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辅听耳机产品及方案介绍

从 2020 年开始,随着 TWS 耳机的快速发展和市场竞争进入红海,做 TWS 的创新趋势,辅听耳机也越来越受到关注。辅听耳机也从概念阶段进入到了方案实施阶段。在这里,我们对辅听耳机做个系列介绍。

这个系列文章分为 3 个部分:

  1. 辅听耳机的源起和定义。

  2. 辅听耳机的标准:技术标准,功能与性能标准。

  3. 辅听耳机产品及方案商:国内外厂商及方案介绍

在第 1 章“辅听耳机的源起和定义”和第 2 章“辅听耳机标准”里,我们介绍了辅听耳机的定义和标准。在本章,我们先讨论辅听耳机的核心算法技术,以了解辅听功能的要点和难点。在此之上,我们讨论市场上出现的具有辅听功能的耳机产品,包括苹果和三星的耳机,以及辅听耳机方案商。

 

  一、辅听耳机的核心技术:算法及其难点 

 

辅听耳机的算法基本是沿用助听器的思路和框架,可以认为是助听器算法的降维。因此,我们在这里就用医疗级助听器的算法框架来分析辅听算法的要点和难点。

 

 1.1 TWS 耳机与助听器/辅听耳机的不同 

 

TWS 耳机,或一般的耳机,与助听器/辅听耳机最大的不同是在对话的使用场景上。

  • 耳机对话:讲话者(speaker)在本地,听话者(listener)在远方,比如一个在北京,一个在深圳,距离千里。
  • 助听/辅听对话:讲话者(speaker)在本地,听话者(listener)也在本地,比如在共同就餐或会议,距离只有几米。

这个导致耳机与助听器的算法完全不一样,对比如表 1 。

​表 1 :助听器与耳机的场景及算法的不同

1.2 算法介绍

1) 分段增益算法  

分段增益算法的正式名称是多通道响度补偿算法。由于听损患者对声音的敏感程度随频率变化而不同,故数字助听器应针对不同频率区域的声音信号设不同的增益,这些频率区域称为通道或频带。最终输出信号为不同通道放大后的综合。多通道响度补偿算法可以准确地与听力损失者的听力损失相匹配。 在多通道响度补偿算法中,频带的分割与综合性能是影响算法性能的重要因素。

 2) 对话降噪算法   

在面对面对话场景中,如何在不失真的情况下降低背景噪声并提高语音可懂度是助听器设计最具挑战性的任务之一。降噪算法能够提高信噪比,是提高患者可懂度的重要方法。但是,现实中的噪声往往千变万化,有用语音和噪声可能在空间或时间上存在一定交叠,使得利用降噪算法提高听障患者在噪声环境下的语音理解度存在很多挑战。

3) 啸叫抑制算法 

啸叫抑制算法,或称回波抑制算法。数字助听器的增益决定了其对声音放大的属性。由于助听器麦克风与受话器距离很近,受话器输出的声音往往会经过一定路径泄露到麦克风中。在内部增益较大时形成回声, 严重时引起啸叫。成为助听器设计中最严重的问题之一。

4) 移频算法 

移频算法又称降频算法。降频算法的主要方法是通过将高频信息转移或压缩到患者可听的低频段,然后经过语言训练,使患者重新建立语言感知习惯,进而达到理解语言的目的。

1.3 难点介绍   

1) 算法本身的复杂性 

算法的复杂性是助听器算法的难点之一。

比如对于啸叫抑制算法,数字助听器可以通过回波抑制算法自适应地估计出回声路径,进而从原始信号中减去回声信号,达到消除回声、提高助听器最大增益的目的。但是,语音信号与噪音信号在频谱上的重合度高,而且期望信号与回声信号又是相关信号,使得对回声路径的估计变得相当复杂,如何设计算法得到回声路径的无偏估计是当前数字助听器语音处理算法研究的难点。

2) 算法工程化的难度 

工程化的难度主要是由于耳机中的数字信号处理器(DSP)的计算能力限制所导致。DSP 的算力只有服务器的千分之一。这导致了 DSP 的算法相比于一般云端的算法,要求大幅度简化。在模型简化的同时,还要保持语音处理结果的有效性,是非常大的工程化挑战。

二、具有辅听功能的耳机产品 

在目前的 TWS 耳机市场上,大厂在引领辅听耳机的功能实现。在大健康的战略方向下,他们在自己的旗舰耳机上增加了辅听功能。最典型的是苹果公司,之后是三星

2.1 苹果 Airpod Pro 的辅听功能 

在苹果 Apple 进入大健康领域的战略方向下,Apple 的穿戴设备开始具有了健康的功能,特别是苹果的手表和耳机。大健康的产品定位,带来 Apple 穿戴产品的优势与差异化、增加客户的粘度、也坚定地维护了市场的领先地位。

2016 年 12 月 Apple 首次发布 AirPods,带动 TWS 真无线耳机这个领域市场。三年后,苹果在 2019 年 10 月 30 日发布了 AirPods Pro。在 TWS 耳机当中表现拿下行业第一,占据高达 40% 的市场份额。

