ÜBERRASCHENDE VERBESSERUNGEN FÜR LEISE UND ENTFERNTE SPRACHE

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1 Sprachanhebung: ÜBERRASCHENDE VERBESSERUNGEN FÜR LEISE UND ENTFERNTE SPRACHE Kurzfassung Algorithmen zur spektralen Anhebung haben gezeigt, dass sie einige Vorteile für die Sprachwahrnehmung liefern 1-6. Allerdings ist ihr Vorteil manchmal durch die Klangqualität hinsichtlich Lautheit und Verzerrung begrenzt worden 1,7,8. Mit der Einführung der Element 16 und Element 8 Produktfamilien hat Unitron Hearing nicht nur einen neuen Ansatz der Sprachanhebung, sondern auch neue Wege dieser Anwendung gezeigt. Verzerrung bei hohen Ausgangspegeln wird durch einen adaptiven Algorithmus für Sprachanhebung verhindert. Sprachanhebung kann nun benutzt werden, um die Zielverstärkung für Sprache zu erreichen, während das Hörsystem für Lärm unter der Zielverstärkung bleibt. Dies wird durch ein verändertes Verstärkungsmodell ermöglicht. Diese Überlegungen haben zur Einführung der pegelabhängigen Sprachanhebung LD (Level Dependence) in die Element 16 - Produktfamilie geführt. Sprachanhebung LD bringt dem Nutzer eine deutlich höhere Verstärkung für Sprache und weniger Verstärkung für Lärm, als es jemals zuvor möglich war.

2 SPRACHANHEBUNG Frühere Algorithmen zur Sprachanhebung Die Anhebung der Sprache wurde auf verschiedenen Wegen versucht 1-5, 7, Wenn es möglich ist, Sprache zu erkennen und mehr Verstärkung für Sprachsignale als für Umgebungsgeräusche zu liefern, steigen Klarheit und Komfort nach Aussagen von Hörsystemträgern. Ergebnisse in den ersten Entwicklungsstadien haben jedoch gezeigt, dass sich entweder die Verständlichkeit oder die Klangqualität verbessert, aber selten beides 4, 7, 8. Diese Probleme zeigten sich vor der Implementierung des Algorithmus in ein tragbares Hörsystem. Die Bedingung, dass der Algorithmus in einem Hörsystem in Echtzeit arbeiten soll, wird einerseits durch die Prozessorleistung und andererseits durch den Dynamikbereich begrenzt. Abbildung 1a zeigt die E/A-Funktion einer Einzelfrequenz eines typischen Hörsystems (schwarze Linie). Der blaue Bereich der Grafik demonstriert den Verstärkungszuwachs, den ein älterer Algorithmus zur Sprachanhebung hervorrufen würde. Da die Anhebung nicht pegelabhängig ist, wird ungeachtet des Eingangspegels immer der gleiche Betrag an Verstärkung auf die Sprache angewendet. Wenn das Hörsystem mit einer traditionellen Formel wie NAL-NL1 oder DSL[i/o] angepasst ist, wird der Ausgang über der Zielkurvenanpassung liegen. Das Übersteigen der Zielkurvenverstärkung kann für leise Sprache vorteilhaft und für mittlere Sprachpegel akzeptabel sein. Allerdings wird es für laute Sprache sehr unangenehm sein. Weiterhin kann laute Sprache das Hörsystem bereits bei einem etwas niedrigeren Pegel in die Nähe der Sättigung bringen, wenn die Sprachanhebung aktiviert ist, d.h. bei Anwendung der Sprachanhebung ändert sich der Eingangspegel bei welchem die Sättigung erreicht wird. Der Sättigungspunkt hat sich in Abbildung 1a bei eingeschalteter Sprachanhebung nach links verschoben. Diese Sättigung und die zu hohe Verstärkung für laute Sprache können zu Problemen bei der Klangqualität führen. Ein paar geringe Veränderungen in der Funktionsweise des Sprachanhebungsalgorithmus und der Verstärkungsstrategie, auf die er angewendet wird, können diese Einschränkungen beheben. Sprachanhebung in Element 8: Frühere Sprachanhebungsalgorithmen waren begrenzt, weil sie die Wahrscheinlichkeit der Sättigungsverzerrung erhöhten und zuviel Verstärkung für laute Sprache wie in Abbildung 