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#助听器#声反馈#啸叫抑制#增益#耳模

助听器为什么一靠近耳朵就尖叫?声反馈环路与增益限制

戴上助听器或用手靠近耳廓时,为什么会突然出现刺耳啸叫?本文从麦克风、放大器、受话器构成的声反馈环路讲起,说明增益、耳模密封性和麦克风与受话器距离如何决定是否自激,数字助听器又如何用反馈抑制算法识别并抵消,并给出啸叫时该检查什么的判断顺序。

一个很常见的尴尬瞬间

把助听器往耳朵里塞,还没完全戴稳,耳边突然冒出一声又尖又细的“吱——”,像有人吹了一只很小的哨子。手一靠近耳廓,或者把助听器从耳朵里取出来又放回去,这个声音也会冒出来。很多人第一反应是机器坏了,赶紧关掉,甚至不敢再戴。

这个声音不是故障报警,而是助听器把自己发出的声音又听了一遍。要理解它,先要看清助听器内部那条很短的回路:声音进去、被放大、放出来,然后有一部分又跑回入口。

助听器内部有一条会绕回来的路

助听器的基本结构只有三块:麦克风、放大器、受话器。麦克风把空气中的声波转成电信号,放大器把电信号变强,受话器再把电信号转回声波,送进耳道。美国国家耳聋与其他交流障碍研究所(National Institute on Deafness and Other Communication Disorders,NIDCD)对这三部分的描述就是如此。

问题出在受话器放出来的声音不会全部进入耳道深处。耳道是一个很小的空腔,声音在里面来回反射,一部分会从耳模或耳塞与耳道之间的缝隙漏出来,绕到助听器外壳外面,重新被麦克风拾取。麦克风拾到的这路声音,和外面本来要听的声音混在一起,又被放大一次。

如果每一轮绕回来时,声音不但没变小,反而和上一轮差不多甚至更大,这个循环就会自己滚起来。工程上把“绕一圈之后还剩多少”称为有效闭环增益。当有效闭环增益大于 1,也就是绕回来的声音比上一轮更强,系统就进入自激振荡,表现为持续或断续的尖锐啸叫。资料里把这种现象称为声反馈,也叫啸叫。

这里要区分两种叫法。内部啸叫指助听器内部器件松动或故障,声音在机壳内部就串回了麦克风;外部啸叫指声音从耳道缝隙、通气孔漏出去再被拾取。日常遇到的大多是外部啸叫,和佩戴、耳模、增益设置有关。

增益、距离和密封性共同决定会不会叫

助听器要帮人听清,就必须把声音放大。放大倍数不够,听损补偿不到位;放大倍数太高,绕回来的那部分也跟着变大,更容易越过自激的门槛。资料指出,音量过大或高频增益太高,是外部啸叫的常见诱因。

麦克风和受话器离得越近,声音从受话器跑到麦克风的路程越短,衰减越少,越容易形成反馈。耳背式助听器的麦克风和受话器都装在同一只小壳子里,两者距离近,所以较大功率的耳背式助听器通常要配定制耳模,把耳道口封住,减少漏声。

耳模或耳塞的密封性直接决定漏出去多少声音。佩戴不到位、耳塞尺寸不合适、耳模老化变硬、耳道里耳垢过多,都会在耳模和耳道之间留下缝隙。缝隙越大,漏出去的声音越多,反馈越强。反过来,密封良好时,耳模在受话器和鼓膜之间形成一个相对封闭的声学通道,耳模内被放大的声音不容易从缝隙泄漏,啸叫概率就低。

耳道本身的形状也在参与。每个人的耳道都可以看成一个声学共振腔,某些频率的声音在里面会被格外加强。如果被加强的频率正好落在增益较高的频段,就更容易先叫起来。

下面这张表把几个主要因素和它们的作用方向放在一起,方便对照排查。

因素变化方向对啸叫的影响
增益调高绕回来的声音被放大更多,更容易自激
麦克风与受话器距离变近反馈路径衰减更少,更容易自激
耳模密封性变差漏声增多,反馈增强
通气孔变大低频漏声增多,反馈增强
耳道共振某频率被加强该频率更易先叫

