EP0054450B1 - Perfectionnements aux dispositifs de prothèse auditive - Google Patents

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EP0054450B1
EP0054450B1 EP19810401782 EP81401782A EP0054450B1 EP 0054450 B1 EP0054450 B1 EP 0054450B1 EP 19810401782 EP19810401782 EP 19810401782 EP 81401782 A EP81401782 A EP 81401782A EP 0054450 B1 EP0054450 B1 EP 0054450B1
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image
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Jean-Claude Lafon
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R25/00—Electric hearing aids
    • H04R25/35—Electric hearing aids using translation techniques
    • H04R25/353—Frequency, e.g. frequency shift or compression

Definitions

  • the invention is intended for hearing aid devices, devices intended to remedy deafness by enabling deaf people to understand human speech, and it relates more particularly, but not exclusively, among these devices, those intended to remedy insufficiency hearing loss of severely disabled deaf or "deep deaf in them.” making said speech intelligible.
  • the deep deaf perceive only the sounds whose amplitude is sufficiently high and whose frequency is relatively low and generally located in the range of frequencies between 20 and 1000 Hz, range which will be designated hereinafter by the expression "spectrum audible by the deaf”.
  • Prosthesis devices based on this principle give great satisfaction and allow to solve, to a certain extent, the problem of deep deafness.
  • the above formula amounts to transforming the acoustic components having frequencies 2,000 and 3,000 Hz respectively strictly identical information, knowing in two identical fractions and superimposed with the same serious transposition sound.
  • the invention according to claim 1 aims, above all, to remedy the loss of information observed in these different known transposition formulas.
  • the hearing aid devices of the above type according to the invention include means for transposing the different slices of the overall acoustic signal received at each instant, contained respectively in the different useful bands, into as many image slices located in the spectrum audible by the deaf and respectively constituting faithful images amplified in amplitude, but compressed and reduced in frequency, of said slices, the amplitude modulation of each image being similar to that of the corresponding slice, but the frequency in each point of this image being equal to a fraction 1 / n of the frequency at the corresponding point of said section and the reduction rate n being a number greater than 1, preferably an integer, which is the same for all the points of a section given, the different image slices are staggered in the spectrum audible by the deaf, which corresponds to different reduction rates n for c
  • the sampling time adopted for the removal of the amplitude envelope from each slice, intended to modulate the amplitude of the corresponding image slice is between 0.8 and 1.2 ms .
  • the invention includes, apart from these main provisions, certain other provisions which are preferably used at the same time and which will be more explicitly discussed below.
  • these signals are of two types, developed respectively from the sound information contained respectively in two useful bands C and D of the spectrum inaudible to the deaf.
  • the first image slice c 1 corresponds to a faithful image of the slice Ci but amplified in amplitude and “compressed in frequency with a reduction rate of 3.
  • this image c 1 has an amplitude modulation similar to that of the slice Ci which it reproduces, but at each of the points m of this image, the amplitude is higher and the frequency f is equal to one third of the frequency F at the corresponding point M of said section C 1 .
  • the image c 1 corresponds to the slice C 1 amplified in amplitude and divided by three in frequency.
  • the acoustic transposition carried out corresponds to a change of octave preserving the “tonal quality of the transposed acoustic information: the“ notes remain the same , but are changed octave.
  • this image c 1 As regards the amplitude modulation of this image c 1 , it is carried out from the envelope of the amplitude of the signal slice C 1 and this envelope is taken with a sampling time of less than 1 , 2 ms: in other words, in the transposition performed, the vibrational quality is preserved, portions of original acoustic signals, the periodicity of which is less than 1.2 ms, that is to say the laryngeal vibrations. of these portions, which are characteristic of the height of the human voice.
  • sampling time in question is given a value between 0.8 and 1.2 ms.
  • the image d 1 is formed from the signal slice D 1 by means of amplification of amplitude and a frequency division of the latter, but here by the factor 6.
  • the amplified sound message thus reconstituted proves to be very rich in information and particularly suited to the understanding of human speech.
