Секрет усиливающих телефонов: они не просто делают речь громче

Объяснение идей, лежащих в основе технологии усиливающих телефонов

В 1895 г. Уоллес Сэбин, молодой профессор физики, завоевал авторитет в Гарвардском университете, изучив плохую акустику двух недавно построенных лекционных залов. Он провел свои исследования по настоятельной просьбе президента университета, замученного бесчисленными жалобами на невозможность слышать и понимать лекции в этих залах. Профессор Сэбин, который впоследствии прославился в США как «отец архитектурной акустики», и в честь которого названа единица измерения «сэбин», определяющая акустическую абсорбцию разных материалов, перечислил элементы, необходимые для достижения хорошего слуха в заданных условиях. По сути, он заявил следующее:

• Речь должна быть достаточно громкой.
• Одновременные компоненты речи (т.е. гласные и согласные звуки) должны сохранять свои относительные свойства.
• Последовательные звуки быстрой артикуляции должны быть четкими и отличаться друг от друга.
• Звуки речи должны различаться на фоне постороннего шума.

Эти «элементы хорошего слуха» столь же справедливы сегодня, как и более чем 115 лет назад, когда Сэбин впервые их перечислил. Разница в том, что сегодня мы можем измерять и определять эти элементы.

Всего 19-ю годами ранее Александр Грэхем Белл произнес первую разборчивую фразу: «М-р Ватсон, идите сюда, я хочу вас видеть», – в устройство, которое он первоначально назвал «акустический телеграф». В 1915 г. Белл осуществил первый трансконтинентальный телефонный звонок из Нью-Йорка в Сан-Франциско. Именно после этого телефон стал серьезным соперником телеграфа как средство дальней связи между людьми. 

Александр Грэхем Белл эмигрировал из Шотландии, будучи сурдопедагогом. Впоследствии он стал профессором физиологии голоса и ораторского искусства в Бостонском университете и принялся искать способ, с помощью которого можно было бы преобразовать человеческий голос в колебания. Хотя в итоге его работы привели к созданию телефона, первоначальной целью его изобретения было желание помочь слабослышащей матери. Но оказалось, что его телефон лучше подходил для дальней связи между нормально слышащими людьми, чем для помощи слабослышащим людям. В то время телефонам не хватало усиления, поэтому они, к сожалению, ничем не могли помочь людям с ослабленным слухом. Сегодня телефоны могут обладать усилением, а также содержать другие виды технологии, помогающие людям с выраженной потерей слуха.

Если в начале 1900-х гг. телефон был роскошью, то сегодня это необходимость. Поэтому те люди, которым потеря слуха мешает слышать сказанное по телефону, оказываются в изоляции. Хорошая телефонная коммуникация может вновь связать их с друзьями и партнерами, и поможет преодолеть изоляцию, которая так часто сопутствует потере слуха. Знаменитый слоган компании AT&T «Дотянись и коснись» ничего не значит для слабослышащих людей, которые не могут слышать и понимать по телефону.

Потеря слуха в США

Потеря слуха в США возрастает. Это связано с целым рядом причин. Перечислим некоторые из них:

Старение. Благодаря развитию здравоохранения и повышения качества оказания медицинской помощи продолжительность жизни в последние годы резко возросла. Возрастная потеря слуха (пресбиакузис) связана со старением, и частота потери слуха среди людей старше 65 лет составляет 3 человека из десяти, а для людей старше 75 лет – почти 5 человек из десяти.

Ототоксичные лекарства. Общее число лекарств ежегодно возрастает. Научные исследования позволили выпустить в продажу много новых лекарств от разных заболеваний. Однако любое лекарство неизбежно имеет побочные эффекты, и нередко следствием приема некоторых из них становится потеря слуха. Например, оказалось, что Виагра может привести к нарушению слуха, впрочем, так же, как и длительный прием обычного аспирина.

Снижение смертности от врожденных патологий и несчастных случаев. Медицина добилась огромных достижений в поддержании жизни новорожденных с врожденными опасными заболеваниями. Дети, которые еще несколько десятилетий назад непременно умерли бы, сегодня остаются в живых. Но потеря слуха, которая часто сопровождает эти синдромы, обычно остается. Аналогичным образом нарушения слуха становятся следствием травм, которые в прошлом могли бы просто убить человека. Например, солдаты, которые умирали на поле боя во Вьетнаме, в условиях войны в Ираке были бы спасены, благодаря быстрой и современной медицинской помощи. Однако потеря слуха остается длительной травмой у многих ветеранов.

