上。
市场上支持波束成型技术的助听器，其麦克风阵列均设置在助听器或同一 部件上，所以麦克风与麦克风的间距很小。但波束成型技术要求麦克风阵列的麦 克风间距应大于对话者的声音波长的一半，若以频率1500Hz为例，麦克风间距则应为约11厘米(cm)。因此，现有支持波束成型技术的助听器，表现大多不太 理想。
此外，在波束成型运算法中，麦克风阵列的所有麦克风均需面向同一声音 来源。但市场上一般助听器的麦克风多设于助听器顶部，并不朝向应用固定波束 成型的助听系统声音来源，因此若要接收最佳方向的声音来源，便要加设外置麦 克风。如果使用外置麦克风来接收声音，外置麦克风须与耳机的直接音频输入 端(Direct Audio Input, DAI)连接，但是因为每一款助听器的直接音频输入端的位 置或其针脚排列有所不同，麦克风不一定会朝向声音来源，所以使助听器不能在 最佳的方向潸晰地接收信号。
若听障人士要接听移动电话，其移动电话必须设有电话感应线圈(T-coil)。 但市场上设有电话感应线圈的移动电话选择不多，听障人士在接听来电时存在一 定的困难。因此一般听障人士只使用短信功能和别人沟通，白白浪费了其通话功 能。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种应用固定波束成型技术的助听系 统。此系统提供较大的麦克风间距及在不同的直接音频输入端位置上灵活地调节 麦克风的接收方向，以便在最佳方向接收声音并把信号加强。
为解决上述技术问题，本实用新型的应用固定波束成型技术的助听系统可 连接耳背式助听器的扩音器，助听系统包括一个处理器单元及一个与处理器单元 有线或无线连接的收音装置。
收音装置包括一个麦克风阵列，麦克风阵列包括至少两个前向麦克风置于 使用者头部两侧，藉此增大所述麦克风之间的距离，以达到更佳的波束成型运算 效果。前向麦克风的方向与使用者头部面对的方向大致一致，以收集使用者迎面 的声音。麦克风阵列还包括至少一个与前向麦克风方向大致相反的后向麦克风， 以收集背景噪声作噪声消除之用。
本实用新型的助听系统还包括一个连接收音装置的方向调节装置，以调节
麦克风至最佳接收方向。
采用本实用新型的助听系统，麦克风阵列获得了更大的麦克风间距，且麦 克风可被灵活地调节至最佳接收方向，以达到更佳的波束成型运算效果。
附圉说明
以下结合附图详细描述本实用新型的具体实施方式
图1是本实用新型的一个实施方式的立体示意图； 图2a是图1的收音装置组件的立体透视图； 图2b是图1的收音装置组件的内部立体图； 图3是图1的耳背式助听器的立体图4是本实用新型的另一实施方式的方向调节装置的正面结构示意图5是图4的方向调节装置的俯视结构示意图6是本实用新型的一个实施方式的固定部件的侧视图7是图1的处理器单元的部件示意图8是本实用新型的另一实施方式的立体示意图；和
图9是本实用新型的另一实施方式的立体示意图。
具体实施方式
本说明书中的实施方式及其披露的内容只作为参考示例，本实用新型亦可 应用到其它款式的应用固定波束成型技术的助听系统或耳背式助听器上。
如图1所示，本实施方式的应用固定波束成型技术的助听系统IO包括一处 理器单元20和一收音装置40。收音装置40可包括两个收音装置组件41。使用 者可把助听系统10的两个收音装置组件41分别连接到左右两个一般耳背式助听 器卯使用。助听系统10的处理器单元20与收音装置40之间由一导线连接。收 音装置40把接收到的音频信号通过导线传送到处理器单元20进行固定波束成型 及噪声消除的运算程序。处理器单元20把运算结果的音频信号通过导线传送回 收音装置40。
收音装置邻的体积小，它包括一麦克风阵列42。麦克风阵列42包括至少 两个麦克风44。因为应用波束成型技术要求麦克风阵列42的麦克风44的间距应大于对话者的声音波长的一半，如以波频1500Hz为例，麦克风间距则应为约 11厘米(cm),所以麦克风44被分成两组，分别置于两个收音装置组件41内， 并把两个收音装置组件41置于使用者的头部两侧，藉此增大麦克风44之间的距 离以达到更佳的波束成型技术的运算效果。
