Hörgeräte sind heutzutage aus dem Leben zahlreicher Menschen nicht mehr wegzudenken. Erlauben sie es doch, auch bei stärkerer Hörbehinderung, problemlos an allen möglichen Formen der Kommunikation teilzunehmen. Hörgeräte sind Schallverstärker, deren Aufgabe im wesentlichen darin besteht, den Schalldruckpegel von Sprache oder anderen für den Hörbehinderten bestimmten akustischen Informationen zu verstärken, also auf einen Pegel anzuheben, bei dem der Schwerhörende die Information trotz seines Leidens wahrnehmen und vor allem auch verstehen kann. Die ersten „Hörgeräte“ waren Hörfächer, Hörschläuche und Hörrohre, deren Formen und Ausführungen stark variierten. Bereits Ludwig van Beethoven ließ sich in den Jahren 1812 - 1814 eine Reihe verschieden geformter Hörrohre anfertigen. Bei einer großangelegten Untersuchung in mehreren Industrieländern im Jahre 1978 zeigte sich, daß ca. 12% der Bevölkerung an Hörstörungen leidet. Durch die immer größer werdende Lebenserwartung und die Zunahme hoher Schallpegel im Alltag ist ein weiterhin steigender Bedarf an Hörhilfen zu erwarten.
Inhaltsverzeichnis
1 Hörgeräte
1.1 Ausführung moderner Hörgeräte
1.2 Funktion moderner Hörgeräte
1.3 Bestimmung der akustischen Eigenschaften
2 Theoretische Grundlagen
2.1 Audiologische Grundbegriffe
2.1.1 Schall
2.1.2 Hörschwelle
2.1.3 Oktave
2.1.4 Weißes Rauschen
2.1.5 Pegel
2.1.6 6dB-Abstandsgesetz
2.1.7 Lautstärke
2.2 Systemtheorie
2.2.1 Fourier-Reihe
2.2.2 Fourier-Transformation
2.2.3 Diskrete Fourier-Transformation (DFT)
2.2.4 Fast Fourier Transformation (FFT)
2.2.5 Inverse Fast Fourier Transformation (IFFT)
2.2.6 Lineare und nichtlineare Systeme
2.3 Statistische Grundbegriffe
2.3.1 Stochastische Signale („Random Data“)
2.3.2 Korrelation
2.3.3 Spektrale Dichtefunktion
3 Messung der Übertragungsfunktion
3.1 Bisheriges Meßverfahren für lineare Hörgeräte
3.1.1 ISO 118-0 und 118-2
3.1.2 Sinus-Sweep
3.2 Messung mit dem Spektrum-Analyzer
3.2.1 Erzeugung der Rauschsignale
3.2.2 Ablauf der Messung
4 Verwendete Geräte
4.1 Blockschaltbild
4.2 Meßbox
4.2.1 Lautsprecher
4.2.2 Mikrofon
4.2.3 Frequenzgang der Messbox
4.3 VXI-Meßsystem
4.3.1 Eigenschaften der Hardware
4.3.2 Betriebssystem
4.3.3 Programmiersprache
5 Erstellung der Programme
5.1 Messung der Signale mit dem VXI-System
5.1.1 Programm messen.fp
5.1.2 Include-Datei vxi.inc
5.2 Ausgabe der Meßergebnisse auf einem PC
5.2.1 Programm plot.c
6 Meßergebnisse
6.1 Messung mit dem virtuellen Spektrum-Analyzer VI7627
6.1.1 Spektrum Weißes Rauschen
6.1.2 Frequenzgang der Meßbox
6.1.3 Abhängigkeit des Frequenzganges vom Pegel
6.1.4 Beurteilung des Meßaufbaus
6.2 Messung mit dem erstellten Programmen
6.2.1 Test des Systems
6.2.2 Messung von Hörgeräten
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, ein automatisiertes Messverfahren für moderne, nichtlineare Hörgeräte zu entwickeln, da klassische lineare Messmethoden für diese komplexen Systeme unzureichend sind. Durch die Anwendung systemtheoretischer Verfahren und stochastischer Signale (Weißes Rauschen) soll eine effiziente Ermittlung der Übertragungsfunktion ermöglicht werden.
- Systemtheoretische Grundlagen der Signalverarbeitung
- Messung nichtlinearer Übertragungssysteme mittels Spektrum-Analyzer
- Implementierung von Mess- und Auswerteprogrammen (VXI-System und PC)
- Kalibrierung und Validierung des Messaufbaus (Meßbox)
- Vergleichende Analyse der Messergebnisse bei verschiedenen Eingangspegeln
Auszug aus dem Buch
3.1.2 Sinus-Sweep
Bei dieser Meßmethode werden einzelne Sinussignale verwendet, um die Übertragungsfunktion von Hörgeräten zu ermitteln. Bei dieser sogenannten Sweep-Messung werden alle Frequenzen schrittweise durchlaufen und es wird bei jeder Frequenz die Verstärkung gemessen (Abbildung 14). Dies bringt folgende Nachteile mit sich:
Es wird jeweils bei einem sinusförmigen Eingangssignal, also bei genau einer einzigen Frequenz gemessen. Am Ausgang ermittelt man den Effektivwert des Ausgangssignals, und geht davon aus, daß dort dieselbe Frequenz anliegt. Durch die nichtlinearen Eigenschaften des Systems sind jedoch im Ausgangssignal Oberwellen enthalten, was bei der Messung nicht berücksichtigt wird. Der gemessene Ausgangspegel setzt sich also neben der Testfrequenz noch aus anderen Frequenzen zusammen. Somit enthält das Meßergebnis bei nichtlinearen Systemen einen systematischen Fehler.