  • the graph of FIG. 1 - just like that of FIG. 2 - is only a diagram making it possible to explain the frequency divisions carried out according to the invention: the bands c and d are not hatched on this diagram that to clearly distinguish them from other bands; it is also for the sake of distinction that they have been given a higher amplitude than that of the other bands.
  • the amplitudes of the image signals C1 and d 1 should not be counted from the x-axis, but from the amplitudes of the signals (not shown) which are directly received in the corresponding range. between 500 and 1000 Hz, the two amplitudes considered overlapping.
  • each of the slices C 1 and D i a certain number of successive and contiguous frequency sub-bands selected using appropriate filters, then transform the signal fractions contained in each of the sub -bands thus selected into an alternating electrical signal, after which the frequency of this signal is divided by the reduction rate n desired for the section considered by removing, in said alternating signal, n-1 alternations over n, and finally the reduced frequency signal thus obtained so as not only to compensate for the loss of energy due to the above suppression, but also to reach the zone audible by the deaf.
  • each fraction of a slice corresponding to one of the sub-bands defined above is transformed into a coded train of pulses whose number is linked to the frequency of said fraction, then a certain number of these are deleted.
  • pulses (know n-1 over n, if one wishes to ensure a division by the factor n) and finally one proceeds to an amplification as in the preceding case of a signal whose reduced frequency is related to the number of the remaining pulses.
  • FIG. 2 The embodiment shown diagrammatically in FIG. 2 is based on the same principles as the previous diagram shown in FIG. 1.
  • This second embodiment differs from the previous one in that the number of useful bands of the spectrum inaudible to the deaf is here equal to 3 and no longer to 2 in that the reduced-frequency images reconstructed from the signal slices included in these three useful bands here occupy the frequency band between 600 and 2000 Hz.
  • the three image bands r, s and t corresponding respectively to the three image slices follow one another in the frequency band between 600 Hz and 2000 Hz without overlapping.

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Description

  • L'invention est destinée aux dispositifs de prothèse auditive, dispositifs destinés à porter remède aux surdités en permettant aux sourds de comprendre la parole humaine, et elle concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, parmi ces dispositifs, ceux destinés à remédier à l'insuffisance de capacité auditive des sourds gravement atteints ou « sourds profonds en leur . rendant intelligible ladite parole.
  • On rappelle que les sourds profonds perçoivent uniquement les sons dont l'amplitude est suffisamment élevée et dont la fréquence est relativement basse et généralement située dans la gamme des fréquences comprises entre 20 et 1 000 Hz, gamme qui sera désignée dans la suite par l'expression « spectre audible par le sourd ».
  • Pour fournir à ces sourds des informations auditives relatives au reste de la gamme des fréquences correspondant à la parole humaine, c'est-à-dire de 1 000 à 7 000 OU 8 000 Hz, il a été proposé de transformer en sons graves, audibles par ces sourds, les sons aigus correspondant audit reste de la gamme, lequel reste sera désigné dans la suite par l'expression « spectre inaudible aux sourds ».
  • Pour atteindre ce but, le demandeur a lui-même proposé une solution intéressante dans son brevet France n° 1 382 916.
  • Cette solution est basée sur la découverte qu'il n'est pas indispensable, pour la compréhension de la parole humaine, de connaître la totalité des informations contenues dans le spectre inaudible aux sourds : il suffit à cet effet de prélever les informations acoustiques situées dans certaines bandes de ce spectre ne couvrant au total qu'une partie de celui-ci, bandes dites ci-après « bandes utiles ".
  • Dans son brevet ci-dessus, le demandeur a proposé à cet effet de transposer les portions, des sons reçus, dont les fréquences sont comprises dans deux bandes utiles distinctes du spectre inaudible aux sourds en les remplaçant respectivement par deux sons graves de fréquence unique modulés respectivement par les courbes enveloppes des amplitudes des deux dites portions, chacun de ces deux sons graves de transposition pouvant être un son pur sinosoïdal.
  • Les dispositifs de prothèse basés sur ce principe donnent de grandes satisfactions et permettent de résoudre, dans une certaine mesure, le problème de la surdité profonde.