如图2a所示，各组的麦克风44包括最少一个前向麦克风46。前向麦克风 46可以是全向式(omni-directional)麦克风或单一指向式(directional)麦克风。 单一指向式麦克风对于接收迎面的音频有最佳的效果，而来自其它方向的音频则 会被衰减。因此前向麦克风46被设置的方向与使用者头部面向的方向相同，以 收集使用者迎面而来的声音。此外，至少一组麦克风44应包括至少一个与前向 麦克风46方向大致相反的后向麦克风48。后向麦克风48是单一指向式麦克风， 背对迎面而来的声音，其主要作用是收集背景噪声，作为噪声消除运算程序的参 照。
收音装置组件41还包括一个连接插头50，连接插头50包括一个或以上针 脚52,用于连接耳背式助听器90的直接音频输入端92的相应插孔(见图3)。收 音装置40把从处理器单元20接收到的音频信号通过直接音频输入端92传送到 耳背式助听器90。
助听系统10还包括一个连接收音装置组件41的方向调节装置60。因为每 一个耳背式助听器卯的直接音频输入端92的插孔位置或其针脚的排列位置各 异，当针脚52连接到耳背式助听器90的直接音频输入端92的相应插孔时，前 向麦克风46的接收方向不一定与使用者头部面向的方向(即最佳接收方向)一致， 而方向调节装置60则可用于将前向麦克风46调节至最佳接收方向。
方向调节装置60可有不同的设计，如图2a及2b所示，其中的一个方向调 节装置60的实施方式包括一个转盘62、 一个卡合板64、 一个在压縮及扩张状态 之间操作的弹簧装置66和一个支承弹簧装置66的支撑板73。上述部件连同部 份连接插头50和麦克风44 一同置于外壳76内。
连接插头50安装在转盘62上，用于调节弹簧装置66的状态和麦克风44 的接收方向。当连接插头50被按下时，转盘62亦会被按下，以压縮弹簧装置66。当使用者旋转连接插头50时，转盘62会一并旋转，以调节麦克风44的接 收方向。当使用者把前向麦克风46调节至最佳接收方向后便不用再按着连接插 头50，以使弹费装置66回复到扩张状态。
转盘62设置在弹簧装置66之上，呈圆柱状，其上表面71在近圆周边缘设 有两个卡齿70,两个卡齿70所处的位置可连成一穿过转盘62的上表面71的圆 心的直线。卡齿70是卡合部件78的其中一组件。卡合板64则安装在外壳76内， 在转盘62之上，其下表面74设有四个榫孔72，榫孔72的大小及位置与转盘62 上的卡齿70相对应，使转盘62可固定在不同的角度。榫孔72可与其相对的榫 孔72穿过下表面74的中心点连成一直线，两组相对的榫孔72所连成的直线可 成一十字形状，榫孔72是卡合部件78的另一组件。本实施方式的旋转角度固定 为0度、卯度、180度及270度。
卡齿70和榫孔72是转盘62和卡合板64之间的卡合部件。当弹簧装置66 处于扩张状态时，转盘62的上表面71与卡合板64的下表面74相抵靠，使转盘 62上的卡齿70卡入下表面74的榫孔，转盘62便不能转动，以将前向麦克风46 固定在最佳接收方向。弹簧装置66在压縮状态时，转盘62上的卡齿70离开下 表面74上的榫孔72，麦克风44的方向不再被固定，使用者便可自由旋转转盘 62以调节麦克风44的接收方向。
弹簧装豐66可以是弹片、弹簧、或其它弹性件。在本实施方式中，弹簧装 置66是，例如三或四个弹簧，分别设置于支撑板73与转盘62之间。
收音装置组4牛41的外壳76设有四个开口，包括插头开口 200、线路开口 202、前向麦克风开口 204和后向麦克风开口 206。插头开口 200让连接插头50 穿过，使针脚52可连接到耳背式助听器90的直接音频输入端92的相应插孔。 线路开口 202使连接线路69通过，以连接处理器单元20。前向麦克风46的收 音部分47设置在前向麦克风开口 204并固定在外壳76上。后向麦克风48的收 音部分49则设置在后向麦克风开口 206并固定在外壳76上。
连接线路69将前向麦克风46、后向麦克风48和连接插头50连接到处理器 单元20。前向麦克风46及后向麦克风48所接收的声音会通过连接线路69传送 到处理器单元20。处理器单元20把巳进行固定波束成型及噪声消除的运算程序 的音频信号通过连接线路69及连接插头50，传送至耳背式助听器90播放。