Действие шума. Для современного человека мир стал очень шумным местом. С развитием  различного механического оборудования возросли шансы подвергнуться чрезмерному действию шума. Несмотря на усилия OSHA, профессиональная потеря слуха остается серьезной проблемой для многих сотен работающих. Возрастает уровень шума и в свободное время, который создается огнестрельным оружием, снегоходами, музыкальными системами и т.д. Согласно данным Национального Института здоровья, примерно треть всех случаев потери слуха связана с воздействием шума.

В связи с тем, что частота потери слуха возрастает, потребность в хороших усиливающих телефонах становится все более важной.

Как телефон преобразует и воспроизводит речь
Микрофон, который находится в телефонной трубке, преобразует голос в электричество. Когда воздушные колебания, произведенные вашим ртом, достигают диафрагмы микрофона, она вибрирует. Эти вибрации очень напоминают ощущения, которые возникают у вас в руках, когда вы держите сифон с газировкой или бутылку с водой, а мимо пролетает реактивный самолет, или играет громкая музыка. Так как диафрагма микрофона металлическая, ее колебания изменяют окружающее электрическое поле, которое, в свою очередь, рождает изменения электрического тока, подражающие звуковой волне. Эти колебания электрического тока настолько крошечные, что требуется вначале их усилить; лишь после этого они могут поступить в телефон для дальнейшей обработки. Будучи обработанными в телефоне, эти изменения электрического тока направляются в телефонный кабель, проходят через вашу домашнюю сеть, а затем через реле и коммутаторы, которые устанавливает и обслуживает ваша местная телефонная компания.

Телефонная сеть имеет целый ряд усилителей, которые поддерживают требуемую громкость сигнала. Кроме того, коммутационная аппаратура обеспечивает то, что сигнал будет послан в нужный телефон. Когда сигнал поступает в телефон слушателя, электрические токи преобразуются обратно в колебания воздуха. Это происходит в динамике телефонной трубки. Когда электрические токи попадают в динамик, они поступают в катушку, которая создает магнитное поле. Меняющееся магнитное поле заставляет диафрагму динамика колебаться в точной синхронности с колебаниями голоса на другом конце провода. Вибрирующая диафрагма генерирует звуковые волны, которые являются голосом абонента.

Звук характеризуется уровнем и частотой. Уровень (или громкость) звука дается в децибелах (дБ) – одной десятой Бела (единицы, названной в честь Александра Грэхема Белла). Величина 0 дБ представляет самые тихие звуки, которые может услышать человек с нормальным слухом; 60 дБ – уровень разговорной речи; 100 дБ – уровень рок-группы, играющей на концерте; 120 дБ – уровень, считающийся дискомфортно громким. Следовательно, диапазон слуха у нормально слышащих людей простирается от 0 до 120 дБ.

Мы знаем, что человеческий голос – сложный широкополосный источник звука, генерирующий многочисленные звуки со сложной частотной структурой, меняющиеся по временной схеме. При обычной речи голос звучит в диапазоне от 200 до 6000 Гц. По своей конструкции телефоны неспособны передавать полный диапазон человеческой речи. Вместо этого большинство из них передают частоты лишь от 300 до 3300 Гц. Но это не является серьезным ограничением, потому что при обычном разговоре по телефону понимание речи у нормально слышащих людей превышает 95%.

Нам, специалистам, известно, что гласные звуки речи, производимые голосовыми связками, имеют частоту ниже 1000 Гц. В соответствии с этим гласные звуки считаются низкочастотными. В отличие от этого, фрикативные звуки речи – или согласные – рождаются в диапазоне выше 1000 Гц.

Потеря слуха и усиливающие телефоны

Многое из того, что нам известно о речи и слухе, было получено в ходе ранних исследований телефонной системы Белла. Именно эти исследования определили, что диапазон нормального слуха простирается от 20 до 20 000 Гц и от 0 до 120 дБ. Речевые звуки находятся в следующем диапазоне: примерно от 300 до 6000 Гц и от 20 до 50 дБ. Когда специалист в области слуха проводит тональную аудиометрию, он проверяет только частоты внутри этого диапазона и две другие частоты, немного выходящие за его пределы (от 250 Гц до 8000 Гц).

