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助听器介绍:
本文主要介绍助听器的工作原理、构造及核心部件，帮助读者对助听器有一个整体性的认识。本文以耳背机为例进行介绍，其他机型不再一一赘述。工作原理
助听器其实就是一个小型现场声音放大器。
工作原理非常简单，由麦克风采集声音，通过数字处理芯片对采集到的声音信号进行放大、降噪等一系列处理，最后经受话器将处理后的电信号转换为声信号播放。如下图所示：

助听器工作原理简图整机构造
助听器整机由以下几部分组成，下图为较老的耳背机构造示意图
  • 音频链元器件：麦克风、受话器、音频处理芯片（即下图的放大器）；
  • 供电系统：电池；
  • 机电系统：即机械结构（包括按键、音量旋钮等）、电路板等；
  • 声学附件：主要包括耳塞、耳钩等；
  • 其他部件：在一些旗舰机型上，还会有蓝牙芯片
  • 、陀螺仪等实现特定功能的部件；

BTE 构造示意图核心部件介绍
这里重点介绍音频链、电池和蓝牙芯片；
麦克风
麦克风，用于采集环境声音，将声信号转换成电信号，传递给数字处理芯片。
不同机型的麦克风数量有所不同。对于体积较大的机型，如BTE、ITC等，通常有两个麦克风；对于体积较小的机型，如CIC、IIC，则只有一个麦克风。
麦克风数量会与部分音频处理算法有关，如风噪抑制、方向性麦克风等，感兴趣想进一步了解的读者可参考助听器音频处理算法（二）-降噪
数字处理芯片
数字处理芯片，对麦克风采集到的音频信号进行处理，包括A/D转换、音频处理算法、 D/A转换等。助听器常用的数字处理芯片有两种：
  • 专用芯片：专门为助听器设计的芯片，其优点是性能功耗比高，可以满足用户对超长续航的要求，同时可以运行更复杂的算法。五大集团产品基本都是使用助听器专用芯片。
  • 通用芯片：即蓝牙芯片，和TWS耳机一样。好处是集成度高、成本更低、天然支持无线功能，缺点是性能功耗比差，续航时间短。国内一些新势力玩家的产品多采用蓝牙芯片，特别是电商平台销售的TWS形态助听器。
受话器
俗称喇叭，将经处理之后的音频电信号转换为声信号再播放出来。
受话器根据最大声输出的差异可以分为不同的功率型号，常见的功率型号有 S（小功率）、M（中功率）、P（大功率）、UP（超大功率）。
功率越大，可输出的声音上限越大，也就可以满足听损程度更重的用户的需求。当然也有代价，助听器功率越大，其体积也会越大，适用的机型也就越少（部分机型对尺寸有着极限的要求，如深耳道定制机）
电池
电池，为助听器系统供电，保证系统正常运行。
助听器常用的电池有两类，可充电锂电池和锌空电池。根据电池类型的差异将助听器分为充电款和电池款，两种机型也各有优缺点
电池款
  • 优点：续航时间更久，不需要考虑锂电池使用久了之后性能衰减的问题，在电量不足时可以通过更换电池快速恢复满电；
  • 缺点：更换电池比较麻烦，对手指灵巧性有较高的要求，对部分老年人来说有挑战；因为需要定期买电池，其使用成本也会更高；
充电款：与电池款相对；
蓝牙芯片
对于采用专业芯片的无线款助听器，还会在机身内叠加一颗蓝牙芯片，实现蓝牙无线通讯。助听器的无线功能分为数据通信和音频流推送。
数据通信：接收手机发送的数据包，基于此实现自验配和APP指令控制两个典型功能；
音频流推送：接收手机推送的音频，如歌曲、微信语音、电话等。对于助听器来说，有三种典型的蓝牙音频协议
  • MFA：即经典蓝牙音频协议，可以与所有的音频推送源配对接收音频推送，如笔记本、手机、车机智能电视等；一线品牌中只有锋力选择经典蓝牙支持MFA协议；
  • MFi：助听器行业基于低功耗蓝牙为iOS系统搞的特殊协议；一线品牌除锋力外的另外五家均支持此协议；
  • ASHA：助听器行业基于低功耗蓝牙为Android系统搞的特殊协议，通常只支持Android 10.0及迭代版本的手机终端；一线品牌除锋力外的另外五家均支持此协议；
其他
对于主流的旗舰机型，除上述部件外还会有一些其他元器件以实现特定功能，如：
  • 陀螺仪/运动传感器：检测用户运动状态；
  • 传感器：如近红外传感器检测佩戴状态、心率传感器检测心率等；
  • 近磁场感应：用于双耳数据互传，基于此实现更复杂的高级算法；