  • Mais le demandeur a constaté qu'il était possible d'améliorer encore les dispositifs basés sur le principe ci-dessus.
  • Il a remarqué en effet que la transformation du signal acoustique contenu dans une bande utile de fréquence en un son grave unique, même si ce son est modulé en amplitude en fonction de l'enveloppe des amplitudes de cette bande, entraînait certaines pertes d'information pouvant conduire à des difficultés d'interprétation du message sonore global reçu par le sourd.
  • C'est ainsi par exemple que, si l'une des deux bandes utiles choisies est celle comprise entre 1 500 à 3 500 Hz, la formule ci-dessus revient à transformer les composantes acoustiques ayant respectivement pour fréquences 2 000 et 3 000 Hz en des informations rigoureusement identiques, savoir en deux fractions identiques et superposées d'un même son grave de transposition.
  • Il a été proposé par ailleurs (article de I.B. THOMAS et al intitulé « The intelligibility of speech transposed downward in frequency by one octave », paru aux pages 56 à 62 du volume 18, n° 1 de la revue JOURNAL OF THE AUDIO ENGINEERING SOCIETY - février 70, New York) de transposer une tranche, du signal acoustique global reçu à chaque instant, contenue dans une bande utile de ce signal, savoir le second formant, en une tranche-image située dans le spectre audible par le sourd et constituant une image fidèle de la tranche ci-dessus, mais comprimée et réduite de moitié en fréquence. Cette formule concerne la transposition d'une tranche unique, ce qui écarte du signal transposé toute information provenant d'une partie utile importante du signal acoustique considéré.
  • L'invention selon la revendication 1 a pour but, surtout, de remédier aux pertes d'information observées dans ces différentes formules de transpositions connues.
  • A cet effet les dispositifs de prothèse auditive du type ci-dessus selon l'invention, comportent des moyens pour transposer les différentes tranches, du signal acoustique global reçu à chaque instant, contenues respectivement dans les différentes bandes utiles, en autant de tranches-images situées dans le spectre audible par le sourd et constituant respectivement des images fidèles amplifiées en amplitude, mais comprimées et réduites en fréquence, desdites tranches, la modulation d'amplitude de chaque image étant semblable à celle de la tranche correspondante, mais la fréquence en chaque point de cette image étant égale à une fraction 1/n de la fréquence au point correspondant de ladite tranche et le taux de réduction n étant un nombre supérieur à 1, de préférence entier, qui est le même pour tous les points d'une tranche donnée, les différentes tranches-images s'échelonnent jointivement dans le spectre audible par le sourd, ce qui correspond à des taux de réduction n différents pour ces différentes tranches-images, le temps d'échantillonnage adopté pour le prélèvement de l'enveloppe d'amplitude de chaque tranche, destinée à moduler l'amplitude de la tranche-image correspondante, est compris entre 0,8 et 1,2 ms.
  • Dans les modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes :
    • - les bandes utiles de fréquence sont au nombre de deux, comprises respectivement entre environ 1 500 Hz et environ 2 400 Hz et entre environ 4 800 Hz et environ 6 000 Hz, et les taux de réduction appliqués à ces deux bandes sont respectivement de 3 et de 6,
    • - les bandes utiles de fréquence sont au nombre de trois, comprises respectivement entre environ 1 200 Hz et environ 2 000 Hz, entre environ 3 000 Hz et environ 4 500 Hz et entre environ 6 000 Hz et environ 8 000 Hz, et les taux de réduction appliqués à ces trois bandes sont respectivement de 2, 3 et 4,
    • - le dispositif comprend des moyens pour amplifier d'un taux relativement élevé toutes les portions acoustiques, des sons normalement reçus, dont la fréquence est inférieure à environ 500 Hz, et pour réduire ce taux d'amplification progressivement jusqu'à 1 000 Hz et au-delà, le temps d'échantillonnage adopté pour l'amplification étant compris entre 0,8 et 1,2 ms.
  • L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement question ci-après.
  • Dans ce qui suit, l'on va décrire deux modes de réalisation préférés de l'invention en se référant au dessin ci-annexé d'une manière bien entendu non limitative.