如图4所示，本实用新型的另一实施方式的方向调节装置160包括一个转 盘162、两个卡合板164、和两个在压縮及扩张状态之间操作的弹簧装置166。 上述部件连同麦克风44，包括前向麦克风46及后向麦克风48 —同置于外壳176 内。
转盘162呈圆柱状，用于调节麦克风44的接收方向。其上端设有连接插头 50,用于连接耳背式助听器90。连接插头50与转盘162之间设一瓶颈部分163， 其圆周小于连接插头50与转盘162的圆周，并与外壳176的插头开口 200大小 相似，使调节装置160稳固在外壳176之上。转盘162的周缘168设有凹凸的齿 段170。齿段170是转盘162与卡合板164之间的卡合部件178的其中一个组件。 转盘162的底部设有延伸的管道186使连接线路(未示出)通过。
卡合板164呈长形棒状，其一端为卡合端172，另一端为操控端180，在两 端之间约中心位置设有杠杆轴184,并连接从外壳176延伸的定位杆188，用于 将卡合板164安装在转盘162的两侧。卡合板164近转盘162的一端为卡合端 172。卡合端172上设有卡合榫174，卡合榫174是转盘162与卡合板164之间 的卡合部件178的另一组件。如图5所示，卡合榫174的大小和位置与周缘168 上齿段170的大小和位置相对应，两者可互相卡合。当卡合榫174卡合齿段170 时，转盘162便不能转动，以使麦克风44固定于一接收方向。当卡合榫174与 齿段170分离时，转盘162便可转动，以调节转盘162的角度使麦克风44面向 不同的方向。
卡合板164的另一端为操控端180。操控端180上设有推杆182，使用者可 将推杆182推进外壳176以控制卡合部件178的卡合。
弹簧装置166可以是弹片、弹簧、或其它弹性件。在本实施方式中，弹簧 装置166是弹片，在接近卡合端172的位置连接卡合板164,与外壳176相抵靠。 当使用者按下推杆182并推进外壳176时，通过杠杆轴184,卡合端172便会向 外壳176的方向移动，使弹簧装置166处于压縮状态，并且使卡合榫174与齿段
170分离。当卡合榫174与齿段170之间的卡合被解除后，使用者便可转动转盘 162,以调节前向麦克风46面向最佳接收方向。当使用者不再按下推杆182时， 弹簧装置166便回复扩张状态。卡合端172与转盘162上的周缘168相抵靠，使 卡合端172上的卡合榫174卡入周缘168上的齿段170，转盘162便不能转动， 从而使麦克风44的方向固定。
如图6所示，若使用者只有一个耳背式助听器卯，可把一个收音装置组件 41连接耳背式助听器90,而把另一个收音装置组件41连接到一个固定部件80， 使其固定于使用者的耳侧。固定部件80包括一个耳钩82及一个耳塞86，用于 把固定部件80定位于使用者的耳侧或耳背上。耳塞86上设有至少一个气孔88， 使声音可通过气孔88进入耳朵。此外，固定部件80还包括一个连接端84,以 连接收音装置组件41。
如图7所示，处理器单元20包括一个数字处理器22、 一个音频编解码器 24、 一个蓝牙模块26及一个直接音频输出端28。处理器单元20主要负责所有 数字信号运算处理及对外无线信号收发。处理器单元20的体积很小，可放在衣 服袋中而不易察觉，且制作成本低。从收音装置40接收的声音会先传送到处理 器单元20内的音频编解码器24。音频编解码器24是音频的模数转换器，接收 的声音会由模拟音频信号转换到数字音频信号。然后，数字音频信号会被传送到 数字处理器22,进行固定波束成型及噪声消除的运算程序，藉此把信号的信号 干扰噪声比(SINR)提高。此外，数字处理器22也是处理器单元20的主控部件， 用于控制处理器单元20中各部件的操作及部件之间的信号输入或输出。
在本实施方式所应用的固定波束成型技术利用了包括两个步骤的旁瓣相消 (Generalized Sidelobe Cancellation, GSC)技术。在第一个步骤中，应用了延迟迭 加法/延迟相加法(delay-and-sum)把两个收音装置组件41中前向麦克风46所接 收的音频中的主要信号选出并加强。而在第二个步骤，则应用了延迟相减 (delay-and-subtract)算法，将削减信号作为参照干扰信号，与第一个步骤的加强 信号进行最小均方(Least Mean Square, LMS)算法，结果信号的信号干扰比 (Signal-to-Interfefence Ratio, SIR)将被大大提高。