На аудиограмме линия 0 дБ представляет нормальный порог слышимости. Если слух ухудшается, горизонтальные и вертикальные координаты уходят ниже этой линии, и речевые звуки становятся слабее. В принципе мы определяем потерю слуха как снижение порогов слышимости до 20 дБ и ниже. Большинство потерь слуха демонстрируют высокочастотное снижение порогов слышимости (выше 1000 Гц), т.к. слышимость в этом диапазоне гораздо хуже, чем на низких частотах. При такой конфигурации согласные звуки слышатся намного слабее, чем гласные звуки. Следовательно, звуки речи приглушаются.

Еще одно осложнение связано с феноменом ускоренного нарастания громкости (ФУНГ). Есть аудиологические тесты, которые могут определить наличие этой проблемы. Ее присутствие обозначает, что наружные волосковые клетки улитки также повреждены. Кроме того, если в улитке повреждено много внутренних волосковых клеток, звуки речи подвергаются слуховому искажению. Во многих случаях оно сохраняется независимо от того, какое усиление предоставляют человеку, чтобы преодолеть снижение остроты слуха. Слухопротезисты обычно проводят тесты на разборчивость речи, в том числе и в шуме, чтобы определить степень кохлеарных или нервных искажений, ощущаемых пациентом.

Правила Сэбина в приложении к телефонам

У Сэбина никогда не было телефона, и в число его испытуемых не входили слабослышащие люди. Тем не менее, его открытия о том, что нужно для того, чтобы слышать и понимать речь, справедливы не только для коммуникации в лекционном зале, но и для коммуникации по телефону. Давайте рассмотрим каждое правило отдельно.

1. Звук должен быть достаточно громким. Если речь из телефона недостаточно громкая, нет никакой надежды ее понять. Следовательно, необходимо усиление, чтобы преодолеть потерю остроты слуха. Специалист знает, что усиление на 3 дБ удваивает звуковую энергию. Но человек едва-едва ощутит возрастание громкости на 3 дБ. Усиление на 6 дБ даст в 4 раза больше энергии, но для слушателя это будет всего лишь «заметное возрастание громкости». В то время как 10 дБ дадут 10-кратный прирост энергии, громкость при этом возрастет лишь вдвое. Следуя далее, усиление величиной 20 дБ даст 100-кратное возрастание энергии, но всего лишь 4-кратное возрастание громкости. Усиление на 30 дБ даст 1000-кратный прирост энергии, но лишь 8-кратное возрастание громкости.
   Как было сказано выше, большинство потерь слуха осложняет ФУНГ. Поэтому применение слишком большого усиления может сделать речь дискомфортно громкой. Таким образом, усиление нужно как-то ограничивать или контролировать, чтобы большинство слабослышащих людей могли комфортно слышать речь по телефону.
2. Одновременные компоненты речи должны сохранять свои относительные свойства. Если у человека большая высокочастотная потеря слуха, то согласные звуки (например, /s/, /th/ и /f/) не будут слышны так же хорошо, как гласные звуки (например, /i/, /e/ и /o/), и речь будет звучать приглушенно. Чтобы удовлетворять правилам Сэбина, телефон должен иметь схему  выравнивания, которая будет давать больше усиления высокочастотным звукам. При этом величина усиления зависит от степени потери слуха. Некоторые усиливающие телефоны имеют настраиваемый регулятор «тембра», который участвует в процессе выравнивания и улучшает четкость речи.
3. Последовательные звуки быстрой артикуляции должны быть четкими и отличаться друг от друга. Хотя это правило Сэбина на самом деле относится к реверберации в помещении, в более широком смысле оно имеет отношение к четкости произношения каждого слога. В электронике нет никакой реверберации, однако усиление может порождать искажения слогов. Это означает возникновение дополнительных звуков, которые не являются частью первоначального сигнала, что делает речь нечеткой и искаженной. Чтобы добиться высокой разборчивости, телефон должен иметь такое качество, которое позволяло бы ему генерировать четкий сигнал с низким искажением.
4. Звуки речи должны отличаться от постороннего шума. При сильном фоновом шуме речь трудно понимать. Поэтому для комфортного разговора по телефону нужна тихая комната. Но это понятие относится и к «шуму», доносящемуся из телефона, который может возникать из фонового шума вокруг абонента или из шума в телефонной линии.
   Соотношение сигнал/шум позволяет измерить уровень речи относительно уровня шума, причем любого. Для нормально слышащих людей разборчивость речи хорошего качества достигается, когда соотношение сигнал/шум превышает 15 дБ. Но для слабослышащих людей с кохлеарными или нервными искажениями требуется большее соотношение. В телефонах происходит следующее: насколько усиливается сигнал, настолько же усиливается и шум на линии, так что соотношение сигнал/шум остается тем же самым. Чтобы его улучшить, требуется схема подавления шума.