    • La figure 1, de ce dessin, est un graphique permettant d'expliquer une application de l'invention à un appareil de prothèse auditive pour sourds profonds.
    • La figure 2 est un graphique relatif à une variante d'application de l'invention concernant le traitement d'une surdité moins profonde que la précédente.
  • Sur chacun de ces graphiques, les fréquences f des sons reçus à traiter sont portés en abscisses et leurs amplitudes, en ordonnées.
  • Dans chaque cas, on fait comprendre à l'appareil de prothèse concerné :
    • - des moyens pour recevoir intégralement les portions, convenablement amplifiées, des signaux acoustiques, comprises dans la bande des fréquences inférieures à 500 Hz, portions audibles par les sourds, même profonds, ainsi qu'il a été schématisé par le tronçon de courbe A,
    • - et des moyens pour recevoir avec un taux d'amplification progressivement décroissant vers les fréquences élevées les portions, des signaux acoustiques, comprises dans la bande des fréquences allant de 500 à 1 000 Hz et au-delà, comme schématisé par le tronçon de courbe B
  • Cet effacement partiel de la zone du spectre audible comprise entre 500 et 1 000 Hz permet de libérer en partie cette zone pour y injecter les signaux artificiels porteurs d'informations utiles dont il va être question ci-après.
  • Dans le cas de la figure 1, ces signaux sont de deux types, élaborés respectivement à partir des informations sonores contenues respectivement dans deux bandes utiles C et D du spectre inaudible aux sourds.
  • Ces deux bandes sont ici celles comprises respectivement entre 1 500 et 2 400 Hz (bande C) et entre 4 800 et 6 000 Hz (bande D).
  • A partir des tranches de signaux acoustiques Ci et D1 contenues respectivement dans ces deux bandes C et D, on élabore deux « tranches-images » c1 et d1 contenues respectivement dans la bande c comprise entre 500 et 800 Hz et dans la bande d comprise entre 800 et 1 000 Hz.
  • La première tranche-image c1 correspond à une image fidèle de la tranche Ci mais amplifiée en amplitude et « comprimée en fréquence avec un taux de réduction de 3.
  • Plus précisément, cette image c1 présente une modulation d'amplitude semblable à celle de la tranche Ci qu'elle reproduit, mais en chacun des points m de cette image, l'amplitude est plus élevée et la fréquence f est égale au tiers de la fréquence F au point correspondant M de ladite tranche C1.
  • En somme l'image c1 correspond à la tranche C1 amplifiée en amplitude et divisée par trois en fréquence.
  • Il résulte du choix d'un nombre entier (ici 3) adopté pour le taux de division, que la transposition acoustique effectuée correspond à un changement d'octave conservant la qualité « tonale de l'information acoustique transposée : les « notes restent les mêmes, mais sont changées d'octave.
  • Pour ce qui est de la modulation d'amplitude de cette image c1, elle est effectuée à partir de l'enveloppe de l'amplitude de la tranche de signal C1 et cette enveloppe est prélevée avec un temps d'échantillonnage inférieur à 1,2 ms : en d'autres termes, on conserve dans la transposition effectuée la qualité vibratoire, des portions de signaux acoustiques d'origine, dont la périodicité est inférieure à 1,2 ms, c'est-à-dire les vibrations laryngées de ces portions, lesquelles sont caractéristiques de la hauteur de la voix humaine.
  • Cette observation présente un grand intérêt pour la reconstitution intellectuelle de la voix humaine par le sourd équipé de la prothèse considérée.
  • D'une façon plus générale, on donne au temps d'échantillonnage en question une valeur comprise entre 0,8 et 1,2 ms.
  • On choisit semblablement la constante de temps pour les diverses amplifications, pour la même raison que précédemment.
  • Exactement dans les mêmes conditions que pour l'image ci, l'image d1 est formée à partir de la tranche de signaux D1 moyennant une amplification d'amplitude et une division en fréquence de cette dernière, mais ici par le facteur 6.