数字助听器怎样“听出”并抵消自己的声音

早期做法比较直接:在预计会叫的频率附近压低增益,或者用陷波滤波器把某个窄频段压下去。代价是这些频率上的声音也被削弱,语音清晰度可能下降。

数字助听器更常用的方法是自适应反馈消除(Adaptive Feedback Cancellation,AFC)。它的思路是先给反馈路径建一个数学模型:估计声音从受话器出发、经过耳道和缝隙、回到麦克风这一路会发生怎样的衰减和延迟。然后从麦克风收到的信号里,减去这个估计出来的反馈成分。如果模型足够准,麦克风处的反馈信号就被抵消掉,系统在较高增益下也能保持稳定。

难点在于反馈路径不是固定的。耳模松一点、耳道里耳垢多一点、手靠近耳朵改变外部声场,路径就变了。所以模型必须持续更新。资料提到常用归一化最小均方(Normalized Least Mean Squares,NLMS)一类算法做路径辨识。

闭环系统里还有一个麻烦:受话器放出的声音和输入信号本身相关,自适应滤波器容易把真实声音也当成反馈去抵消,估计出现偏差。工程上会用去相关手段缓解,比如在输出里加入很低的探测噪声,或者用预测误差滤波器。探测噪声要足够大才有效,但太大又会被用户听到,这是一个需要权衡的边界。

近年也有研究把深度学习用于助听器声反馈消除。资料提到 2022 年有学者提出深度边缘反馈消除框架,用于抑制啸叫、减少音色改变并限制某些频率的过度放大,且该研究只考察了语音输入的情况。这类方法目前仍处于研究推进阶段,不能当作所有助听器都已具备的能力。

啸叫出现时,按这个顺序排查

啸叫本身不是故障信号,它更像一个提示:这条回路某一环的余量不够了。可以先做几件不需要工具的事。

第一,重新佩戴。把耳塞或耳模往耳道里推到位,用手轻轻按住耳廓外侧,看啸叫是否消失。佩戴初期不熟练的人,对着镜子多练几次往往就能解决。

第二,检查耳垢。外耳道口堆积的耳垢会把耳模顶得不贴合,形成缝隙。可以用医用消毒棉签在外耳道口轻轻擦拭,不要往深处捅。自己不好清理时,到医院请专业人员处理。

第三,看耳模和耳塞的状态。耳塞、耳模使用一段时间后会老化变硬,密封性下降,需要更换新耳塞或重新定制耳模。

第四,回忆啸叫出现的场合。如果只在嘈杂环境、音量调大或高频增益调高时出现,问题可能出在验配参数上,需要验配师重新调试。

如果反复佩戴到位后仍然持续啸叫,或者啸叫伴随声音断续、失真,可能是内部声反馈,需要返厂检修。资料特别提到,定制式助听器的受话器位置不易固定,大功率定制机在震动后可能出现内部声反馈,这类情况自己处理不了。

需要提醒的是,不要为了压住啸叫而长期把音量调到很低。增益不足意味着该补偿的声音没补上,听损者会听不清,反而失去佩戴助听器的意义。正确的做法是把啸叫当作一个需要调整的信号,交给验配环节解决。

它为什么值得被理解

啸叫的根源是一条物理回路,不是助听器“脾气不好”。麦克风、放大器、受话器靠得近,声音又必须被放大,这两件事天然容易让绕回来的声音滚起来。数字反馈抑制算法能扩大可用增益的范围,但它依赖对反馈路径的估计,路径变化太快或太复杂时,抑制能力会退化。

理解这一点,遇到啸叫时就不会急着认定机器坏了。先看佩戴和耳模,再看验配参数,最后考虑内部故障,这个顺序能覆盖大多数日常情况。真正需要专业介入的,是密封和参数都正常却依然持续啸叫的情形。

资料来源

  1. NIDCD: Hearing Aids
  2. 助听器为什么会有吱吱吱的响声? - 助听器知识 - 欧仕达听力科技(厦门)有限公司-【欧仕达助听器】
  3. 助听器啸叫抑制简介_助听器 声学工程-技术邻
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