电声参数是衡量助听器硬件素质的关键指标，只有硬件底子打的好才能更好的发挥软件和算法的潜力。
本文主要参考《GB/T 14199—2010电声学助听器通用规范》对助听器的关键电声指标进行介绍，并简单介绍如何根据电声参数判断候选机型的硬件素质优劣。
电声参数介绍
助听器电声参数主要包括：最大声输出（OSPL90）、满档声增益（FOG50）、等效输入噪声级（EIN）、总谐波失真（THD）、频率响应范围（FR）、额定电源电流消耗（Battery Drain）。以下逐个进行介绍
最大声输出（OSPL90）
最大声输出，描述助听器的最大输出能力。这个指标非常重要，反应了助听器的输出功率是否够大，以及该输出没有超过患者的响度不适阈。
最大声输出值越大，助听器可输出的声音强度的上限值越高。又可细分为OSPL90（max）及 OSPL90（HFA），更精准的描述不同频段上助听器的最大输出能力。
评估标准参考：此参数与助听器受话器功率有关，对于专业级助听器，主流的M&功率受话器，其OSPL90 在120dB以上，对于主打大功率的BTE，在130dB以上。
防踩坑 tip：此参数是电商渠道重点宣传的参数之一，电商平台上许多TWS形态的助听器，其OSPL90一般不超过117dB，基本无法满足中度及以上听损用户的需求。读者朋友们请注意辨别！

频率响应范围（FR）
频率响应范围是指在按照测试要求测出的频响曲线（在恒定的自由场输入声压级时，助听器在耦合腔中产生的声压级随频率变化的函数曲线）的一个区间值。频率响应范围越大，可准确补偿的声音范围越宽广（例如音乐家就需要听到频率很高的声音）。频响范围与受话器功率有关，功率越大，频响越小（高频上限越小） 。对于普通功率，一般要求低频值小于200Hz、高频值大于6kHz。
评估标准参考：当前一线品牌旗舰款产品可以做到200~12kHz，主流产品产品可以做到200~8kHz，即使是一般的产品，也应当不少于200~6kHz。
测试要求：
- 频率响应曲线：输入60dB SPL纯音，在参考测试自由控制位置所测得的频率相应曲线
- 频率响应范围：在基本频率相应曲线上，以1kHz、1.6kHz、2.5Hz三个频率描述对应的增益平均值（HFA增益）作一水平线，下移20dB再作一条平行线，该平行线与基本频率相应曲线的两个交点，即为助听器频率范围的低频限与高频限
等效输入噪声级（EIN）
等效输入噪声，反映助听器的内部噪声水平。 一般等效输出噪声要求控制在35dB SPL以下。
评估标准参考：当前一线品牌旗舰款产品EIN通常小于20dB，政采通常要求小于25dB。此值对用户意义不大，直接试听评估底噪是否明显、影响舒适性即可。
总谐波失真（THD）总谐波失真，衡量助听器的重要指标。总谐波失真值越小，表示信号的失真程度越低，音质越好。小于3%是助听器的一般目标。
评估标准参考：当前一线品牌旗舰款产品总谐波失真通常小于2%，政采通常要求小于2%；
额定电源电流消耗（Battery Drain）反映助听器在较低言语环境下的耗电程度。 电池电流的大小与助听器功率、放大器线路、授话器型号等均有关。额定电源电流消耗值越小，即机器越省电，续航时间越久。
评估标准参考：用户不需要关注此参数，只需要了解产品的续航时长即可。注意，不同使用场景下续航时长可能会相差极大，评估时务必留意续航值对应的使用场景，避免被误导。

如何从电声参数维度判断机器优劣？
如前文介绍，非常简单。EIN、THD越小越好，FOG50、FR越大越好，OSPL90合适就好。对于主推电商渠道的产品，判断方式则更简单，敢写出来的都是及格线以上的，不敢写出来的，大概率是不咋滴。对于写出来的，还需要留意产品介绍页里的春秋笔法：图文大字为虚，注释小字为实。

宽动态范围压缩
（Wide Dynamic Range Compression，简称WDRC）算法是数字助听器最核心的算法之一，其主要作用是对不同频率、不同强度的声音进行不同程度的补偿处理，从而将环境音转换到受损之后的听阈范围内，如下图所示：

WDRC 效果示意简图原理简介
WDRC 基于频域实现，其流程为：对输入系统的音频时域信号进行分帧、WOLA分解(加窗、FFT)、划分通道、根据WDRC的输入输出曲线计算增益，在频带上应用增益、WOLA综合，输出至DAC播放。
注意，这里提到了“通道”的概念。WDRC 算法涉及到两个“通道”的概念
信号处理通道数：音频信号FFT处理之后划分的通道，对每一个通道内的信号都需要计算处理；
可调通道数（Channel）：验配软件界面上支持调节的通道数；