  • Ceci étant, on peut faire les deux constatations suivantes :
    • - les deux images ci et dl s'étendent chacune sur une bande de fréquences relativement large au lieu d'être constituées par des sons graves de fréquence unique : il en résulte un transfert d'information beaucoup plus riche et complet que dans l'hypothèse de ces sons graves uniques,
    • - les bandes de fréquences c et d dans. lesquelles sont contenues respectivement les deux images c1 et d1 se succèdent jointivement dans la gamme des fréquences, de sorte qu'elles occupent ensemble la totalité de la zone comprise entre 500 et 1 000 Hz qui a été partiellement libérée de la manière prévue plus haut pour recevoir les sons transposés, et ce sans se gêner mutuellement par un chevauchement partiel desdites bandes.
  • Le message sonore amplifié ainsi reconstitué se révèle très riche en informations et particulièrement adapté à la compréhension de la parole humaine.
  • Le graphique de la figure 1 -tout comme d'ailleurs celui de la figure2-n'est qu'un schéma permettant d'expliciter les divisions de fréquence effectuées selon l'invention : les bandes c et d ne sont hachurées sur ce schéma que pour bien les distinguer des autres bandes ; c'est également dans ce souci de distinction qu'on leur a donné une amplitude supérieure à celle des autres bandes. De plus, en toute rigueur, les amplitudes des signaux-images C1 et d1 ne devraient pas être comptées à partir de l'axe des abscisses, mais à partir des amplitudes des signaux (non représentés) qui sont directement reçus dans la gamme correspondante comprise entre 500 et 1 000 Hz, les deux amplitudes considérées se superposant.
  • On peut procéder de toute manière désirable pour assurer la transposition de chaque tranche de signal Ci OU D1 en son image de fréquence réduite C1 ou d1.
  • C'est ainsi qu'on peut considérer dans chacune des tranches C1 et Di un certain nombre de sous-bandes de fréquences successives et jointives sélectées à l'aide de filtres appropriés, puis transformer les fractions de signal contenues dans chacune des sous-bandes ainsi sélectées en un signal électrique alternatif, après quoi on divise la fréquence de ce signal par le taux de réduction n désiré pour la tranche considérée en supprimant, dans ledit signal alternatif, n-1 alternances sur n, et enfin on amplifie le signal à fréquence réduite ainsi obtenu de façon non seulement à compenser la perte d'énergie due à la suppression ci-dessus, mais aussi à atteindre la zone audible par le sourd.
  • Selon une variante, on transforme chaque fraction de tranche correspondant à l'une des sous-bandes définies ci-dessus en un train codé d'impulsions dont le nombre est lié à la fréquence de ladite fraction, puis on supprime un certain nombre de ces impulsions (savoir n-1 sur n, si l'on désire assurer une division par le facteur n) et enfin on procède à une amplification comme dans le cas précédent d'un signal dont la fréquence réduite est liée au nombre des impulsions restantes.
  • On peut également faire appel, pour assurer chacune des divisions de fréquence, à un circuit logique, à un micro-processeur ou à tout autre dispositif désirable.
  • Le mode de réalisation schématisé sur la figure 2 est basé sur les mêmes principes que le précédent schématisé sur la figure 1.
  • Il s'applique au traitement de sourds moins gravement atteints que dans le cas précédent, ceux-ci étant capables d'entendre les sons jusqu'à une fréquence d'au moins 2000 Hz.
  • Ce deuxième mode de réalisation diffère du précédent en ce que le nombre des bandes utiles du spectre inaudible aux sourds est ici égal à 3 et non plus à 2 en ce que les images à fréquence réduite reconstituées à partir des tranches de signaux comprises dans ces trois bandes utiles occupent ici la bande des fréquences comprises entre 600 et 2 000 Hz.
  • Plus précisément, les trois bandes en question s'étendent respectivement :
    • - la première, R, d'environ 1 200 Hz à environ 2 000 Hz,
    • - la seconde, S, d'environ 3 000 Hz à environ 4 500 Hz,
    • - la troisième, T, d'environ 6 000 Hz à environ 8 000 Hz.