Подводя итоги, перечислим важнейшие функции усиливающих телефонов:

• Усиление делает речь абонента громче.
• Компрессия обеспечивает комфортные ощущения при разговоре по телефону.
• Низкое искажение обеспечивает четкость усиленной речи.
• Высокочастотное усиление поднимает высокие частоты для лучшего спектрального баланса и понимания.
• Подавление шума улучшает соотношение сигнал/шум.

Реалистичные ожидания

Любой слабослышащий человек может воспользоваться пятью полезными функциями, перечисленными выше. Но из-за осложнений при некоторых потерях слуха, снижения когнитивной функции или потери невральной функции, человек с трудом сможет понимать даже самые лучшие сигналы. Кроме того, качество голоса абонента может сильно варьироваться. Маленький внук может стесняться и говорить тихо, высокий женский голос может звучать резко, а голос друга может быть искажен из-за многолетнего курения или заболевания голосовых связок. Итак, когда кажется, что телефон работает недостаточно хорошо, это может быть внутренняя проблема, связанная со слухом человека, или внешняя проблема, связанная с абонентом, а не с телефоном.

Один из способов гарантировать качество голоса состоит в том, чтобы использовать стандартизированный голос – речь, которая произносится и записывается профессионально. Это важно, если вы хотите обеспечить постоянное качество голоса и однородность используемого материала.

В то время как телефонная индустрия использует набор стандартных фраз для проведения собственных тестов, слухопротезные клиники обычно применяют речевой тест в шуме Quick SIN для проверки того, как пациенты понимают речь, особенно в шуме. Тест Quick SIN использует короткие фразы, каждая из которых содержит пять целевых слов. Полный тест состоит из шести фраз. Обычно фоновый шум, содержащийся в записи, возрастает с каждой фразой, чтобы определить, насколько хорошо пациент справляется с фоновым шумом. Однако для субъективной проверки качества телефона эти фразы можно предъявлять и без фонового шума. Слушая эти фразы, пользователь может настраивать громкость (усиление), частотную компенсацию (тембр) и другие функции, предлагаемые производителем для достижения оптимальной настройки.

Сравнение конечных результатов с использованием двух наборов фраз позволит вам оценить воспроизводимость.

Сравнение конечных результатов при участии нормально слышащего члена семьи позволит вам оценить ваши общие достижения. Тот же самый тест можно использовать и для сравнения разных телефонов.

Телефоны не были ни частью жизни Уоллеса Сэбина, ни предметом его исследований. Однако правила, которые он сформулировал для хорошего понимания речи более 100 лет назад, остаются сегодня не менее справедливыми, чем тогда. Усиливающие телефоны будут улучшаться и далее. Обследование пациента у слухопротезиста позволяет снять покров тайны с потери слуха и дает специалисту важную информацию, позволяющую ему сделать необходимые рекомендации. Точно так же, как понимание потери слуха помогает специалисту определять параметры настройки СА, та же самая информация поможет установить правильные параметры настройки улучшенных функций усиливающего телефона.  

Томас Зандер

Д-р Томас Зандер – аудиолог и инженер-акустик. В настоящее время возглавляет чикагскую фирму Acoustic Associates, а также преподает в медицинском центре университета Раш и в университете Салюс. Ранее он был президентом Академии Аудиологии Иллинойса и Чикагского регионального отделения Американского Акустического Общества.