此外，本实施方式还应用了噪声消除的运算程序，使用从后向麦克风48所 收集的背景噪声为参照，再以最小均方(LMS)算法进一步把噪声抑压，使结果信 号的信号噪声比(signal-to-noise ratio, SNR)提高。结果信号会被传回音频编解 码器24进行音频模数转换，再经直接音频输出端28，把模拟音频信号传送至耳 背式助听器90。
蓝牙模块26用于向支持蓝牙技术的装置，例如移动电话，发送及从其接收 无线信号30。蓝牙模块26接收从移动电话发出的无线信号30，接收到的音频数 字信号会被传送至音频编解码器24进行音频模数转换,再经直接音频输出端28, 把模拟音频信号传送至耳背式助听器卯。因此经过蓝牙模块26，听障人士可使 用助听系统IO来接听支持蓝牙技术的移动电话，令他们可更清晰地接听移动电 话，更有效地和来电者沟通。
本实施方式的使用步骤如下
(一) 使用者把收音装置组件41分别连接至左右耳背式助听器卯的直接 音频输入端92，若使用者只有一个耳背式助听器90，可把其中一个收音装置组 件41连接至耳背式助听器90,而另一个收音装置组件41则连接到一个固定部 件80,使其固定于使用者的耳侧。处理器单元20则可放在衣服袋中。
(二) 旋动转盘62/162以调节前向麦克风46至最佳接收方向，并把方向固定。
(三) 把助听系统10的开关打开，便可清晰地接收对话者的音频信号。
(四) 若要使用蓝牙模块26接收移动电话的来电，首先按下处理器单元20 上的相应开关键以连接移动电话。当来电时，使用者可按处理器单元20上的有 关按键来接听来电或挂断电话。
如图8所示，本实用新型的另一实施方式是助听系统10的处理器单元20 与收音装置40之间以一无线的界面把两者连接起来。其无线界面可应用调频 (Frequency Modulation FM)，蓝牙(Bluetooth)或红外线技术。本实施方式包括第 一无线收发部件及第二无线收发部件，分别连接收音装置40并设于处理器单元 20,用于把音频信号转换成无线信号，发送至另一个无线收发部件，并从其接收 无线信号，转换成音频信号。在本实施方式中，第一无线收发部件和第二无线收
发部件分别为无线收发模块100及无线收发装置110。无线收发模块100置于处 理器单元20。无线收发装置110连接收音装置40。无线收发装置110包括用于 模数转换的音频编解码器112及无线收发模块114。无线收发装置110把收音装 置40所接收的音频信号转换成无线信号，发送至处理器单元20的无线收发模块 100;并接收无线收发模块100所传送的无线信号，转换成音频信号，送到收音 装置40及耳背式助听器卯。
如图9所示，本实用新型的另一实施方式为麦克风44、处理器单元20与耳 背式助听器90成为一体结构。
虽然本实用新型只展示了上文所描述的实施方式，但很多为本技术领域显 而易见又不损本实用新型的精髓及保护范围之变化与改动也可应用于其上。因此 可合理地及正确地施加在本技术上的变化与改动应当被列入本实用新型的保护 范围内。
权利要求1.一种应用固定波束成型技术的助听系统，用于连接耳机的扩音器，包括一个处理器单元和一个通过有线或无线连接所述处理器单元的收音装置，其特征是所述收音装置包括一个麦克风阵列，所述麦克风阵列包括至少两个麦克风，所述麦克风分别设置在使用者的头部两侧，由此增大所述麦克风之间的距离，以提高波束成型运算的效果。
2. 根据权利要求1所述的助听系统，其特征是-所述麦克风为前向麦克风，其方向与使用者头部面对的方向一致，以接收来自使用者前方的声音。
3. 根据权利要求2所述的助听系统，其特征是 所述麦克风阵列还包括至少一个与所述前向麦克风方向相反的后向麦克风，用于接收背景噪声，以消除噪声。
4. 根据权利要求l、 2或3所述的助听系统，其特征是所述助听系统还包括一个连接所述收音装置的方向调节装置，用于调节所述 麦克风的方向。
5. 根据权利要求l、 2或3所述的助听系统，其特征是所述收音装置还包括针脚，用于连接所述耳机的直接音频输入端的相应插 孔，所述助听系统还包括连接所述针脚的方向调节装置，以根据所述直接音频输 入端的针脚的排列位置调节所述麦克风的接收方向。