  • Les trois images correspondantes r, s et t sont obtenues à partir des tranches de signaux acoustiques comprises dans ces trois bandes R, S et T par des amplifications d'amplitude et divisions de fréquence dont les diviseurs sont respectivement égaux à 2, 3 et 4, ces tranches-images occupant donc respectivement :
    • - la première, r, la bande de fréquence comprise entre environ 600 et environ 1 000 Hz,
    • - la seconde, s, la bande de fréquence comprise entre environ 1 000 et environ 1 500 Hz,
    • - et la troisième, t, la bande de fréquence comprise entre environ 1 500 et environ 2 000 Hz.
  • Comme dans la première variante, les trois bandes-images r, s et t correspondant respectivement aux trois tranches-images se succèdent dans la bande de fréquence comprise entre 600 Hz et 2 000 Hz sans se chevaucher.
  • Pour éviter tout risque de traumatisme de l'oreille équipée de l'appareil de prothèse décrit ci-dessus lors de l'application sur elle des sons amplifiés élaborés par cet appareil, on fait comprendre audit appareil des moyens pour supprimer automatiquement tous ceux, de ces sons amplifiés, qui présentent à la fois une amplitude trop importante et une vitesse d'établissement trop élevée : on met en oeuvre avantageusement à cet effet les enseignements du brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 458 669 dont le demandeur est co-inventeur.
  • En suite de quoi et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose finalement d'un appareil de prothèse auditive dont la construction, le fonctionnement et les avantages résultent suffisamment de ce qui précède.
  • Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes qui tombent dans les revendications.

Claims (4)

1. Dispositif de prothèse auditive comprenant des moyens pour prélever des tranches de signaux acoustiques (C,D,R,S,T) contenues respectivement dans différentes bandes de fréquences utiles situées dans le spectre inaudible aux sourds et pour les transposer en des signaux acoustiques dont l'amplitude est suffisante et dont la fréquence est contenue dans le spectre audible aux sourds, caractérisé en ce que ces moyens sont agencés de façon à donner à ces derniers signaux la forme de tranches-images (c, d,r,s,t) des tranches ci-dessus (C,D,R,S,T) constituant respectivement des images fidèles amplifiées en amplitude, mais comprimées et réduites en fréquence, desdites tranches, la modulation d'amplitude de chaque image étant semblable à celle de la tranche correspondante, mais la fréquence en chaque point de cette image étant égale à une fraction 1/n de la fréquence au point correspondant de ladite tranche et le taux de réduction n étant un nombre supérieur à 1, de préférence entier, qui est le même pour tous les points d'une tranche donnée, en ce que les différentes tranches-images (c,d,r,s,t) s'échelonnent jointivement dans le spectre audible par le sourd, ce qui correspond à des taux de réduction n différents pour ces différentes tranches-images, et en ce que le temps d'échantillonnage adopté pour le prélèvement de l'enveloppe d'amplitude, de chaque tranche, destinée à moduler l'amplitude de la tranche-image correspondante, est compris entre 0,8 et 1,2 ms.
2. Dispositif de prothèse auditive selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bandes utiles de fréquence sont au nombre de deux, comprises respectivement entre environ 1 500 Hz et environ 2 400 Hz et entre environ 4 800 Hz et environ 6 000 Hz, et en ce que les taux de réduction appliqués à ces deux bandes sont respectivement de 3 et de 6.
3. Dispositif de prothèse auditive selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bandes utiles de fréquence sont au nombre de trois, comprises respectivement entre environ 1 200 Hz et environ 2 000 Hz, entre environ 3 000 Hz et environ 4 500 Hz et entre environ 6 000 Hz et environ 8 000 Hz, et en ce que les taux de réduction appliqués à ces trois bandes sont respectivement de 2, 3 et 4.
4. Dispositif de prothèse auditive selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour amplifier d'un taux relativement élevé toutes les portions acoustiques, des sons normalement reçus, dont la fréquence est inférieure à environ 500 Hz, et pour réduire ce taux d'amplification progressivement jusqu'à 1 000 Hz et au-delà, le temps d'échantillonnage adopté pour les portions amplifiées étant compris entre 0,8 et 1,2 ms.
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