1a lieferten. Wie in Abbildung 1b ersichtlich, verringert Element 8 die Wahrscheinlichkeit der Sättigungsverzerrung, weil die Verstärkung rasch reduziert wird, wenn der Ausgangpegel in die Nähe des Sättigungsbereiches gelangt. Ähnlich dem Modell in Abbildung 1a wird die Anhebung gleichmäßig auf einen breiten Eingangspegelbereich angewendet. Allerdings, anders als in Abbildung 1a, verschiebt sich der Eingangspegel für den Sättigungspunkt nicht nach links. Das System sorgt kurz vor Erreichen des Sättigungsbereiches für eine schnelle Verstärkungsreduzierung. Das Problem der Lautheitstoleranz für höhere Abbildung 1a Abbildung 1b Abbildung 1c Sättigung Sättigung Sättigung Ausgangsschalldruck Expansion Verstärkungsfunktion Konventionelle Sprachanhebung Ausgangsschalldruck Expansion Verstärkungsfunktion Element 8 SE Ausgangsschalldruck Expansion Verstärkungsfunktion Element 16 SELD Leise Mittel Laut Eingangsschalldruck Leise Mittel Laut Eingangsschalldruck Leise Mittel Laut Eingangsschalldruck 2

3 Eingangspegel von Sprache wird durch eine modernere Sichtweise für die Zielkurvenverstärkung gehandhabt. Zum Beispiel berechnen Anpassregeln wie DSL[i/o] und NAL-NL1 die optimale Hörsystemverstärkung. Allerdings kann die optimale Hörsystemverstärkung durch mehr als eine Verstärkungsstrategie definiert werden. Eine Strategie könnte sein, den Pegel für die Sprachwahrnehmung zu optimieren, oder eine andere Strategie wäre, die normale Lautheit wieder herzustellen. Ungeachtet der Strategie erfordert jede vorgegebene Formel die Berechnung der Verstärkung für mehrere Frequenzen, um das gewünschte Ziel (Verstärkung/Ausgang) zu erreichen. Aber haben wir jemals die Frage gestellt: Verstärkung wofür? Verstärkung war einfach Verstärkung. Die Zugabe von 6 db für Sprache bedeutet Zugabe von 6 db für alles andere. Ein Sprachanhebungsalgorithmus jedoch, der eine Verstärkungsanhebung korrekt auf Sprache anwendet und nicht auf Umgebungsgeräusche, erfordert eine differenziertere Definition der Verstärkung. Schaltet man die Sprachanhebung aus, so werden gemäß Verstärkungseinstellung alle Signale inklusive Sprache gleich verstärkt. Ist sie aktiviert, so können bis zu 6 db mehr in den Bereichen verstärkt werden, wo Sprache detektiert wird. Abbildung 1a zeigt eine E/A-Funktion gemäß Zielkurvenanpassung, in der die Sprachanhebung die Zielkurven überschreitet, obwohl es nicht erforderlich war. Der Sättigungspunkt ist, wie ersichtlich, nach links verschoben. Eine Alternative wäre weniger zu verstärken und die Sprachanhebung zu aktivieren, die dann detektierte Sprache gemäß den Zielkurven verstärkt. Der Hörgeräteakustiker muss entscheiden, wie er/sie die Zielkurvenanpassung erfüllen möchte. Folgende Optionen sind möglich: Herkömmliche Anpassungen Zielkurvenanpassung des Hörsystems ohne Sprachanhebung beinhaltet gleiche Verstärkung, sowohl für Sprache als auch Umgebungsgeräusche. Konzentration auf Sprache Durch Voreinstellung des Hörsystems einige db unterhalb der Zielkurvenverstärkung und dann Aktivierung der Sprachanhebung wird lediglich eine Zielkurvenanpassung für Sprache erreicht. Somit wird Sprache betont, der Pegel für Umgebungsgeräusche ist niedriger. Sprachanhebung Zielkurvenanpassung des Hörsystems plus zusätzliche Verstärkung für Sprache durch Sprachanhebung. Diese Strategie betont Sprache für Hörsystemträger, die zusätzliche Verstärkung für Sprache bevorzugen, während geringere Verstärkungspegel für Umgebungsgeräusche beibehalten werden. Dieser Ansatz in Verbindung der Sprachanhebung eröffnet neue Möglichkeiten in der Hörsystemanpassung, die