对于助听器行业，“可调通道数”是少有的用户教育较好的指标，基本形成了“通道越多，助听器越好”的共识。注意，“通道越多”里的“通道”，指的是“可调通道数”的通道，而“信号处理通道数”更多是一个技术上的概念，并不对用户或验配师开放，因此无需关注。

然而近年来，不少行业玩家似乎在有意无意混淆“信号处理通道”和“可调通道数”的概念，特别是对于电商渠道销售的很多新产品，
WDRC 验配调参
经常在各种平台上看到有小伙伴想了解如何验配助听器，这里对WDRC部分的验配调参的设置项进行简单介绍。
所谓WDRC 调试，其实就是调整增益表
（见下图）的值，这里结合下图进行介绍：

Phonak 验配软件精细调节界面截图
第一行，MPO：各个频率声音的最大声输出限制值，设定后助听器在这个频段最大也只能输出设定的声音强度，通常有UCL
（不适阈）测试结果确定，避免助听器输出声音过大导致用户聆听不舒适、甚至对听力造成二次损伤；
第二行，声音频率：图中的值为各个可调通道内声音频率的代表值（简单理解为通道内频率范围的中间值）；
第三/四/五行，G50/G65/G80：助听器麦克风拾取到的声音的强度值，分别对应小声、中声和大声；
常说的调试，就是根据用户的反馈来调整白色表格部分，特别是下面三行格子里的值，举几个例子：
  • 用户反馈小声说话听不到，那大致就应该G50（小声）一行调大一点，给更多的补偿；
  • 用户反馈堵耳严重，很闷，那大致就应该调小G50/G65/G80这三行前几列的值，也就是降低低频部分的增益；
很多朋友经常会问，如何判断一个验配师是否专业？非常简单粗暴的一个方法，就是看其调试过程中是否会调试这张表，调的效果好不好。
专业的验配师，能够在和用户的互动过程中通过对话、观察分析出用户的问题，并将问题映射到增益表中并给出准确的解决方案。这既需要知识，更需要经验，非朝夕之功，是最能体现助听器行业“专业、服务”的点。


为了避免噪声一起放大导致用户佩戴不舒适，还必须要进行降噪处理才行。
本文介绍助听器的另一个核心算法——降噪。与WDRC相比，降噪更像是一个概念集合，因为涉及到的噪声类型多种多样，为了达到最好的效果，通常需要使用不同的手段对不同的噪声类型进行处理。
在正式介绍降噪之前，先补充一个概念——信噪比（Signal-Noise Ratio，简称SNR），即信号和噪声的比值。理想的降噪处理就是保留全部信号而去除全部噪声。而对于助听器来说，首先需要界定什么是信号、什么是噪声。通常会做如下假设：
  • 信号：Mic 采集到的环境声里的言语信号；
  • 噪声：Mic 采集到的环境声里的非言语信号、等效输入噪声，受话器播放后又被麦克风重新拾取的声音等；
当然，这个假设并不完全合理。非言语声对用户来说也可能是信号，比如走在马路上时后面来车的鸣笛声，言语声也可能是噪声，如鸡尾酒会时除了交流对象外其他人的说话声
降噪原理
对于助听器来说，通常会针对以下几类典型噪声进行处理
稳态降噪
对较平稳的噪声信号进行降噪处理。稳态降噪基于统计模型，并且假设“噪声是平稳信号，而语音是非平稳信号”。稳态降噪主要分为三步：
  • SNR 估计，输入为带噪语音信号Y，Y = X（语音）+D（噪声）；
  • VAD（语音活动检测），根据语音检测结果，在无语音时，更新噪声估计值（即D的值）；
  • 噪声去除：计算各通道的增益，进行降噪处理（即计算 X = Y-D）
AI-降噪
当前助听器的AI-降噪多采用RNNoise，通过大量样本数据训练出推理网络后部署在边缘侧。

风噪抑制
风噪是户外活动时经常遇到的场景，风噪本质是空气湍流撞击麦克风振膜的时候产生的一种噪声，有两个典型特点
  • 能量强、且低频为主：由于是机械振动，因此能量集中在300Hz以下的低频段；
  • 双麦信号相关性小：这个很好理解，风会对两个位置不同的麦克风造成不同的撞击，就好像风无法把两片树叶吹出一致的摆幅；
基于上述两个特点，也就有了简单版和进阶版两种风噪抑制处理策略。
简单版：当检测到低频信号异常高时，直接拉低低频的增益值，即降低低频的声音；
进阶版：检测两个麦克风信号的一致性，信号一致性越差，有风噪的可能性越大，然后计算出增益值进行降噪处理。
无论是哪个策略，也都是分为两步，先做风噪声检测，再做风噪声去除。差别在于进阶版对于风噪信号的检测和抑制程度都会更准确。