Zur Ermittlung der Verstärkung ist der Ausgangs- und der Eingangspegel erforderlich. Da jedoch auch das Eingangssignal des Hörgerätes (entspricht dem Ausgangspegel des Frequenzgenerators) von der Frequenz abhängt, ist der Eingangspegel des Systems nicht konstant. Daher muß entweder bei jeder Frequenz der Eingangs- und der Ausgangspegel gemessen werden, oder es muß durch den Einsatz eines aufwendigen Regelkreises (Abbildung 15) gewährleistet sein, daß der Pegel des Eingangssignals immer gleichbleibt.
Da sich das System bei jeder Messung immer erst einschwingen muß, dauert der Sweep über den gewählten Frequenzbereich relativ lange, z.B. 60 Sekunden bei 300 Meßschritten und jeweils 200ms Einschwingzeit.
In den letzten Jahren sind zahlreiche Typen von Hörgeräten entwickelt worden, die komplexe und nichtlineare Signalverarbeitungsalgorithmen anwenden. Die herausragenden Eigenschaften dieser Geräte können nicht durch Messungen mit einzelnen Tonsignalen ermittelt werden. /2/, /12/
Zusammenfassung der Kapitel
1 Hörgeräte: Einführung in die Entwicklung, Funktion und die notwendige Anpassung moderner Hörgeräte zur individuellen Hörverlustkompensation.
2 Theoretische Grundlagen: Erläuterung der audiologischen Grundbegriffe, systemtheoretischer Konzepte wie Fourier-Transformation und stochastischer Signalverarbeitung.
3 Messung der Übertragungsfunktion: Vergleich klassischer linearer Messverfahren wie dem Sinus-Sweep mit moderneren, auf Spektrum-Analyzer basierenden Methoden für nichtlineare Systeme.
4 Verwendete Geräte: Beschreibung des Versuchsaufbaus inklusive des VXI-Messsystems und der modifizierten Messbox zur Kalibrierung und akustischen Wandlung.
5 Erstellung der Programme: Detaillierte Darstellung der Softwareentwicklung unter FELIX PASCAL für das VXI-System sowie der grafischen PC-Auswertung mit Quick-C.
6 Meßergebnisse: Präsentation und Diskussion der Messergebnisse bei unterschiedlichen Signalpegeln, inklusive Kalibrierung, Validierung und Anwendung auf ein reales Hörgerät.
7 Zusammenfassung: Bewertung des entwickelten Messverfahrens als effiziente Methode für die Analyse nichtlinearer Übertragungsmerkmale moderner Hörgeräte.
Schlüsselwörter
Hörgeräte, Übertragungsfunktion, Nichtlineare Systeme, Spektrum-Analyzer, Stochastische Signale, VXI-Messsystem, Frequenzgang, Signalverarbeitung, Fourier-Transformation, Automatische Verstärkungsregelung, Messbox, Systemtheorie, Weißes Rauschen, Verstärkung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit primär?
Der Autor befasst sich mit der Entwicklung und Implementierung eines automatisierten Messverfahrens für moderne Hörgeräte, die aufgrund ihrer komplexen Signalverarbeitung ein nichtlineares Übertragungsverhalten aufweisen.
Welches wissenschaftliche Hauptproblem wird adressiert?
Herkömmliche Messverfahren nach ISO-Normen, die von linearen Systemen ausgehen, sind für die heutige Generation von Hörgeräten mit automatischen Verstärkungsregelungen und komplexen Algorithmen unzureichend.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, das von J.G. Bendat vorgeschlagene Verfahren für nichtlineare Systeme mittels stochastischer Signale für die Hörgerätemessung nutzbar zu machen, um präzise Frequenzgänge "auf Knopfdruck" zu ermitteln.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Arbeit verknüpft audiologische Grundlagen, statistische Systemtheorie, digitale Signalverarbeitung (FFT/DFT) und die praktische Umsetzung in Form von Hard- und Software (VXI-System und PC-Programme).
Was ist der Kern der methodischen Vorgehensweise?
Statt eines langsamen Sinus-Sweeps wird ein stochastisches Breitband-Rauschsignal verwendet. Dies erlaubt eine gleichzeitige Anregung aller relevanten Frequenzen, wodurch die Einschwingzeit reduziert und eine schnellere, genauere Bestimmung der Übertragungsfunktion ermöglicht wird.
Welche Werkzeuge und Hardware werden genutzt?
Zum Einsatz kommt ein "Modular Test System" (VXI-Standard) der Firma Brüel & Kjaer. Die Ansteuerung der Module erfolgt über FELIX PASCAL, während die grafische Aufbereitung und Dokumentation der Daten durch in Quick-C geschriebene Programme auf einem PC erfolgt.
Welche Rolle spielt die „Meßbox“?
Die Messbox dient dazu, reproduzierbare akustische Bedingungen zu schaffen. Da Lautsprecher und Mikrofone selbst einen Frequenzgang haben, muss dieser durch eine Referenzmessung bestimmt und bei den Messergebnissen des Hörgerätes kompensiert werden.
Was ist das Fazit zur „Stückweisen Linearisierung“?
Da das Hörgerät ein bilineares System (abhängig von Pegel und Frequenz) darstellt, wird der Pegel als konstanter Parameter betrachtet. Durch Messreihen bei verschiedenen Pegeln (50-90 dB) kann das nichtlineare Verhalten dennoch vollständig erfasst werden.
- Citation du texte
- Marc Behl (Auteur), 1995, Messen eines nichtlinearen Übertragungssystems an modernen Hörgeräten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/185150