vorher nicht verfügbar waren. Dieser Effekt kann in der U:fit- Anpassstrategie bei Element 16 und Element 8 verfolgt werden. Element 16 und Element 8 werden mit einer niedrigeren Adaptionsmanagerstufe voreingestellt. Der Adaptionsmanager reduziert die Gesamtverstärkung des Hörsystems im First Fit unterhalb der Zielverstärkung für z.b. einen erfahrenen Hörsystemträger. Die anfängliche Verstärkungsreduzierung für Element 16 und Element 8 wird durch die sich selbst hinzuschaltende Sprachanhebung ausgeglichen. Das Nettoergebnis ist ein First Fit mit Konzentration auf Sprache. Mit diesem Ansatz wird normale Lautheit und Deutlichkeit für Sprache aufrechterhalten, da das Verstärkungsmodell genügend Verstärkung gemäß der vollen Zielverstärkung zur Verfügung stellt. So werden Nicht-Sprache-Signale einfach gefiltert, wodurch sich Beschwerden über störende Hintergrundgeräusche deutlich reduzieren. Weil Element 4 keinen Sprachanhebungsalgorithmus enthält, wird mehr Grundverstärkung im First Fit angeboten. Für Fälle, wo der Hörsystemträger mehr Verstärkung wünscht, wird durch den Ansatz, First Fit mit 100 % Zielkurvenverstärkung für alle Signale und zusätzliches Aktivieren der Sprachanhebung, eine Fokussierung auf Sprache ermöglicht. Während die meisten Hörsystemträger es vielleicht ein bisschen zu laut finden, kann es sein, das die erfahrenen Nutzer oder hochgradig Schwerhörige diesen Ansatz als optimal ansehen. 3

4 SPRACHANHEBUNG Kurz zusammengefasst, dieser Ansatz der Sprachanhebung beseitigt die Gefahr der Sättigung und Verzerrung bei lauter Sprache. Die Verstärkungszugabe aufgrund der Aktivierung von Sprachanhebung steuert die hochentwickelte First Fit- Logik. Dabei wird mehr Verstärkung für Sprache zur Verfügung gestellt, während Beschwerden über zu hohe Lautheit aufgrund Überverstärkung reduziert werden. Zusätzlich kann Sprachanhebung zur Fokussierung von Sprache bei hochgradig Schwerhörigen verwendet werden, indem die Hörsysteme gemäß Zielkurvenanpassung voreingestellt werden und dann zusätzlich die Sprachanhebung aktiviert wird, um einen besseren SNR zu erhalten. Pegelabhängige Sprachanhebung (LD = Level Dependence) - Element 16: Die zwei oben beschriebenen Ansätze haben bei Element 8 zusätzlich den Vorteil Sprache zu fokussieren, ohne irgendwelche Lautheits- oder Verzerrungsprobleme zu erzeugen. Von der Reduzierung der Sprachanhebung in der Nähe des Sättigungspunktes ist es nur ein kleiner Schritt zur pegelabhängigen Sprachanhebung, deren Wirkungsbereich in der Nähe des Pegels von normaler Umgebungssprache liegt. Eine weitere leistungsstarke Anwendung ist nun möglich (siehe Abbildung 1c). Wendet man die Sprachanhebung nur bei leiser Sprache an, kann für diese viel Verstärkung hinzugefügt werden, während die Hörbarkeit von Umgebungsgeräuschen erheblich verringert werden kann. Gerade für leise Sprache kann in Element 16 durch die pegelabhängige Sprachanhebung mehr Verstärkung zur Verfügung gestellt werden als in Element 8, weil lautere Sprache weniger oder nicht angehoben wird. Um in einem Hörsystem pegelabhängige Sprachanhebung anzuwenden, müssen die drei folgenden Kriterien erfüllt sein: 1) Korrekte Anwendung von zusätzlicher Verstärkung in Bändern in denen Sprache dominant ist, aber nicht in denen wo Störgeräusche dominieren; 2) Sorgfältige Erkennung von Sprache in ruhiger Umgebung und Gesellschaft; und 3) Höhere Verstärkung für leise Sprache im Verhältnis zu lauter Sprache. Nachdem diese drei Bedingungen erfüllt sind, stellt das Hörsystem wahrhaftig pegelabhängige und adaptive Sprachanhebung