从 AirPods 开始,到目前的 AirPods Pro,都配置了一定的辅听功能。在 AirPods 中,当 AirPods 连接 iPhone 并启用 Live Listen 后,AirPods 就具备了一定的助听和监听功能。

在比较大的会议室、教室或者嘈杂环境下,通过这种办法能让 AirPods 变成随身助听器,Live Listen 功能虽然不能完全替代助听器,但在嘈杂或者容易被分散注意力的环境中相当实用,它能让你在嘈杂的室内听到更加清晰的对话,或听到其他房间里的对话。

图 1 :AirPods Pro的辅听配置功能。

图 1 是 AirPods Pro 的辅听配置功能。在这一版中,加入了简单的测听功能。

总体而言,苹果耳机有简单的测听功能,声音增益 <20dB ,可以称为一个比较典型的辅听耳机。 

 

2.2 三星 Samsung Galaxy Buds Pro 的辅听功能 

 

伴随 Galaxy S21 系列而来的 三星 Galaxy Buds Pro,号称是一款具备了市场上各家真无线耳机的特色功能。三星曾经在 2021 年 3 月发布了国际新闻稿,引入辅听耳机的概念。包含三星 Galaxy Buds Pro 的 TWS 耳机除了提供 ANC 主动降噪、环境音侦测、以及语音检测这些中高端耳机的功能,也提供了辅听耳机的功能,帮助轻中度听损人士听到周围的声音。

图 2 :Samsung Galaxy Buds Pro的辅听功能配置截图

Galaxy Buds Pro 虽然在自测的报告中针对电声评估、声音放大以及临床效能评估这几个方面都提供了不错的效果,但在我们的实际体验中却缺少了辅听耳机非常关键的功能—听力测听和针对不同听力频点做分段增益,这是不足之处。

三、辅听耳机的方案商 

辅听耳机目前刚刚兴起,从算法层面看,方案商非常少,其核心原因是与辅听密切相关的助听技术长期被国外厂商垄断在国内市场上,目前可能只有一家专业做辅听耳机方案的技术公司:北京聆通科技 (www.lyratone.net)。公司是来自助听器行业。这里对公司和辅听耳机方案做些介绍。

(1)公司介绍

北京聆通科技是医疗听力的技术研发公司,专注助听算法和方案的研发。在 2018 年推出“测听+助听”双功能的 APP 应用软件,可以将手机变成一个盒式助听器。在助听器技术研发的同时对助听算法做了一定的简化,2020 年完成辅听算法的产品化和商业推广,为消费电子行业推出了辅听耳机方案

(2)方案介绍 

公司的算法方案支持多种助听和辅听算法,也已经完成工程化,可以植入到多种 TWS 的芯片或手机底层之中。具体如下:

  • 算法种类:测听、分段增益放大、对话降噪、啸叫处理等。
  • 算法平台高通 51xx 系列、Cadence Tensilica HiFi 3,和恒玄BES2500
  • 处理功耗单声道处理为 5-10 MCPS,RAM 12K byte
  • 可调通道支持 32 通道的更细微的音频调整;
  • 声音延迟:整体声音处理链路可控制在 23ms 以内
  • 测听误差:硬件校准后测听的声压误差在 ±3dB
  • 空间占用:单场景助听参数仅为 1.7K

算法可以支持芯片级、系统底层级、音频服务级、APP 应用级的不同层级调用。算法处理可作为功能模块单独集成接入,也可深度嵌在原有的音频处理框架内。部分使用场景如图 3 示意。

图 3:部分算法使用场景

在商用上,已获得国内知名手机厂商之一的订单与实施。

四、总结 

在辅听功能被 APPLE 公司引领,且成为 2021 年 TWS 耳机的一个创新功能的趋势下,辅听耳机的需求也在快速增加。要注意的是,厂商在选择辅听耳机方案的时候,要特别注意,辅听功能已经进入了健康领域,方案的选择一定要基于听力健康保护,在此之上再进行个性化的听力补偿。

五、本系列文章的结束语 

世界是有色彩的,也是有活力的。而听力则是自然赋予人类的礼物,去感受这世界色彩、去迎接世界的活力。 在我们的音响设备越来越发达的今天,我们可以感受到更多的声音。但是,我们也看到年轻人在过度使用听力,老者随年龄增长在失去听力。

我们看到了辅听耳机的兴起,在帮助解决听力的问题。这是非常好的一件事情,但是我们的担忧是,从用户来看,辅听耳机所具有的听力增强,一定要在安全性的基础上进行,比如声音的事先测听和声音的分段增益。在行业上,我们辅听功能是个非常有价值的功能,要有相应的投入和产出,我们不希望技术研发和产品陷入一个“低价+ low 技术”的恶性循环。不希望辅听耳机这个市场,在刚刚兴起的时候,就被粗制滥造的产品所打烂。

这是我们的思考,也是我们作为助听行业的一员,静下心来完成这个系列文章的动机。

这个系列的 3 篇文章,包括了辅听耳机的源起、定义、标准、技术难点、产品和方案商的介绍。希望能够给医学界、产业界一些参考。更重要的是,能够推动相关国家标准的建立,为大众的健康,做一份贡献。

厚德载物,自强创新。为大众听到更好的世界,一起努力!

想了解辅听耳机的更多信息,请与我联系~

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