6. 根据权利要求5所述的助听系统，其特征是 所述方向调节装置包括一个连接所述针脚的转盘， 一个与所述转盘在预设角度相卡合的表面，及一个在压缩及扩张状态之间操作的弹簧装置，当弹簧装置处于扩张状态时,所述转盘与所述表面相抵靠，当弹簧装置处于压缩状态时，所述转盘与所述表面 分离，从而转盘旋转以调节麦克风的接收方向。
7. 根据权利要求6所述的助听系统，其特征是 所述转盘和所述表面的相应位置上分别设置相对应的卡合部件。
8. 根据权利要求7所述的助听系统，其特征是 所述卡合部件是卡齿及榫孔。
9. 根据权利要求5所述的助听系统，其特征是所述方向调节装置包括一个连接所述针脚的转盘，所述转盘包括一周缘， 至少一个与所述周缘在预设角度相卡合的卡合板，和至少一个在压縮及扩张状态之间操作的弹簧装置，所述弹簧装置连接所述卡 合板，当所述弹费装置处于扩张状态时，所述卡合板与所述周缘相抵靠，当所述 弹簧装置处于压缩状态时，所述转盘与所述卡合板分离，从而转盘旋转以调节麦 克风的接收方向。
10. 根据权利要求9所述的助听系统，其特征是所述周缘及卡合板的相应位置上分别设置相对应的卡合部件。
11. 根据权利要求10所述的助听系统，其特征是所述卡合部件是齿段及卡合榫。
12. 根据权利要求9所述的助听系统，其特征是 所述卡合板还包括一个与所述周缘相卡合的卡合端，所述弹簧装置连接所述卡合端， 一个操控端，一个设置在所述卡合端与操控端之间的杠杆轴，和 一个连接所述操控端的推杆，所述推杆可移动所述操控端以解除所述卡合端与周缘的卡合。
13. 根据权利要求9所述的助听系统，其特征是 所述弹簧装置是弹片。
14. 根据权利要求l、 2或3所述的助听系统，其特征是所述处理器单元包括蓝牙模块及直接音频输出端，所述蓝牙模块用于向支持 蓝牙技术的装置发送及从其接收无线信号，所述蓝牙模块传送所述无线信号至所 述直接音频输出端，以传送所述无线信号至所述耳机。
15. 根据权利要求5所述的助听系统，其特征是 所述处理器单元包括蓝牙模块及直接音频输出端，所述蓝牙模块用于向支持蓝牙技术的装置发送及从其接收无线信号，所述蓝牙模块传送所述无线信号至所 述直接音频输出端，以传送所述无线信号至所述耳机。
16. 根据权利要求5所述的助听系统，其特征是-所述处理器单元包括一个数字处理器，用于运行固定波束成型的运算程序；和 一个音^解码器，用于音频的模数转换。
17. 根据权利要求l、 2或3所述的助听系统，其特征是 所述助听系统还包括一个固定部件以连接所述收音装置，使其固定在使用者的耳侧。
18. 根据权利要求5所述的助听系统，其特征是 所述助听系统还包括一个固定部件以连接所述收音装置，使其固定在使用者的耳侧。
19. 根据权利要求18所述的助听系统，其特征是 所述固定部件包括 一个可固定在使用者耳后的耳钩，和 一个连接端，以连接所述麦克风。
20. 根据权利要求5所述的助听系统，其特征是-所述助听系统还包括第一无线收发部件及第二无线收发部件，所述第一和 第二无线收发部件分别连接到所述收音装置和设置于所述处理器单元，所述第一无线收发部件把音频信号转换成无线信号，发送至所述第二无线收 发部件，并从所述第二无线收发部件接收无线信号，转换成音频信号。
专利摘要本实用新型公开了一种应用固定波束成型技术的助听系统(10)，它可连接耳背式助听器(90)的扩音器。所述助听系统(10)包括一个处理器单元(20)，一个通过有线或无线连接到处理器单元(20)的收音装置(40)，和一个连接到收音装置(40)的方向调节装置(60)。所述收音装置(40)包括一个麦克风阵列(42)。所述麦克风阵列(42)包括至少两个前向麦克风(46)分别置于使用者头部两侧，藉此增大麦克风(44)之间的距离以达到更佳的波束成型运算效果。所述方向调节装置(60)可灵活地将麦克风(44)调节至最佳接收方向，以达到更佳的波束成型运算效果。
文档编号H04R25/00GK201075875SQ20072014305
公开日2008年6月18日 申请日期2007年4月24日 优先权日2007年4月24日
发明者张日耀 申请人:力滔有限公司