zur Verfügung. Hier sind einige Beispiele, wie die Pegelabhängigkeit in Element 16 arbeitet. Korrekte Detektierung und Anwendung Der erste Schritt in der Anwendung von adaptiven Features in einem volldigitalen Hörsystem ist die korrekte Erkennung. Für die Sprachanhebung ist eine korrekte Detektion erforderlich, die die Fähigkeit hat zu erkennen, ob Sprache vorhanden ist bzw. nicht vorhanden ist. Für einen Sprachanhebungsalgorithmus sind beide Erfordernisse gleich wichtig. Sprachanhebung (also zusätzliche Verstärkung) sollte nur verwendet werden, wenn Sprache vorhanden ist, und nicht, wenn kein Sprachsignal vorhanden ist. Die drei folgenden Abbildungen 2, 3 und 4 demonstrieren dieses Prinzip für sehr leise Eingänge. Leise Eingänge aus dem Grund, weil Element 16 mit einer pegelabhängigen Spracherkennung arbeitet. Wenn das gleiche Sprachsignal mit unterschiedlichen Eingangspegeln von Element 16 verarbeitet wird, wird mehr Verstärkung für leise Sprache zugegeben, als für laute Sprache. Hier ein Beispiel für leise Sprache, der beste Beweis für eine geeignete Erkennung. Abbildung 2 zeigt den Einfluss der Spracherkennung bei leiser Sprache. Die untere Grafik zeigt den zeitlichen Signalverlauf einer Frauenstimme mit einem Eingangspegel am Hörsystem von 53 db SPL. Der untere zeitliche Signalverlauf ist der Ausgangsschalldruck eines Hörsystems am 2cc-Kuppler mit aktivierter Sprachanhebung. Der 4

5 zeitliche Signalverlauf oberhalb zeigt den Ausgangsschalldruck ohne Sprachanhebung. Beim Vergleich der zwei Signalverläufe sind zwei Dinge besonders auffällig: Die der angehobenen Sprache ist wesentlich größer als die der normalen Sprache, und der Geräuschpegel (zwischen den Phonemen) ist der gleiche in beiden Wellenformen. Die obere Grafik der Abbildung 2 zeigt eine FFT der vollen 30 Sekunden der gleichen Sprachaufnahme. Der blaue Bereich zeigt den Pegel der leisen Sprache ohne Sprachanhebung. Der orange Bereich zeigt die angehobene Sprache. In diesem Beispiel ist das Signal um 5 db lauter bei aktivierter Sprachanhebung. Die momentane Anhebung variiert in Abhängigkeit des Eingangspegels, der sich stetig ändert, um ca. 5 db. Im Gegensatz dazu ist der Einfluss der Sprachanhebung auf reine Störgeräusche vernachlässigbar. Abbildung 3 zeigt eine Aufnahme von Straßenverkehr mit einer Lautstärke von rund 50 db incl. aktivierter Sprachanhebung unter den gleichen Bedingungen wie bei Abbildung 2. Der untere Signalverlauf zeigt den Ausgang mit aktivierter Sprachanhebung. Die Wellenform oberhalb zeigt den Ausgang ohne Sprachanhebung. Der blaue Bereich in der FFT-Darstellung zeigt den Pegel der leisen Sprache ohne Sprachanhebung. Der orange Bereich zeigt die angehobene Sprache mit aktivierter Sprachanhebung. In Abbildung 3 ist jedoch ein außergewöhnlicher Effekt erkennbar. Die Sprachanhebung hat keinen negativen Einfluss auf das Übertragungsverhalten bei einem reinen Störgeräusch. Die durchschnittliche ndifferenz zwischen den zwei Aufnahmen liegt bei 0,2 db. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu den 5 db Verstärkungszugabe Abbildung 2 FFT Abbildung 3 FFT db db Intensität Intensität Hz Frequenz -87 Hz Frequenz -87 5