瞬噪抑制
瞬噪也是助听器用户经常遇到的场景，比如鸣笛声、拍手声等。瞬噪的特征是时域上像一个冲击波，即突来有一个很大的声音。瞬噪抑制也是分为瞬噪检测和瞬噪去除两步。检测方法也比较多，比如基于方差统计量的瞬噪检测、基于高低频能量比值的瞬噪检测方法等。
方向性麦克风
除了上述的三种之外，还有一种常见的策略——方向性麦克风。大概原理为通过不同的方向性模式来拾取指定方向的信号、屏蔽其他方向的信号，从而有效的提高SNR。方向性麦克风常见的典型模式有：
  • 全向性：即无差别拾取周围360°的声音；
  • 定向性：拾取前方的声音，抑制其他方向的声音；对于做的比较好的玩家，还可以设置定向的角度值，角度越小，定向范围内的聆听效果越好；
  • 自适应方向性：助听器实时判断周围的信号或噪声来源，确定之后抑制噪声源方向的信号；

Signia 验配软件方向性模式设置图
除了上述典型模式外，还有其他更高阶的方向性算法，比如Signia IX平台主推的波束方向性。感兴趣的读者可以在Signia官网进一步了解详细信息。

降噪设置
很多小伙伴们也会问到如何设置降噪处理参数，一般情况下采用厂家提供的默认参数即可，有特殊的个性化需求时，根据场景对各个降噪模块进行调整即可，调整界面如下图所示

锋力验配软件 降噪设置界面
这里需要注意一点，降噪等级越高，其抑制策略越激进，会不可避免的伤及语音信号。所以不要贪图最高的等级，最合适的就是最好的，所谓“中庸”之道是也。


助听器的主流机型上还有一些常见算法，本篇进行补充介绍。
啸叫截除
啸叫是指在使用助听器时，由于麦克风与受话器之间形成回路，信号循环放大而产生的一种可听见的声音振荡。啸叫是助听器用户最常见的问题之一，不仅严重影响用户体验，还限制了助听器能提供的最大稳定增益（也就是能放大的程度）；
啸叫截除算法
并不是为了解决听损的问题，而是为了解决用户因为佩戴助听器引入的新问题。这个模块介绍起来比较麻烦，而笔者最怕麻烦，所以这里就不展开了，感兴趣的读者可以参考相关书籍或论文。
场景分类
由于用户佩戴助听器时的声场景非常复杂，因此主流助听器通常都会配置一个场景分类算法
。当用户佩戴时，助听器可以实时自动识别出当前声场景的类型，然后切换到更适合当前场景的参数，实现更好、更精准的处理效果。
场景可以简单分成四类，具体如下：
  • 安静无言语：既不需要降噪，也不需要放大语音；
  • 安静言语：主要是语音放大，因此可以采用较保守的降噪处理，避免伤及语音；
  • 噪声无言语：主要是降噪，并且因为没有语音，可以做更激进的降噪处理；
  • 噪声言语：既需要降噪，也需要对语音放大，需要在降噪和放大之间做平衡；
当然，一线品牌的旗舰机会对场景做更精细的划分，如Widex 旗舰产品最高技术等级支持11个场景分类。对某些宣称几百几千种场景分类的……，不知道说啥好了。感兴趣的读者可以自行研究，此处不再赘述。
高频重塑
对于部分高频损失特别严重的用户，通过放大补偿仍无法让其听到高频声音，此时不得不采用一些特殊的技术手段，将高频声音搬到低频频段，才能让用户重新听到高频声（当然听到的其实是频率降低之后的声音）。
高频重塑有两种常见策略：
  • 频率压缩，即将所有频段的声音压扁。例如，原声音频率范围为200Hz~8000Hz，压缩后变为200Hz~4000Hz；
  • 频率转移，即将高频的声音搬到低频。例如，原声音频率范围为200Hz~8000Hz，频率转移后，其200~5000Hz的声音不变，将5000Hz~8000Hz的声音搬到了3000~5000Hz；
耳鸣掩蔽
耳鸣有多恼人就不必多说了。大多数助听器还会配置耳鸣掩蔽模块，播放特定音频以掩蔽耳鸣，常见的耳鸣掩蔽音类型有：
  • 白噪声、粉噪声等；
  • 特定音频：如海浪声、篝火声；
当然还有厂家用算法做更精细的掩蔽策略。读者知道有这个常见算法就足够了，这里不再赘述。


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