6 SPRACHANHEBUNG in der Abbildung 2. Die Abbildung 4 zeigt eine Aufnahme, in der Sprache (53 db SPL) und Verkehrslärm (50 db SPL) gleichzeitig wiedergegeben werden. Es sind somit 3 db SNR am Mikrofon des Hörsystems messbar. Dies ist ein schwieriger, aber nicht unrealistischer SNR für einen Hörsystemträger. Das Layout der Abbildung 4 ist identisch zu den Abbildungen 2 und 3. In dieser Momentaufnahme des Signals ist die Sprachanhebung sichtbar für alle Phoneme mit einer, die größer ist, als die des Störgeräusches. Vergleicht man Abbildung 2 und 4, ist die Sprache nahezu identisch. Dies bedeutet, dass der Algorithmus Sprache in Ruhe und Sprache im Störgeräusch korrekt identifiziert und verstärkt. Betrachtet man die Störgeräuschpegel der zwei Wellenformen bezüglich der Sprachpegelspitzen, ist nahezu kein Unterschied bei der Abbildung 4 db Hz Frequenz Intensität Sprachanhebung sichtbar. Somit ist belegt, dass die Sprachanhebung Störgeräusche nicht als Sprache erkennt und somit keine Störsignale verstärkt, die zwischen den Phonemen auftaucht. Die FFT s in der Abbildung 4 zeigen den gleichen Effekt. Das angehobene Sprachsignal hat im Durchschnitt um 3 db mehr Verstärkung als das ursprüngliche Sprachsignal. Die leichte Reduktion des Effektes der Sprachanhebung, von 5 db in Abbildung 2 zu 3 db in Abbildung 4, entsteht durch den lauten Störgeräuschteppich von ca. + 3 db SNR. Ein Teil der Sprache ist in diesem Moment gerade unterhalb des Störgeräuschteppichs in einigen Bändern zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Aus diesem Grund arbeitet die Sprachanhebung in diesen Bändern zu diesen Zeitpunkten nicht. Zusätzliche Vorteile durch die pegelabhängige Sprachanhebung Abbildung 1c enthält ein Beispiel der pegelabhängigen Sprachanhebung. Der orange Bereich kennzeichnet die pegelabhängige Zugabe von Verstärkung und deren Reduzierung mit wachsendem Sprachpegel. Folglich wird das Problem der Lautheit und Sättigung komplett vermieden, während eine beträchtliche Anhebung für leise Sprache herbeigeführt wird, ohne leise Umgebungsgeräusche gleichzeitig überzuverstärken. Die Pegelabhängigkeit erlaubt eine höhere Sprachanhebung als normalerweise vom Hörsystemträger toleriert wird (im Vergleich zu konstanter Sprachanhebung). Ein Beispiel: Nachdem ein Hörsystem im First Fit eingestellt ist, wird eine zusätzliche lineare Verstärkung für laute Sprache von vielen Hörsystemträgern nicht toleriert. Grund ist in den meisten Fällen ein reduzierter Dynamikbereich. Wenn jedoch nur zusätzliche Verstärkung für leise oder entfernte Sprache angewendet wird, dann wird diese Zugabe bevorzugt. Vergleicht man Abbildung 2 mit der Abbildung 5 am Beispiel der pegelabhängigen Sprachanhebung eines Element 16, so ist der Effekt der Sprachanhebung für das gleiche Beispiel erkennbar. In Abbildung 2 zeigt Sprache 6

7 mit 53 db SPL, in Abbildung 5 mit 70 db SPL. Dies führt zu einer Anhebung von 5 db (Abbildung 2) der für leise Sprache und weniger als 1 db (Abbildung 5) für lautere Sprache. Erhöht man den durchschnittlichen Eingangspegel der Sprache weiter, ergeben sich gleiche Ausgangsschalldruckpegel egal ob Sprachanhebung eingeschaltet ist oder nicht. Bei solchen höheren Eingangspegeln wird keine Sprachanhebung angewendet. Der gleiche Ansatz für die Zielkurvenanpassung wurde bereits für Element 8 diskutiert und kann auch für Element 16 angewendet werden. In diesem Fall ist es möglich erheblich mehr Verstärkung für leise Sprache zur Verfügung zu stellen. Aus diesem Grund ist es umso wichtiger reduzierte Gesamtverstärkung für Umgebungsgeräusche im Verlauf der Anpassung anzuwenden. Interne Feldversuche zeigen, Abbildung 5 db Hz Frequenz Intensität dass diese neue Art von Sprachanhebung so effektiv arbeitet, dass es notwendig war im First Fit die Gesamtverstärkung für erfahrene Hörsystemträger zu reduzieren. Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse eines Paarvergleiches der im Verlauf des internen Feldtestes von Element 16 durchgeführt wurde. Die Probanden wurden nach Ihrer Vorliebe (Sprachanhebung an/aus/kein Unterscheid) bei leiser, moderater und lauter Sprache befragt. Von den 22 getesteten Probanden, bevorzugten nahezu 90 % die aktivierte Sprachanhebung bei leiser oder entfernter Sprache. Überraschenderweise nahezu 60 % ebenfalls die aktivierte Sprachanhebung bei moderater Sprache und 60 % berichteten keinen Unterschied zwischen aktivierter und deaktivierter Sprachanhebung bei lauter Sprache. Hörsystemträger haben keine Empfindlichkeit mehr für leise Signale. Eine wesentliche Anhebung für entfernte oder leise Sprache kann die Hörbarkeit und den Komfort verbessern. Im Gegensatz dazu liegt laute Sprache weit über der individuellen Hörschwelle und benötigt keine zusätzliche Verstärkung. Dieses Problem wird somit eindeutig gelöst, die meisten Probanden konnten keinen Unterschied zwischen aktivierter und deaktivierter Sprachanhebung bei lauter Sprache feststellen. Verwunderlich war jedoch die starke Vorliebe für aktivierte Sprachanhebung bei moderater Sprache. Vermutlich liegt der Grund darin, dass die der Sprachanhebung aufgrund des moderaten Eingangsschalldruckpegels geringer wird und die geringe zusätzliche Verstärkung bevorzugt wird. Abbildung 6 Probandenpräferenz SA (LD) 100 Prozent (%) Leise Mittel Laut Aus Ein Kein Unterschied n = 22 Eingangspegel Sprache 7

8 Zusammenfassung Sprachanhebungsalgorithmen haben bisher nur geringen Vorteil für das Sprachverstehen in Gesellschaft gebracht. Die Vorteile wurden begrenzt durch die Klangqualität hinsichtlich Lautheit und Verzerrung. Mit der Einführung von Element 16 und Element 8 demonstriert Unitron Hearing einen neuen Ansatz der Sprachanhebung. Durch die kontrollierte Anwendung der Sprachanhebung ist bei höheren Ausgangsschalldruckpegeln Verzerrung kein Problemfall mehr. Durch die Änderung des Verstärkungsmodells (Modifizierung der First Fit-Einstellung) zu Beginn der Anpassung, kann die Sprachanhebung verwendet werden, um eine Zielkurvenanpassung nur für Sprache zu erreichen, während geringere Verstärkung für Umgebungsgeräusche angewendet wird. Die pegelabhängige Sprachanhebung kontrolliert adaptiv für unterschiedliche Sprachpegel den zusätzlichen Verstärkungsbedarf in sprachdominanten Bändern. Literaturverzeichnis 1. Henderson, D. and R.P. Hamernik. (1986) Impulse noise: critical review. The Journal of the Acoustical Society of America, 80(2): Voigt, P., B. Godenhielm, and E. Ostlund. (1980) Impulse noise - measurement and assessment of the risk of noise induced hearing loss. Scandinavian Audiology. Supplementum, (Suppl 12): Hellstrom, P.A., H.A. Dengerink, and A. Axelsson. (1992) Noise levels from toys and recreational articles for children and teenagers. British Journal of Audiology, 26(5): Fidell, S., L. Silvati, and K. Pearsons. (2002) Relative rates of growth of annoyance of impulsive and nonimpulsive noises. The Journal of the Acoustical Society of America, 111(1 Pt 2): Hiramatsu, K., K. Takagi, and T. Yamamoto. (1983) Experimental investigation on the effect of some temporal factors of nonsteady noise on annoyance. The Journal of the Acoustical Society of America, 74(6): Dornic, S. and T. Laaksonen. (1989) Continuous noise, intermittent noise, and annoyance. Perceptual and Motor Skills, 68(1): Palmer, C.V., R. Bentler, and H.G. Mueller. (2006) Amplification with digital noise reduction and the perception of annoying and aversive sounds. Trends in Amplification, 10(2): Autor Don Hayes, PhD, Director of Audiology A4

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