Arch. Oto-Rhino-Laryng. 215, 293-299 (1977) Archives of Oto-Rhino-Laryngology �9 Springer-Verlag 1977

Ger~it zur Spracherkennung bei gleichzeitigem L~irmschutz

P. Bumm und M. Berg

Hals-Nasen-Ohrenklinik der Universit~it Erlangen-N/irnberg (Direktor: Prof. Dr. M. E. Wigand) WaldstraBe 1, D-8520 Erlangen

A Protective Hearing Aid

Summary. A device consisting of a hearing protector headset and a modified hearing aid is used as a protective hearing aid for normal hearing subjects. Understanding of sufficiently redundant speech is remarkably improved, especi- ally for a noise level of about 20 dB above speech level. Tests have been made with the "Freiburger Zahlentest" and amplified "party noise" up to noise levels of 105 dBsv L. As an example: the above mentioned device enables the wearer to understand speech of 85 dB within 105 dB loud speech similar background noise while still the ears are charged with no more than 90 dB at all.

Application for hyperacusis and recruitment patients is discussed.

Key words: Noise - Protection -- Hearing aid.

AIs L/irmschutz sind Mittel bekannt, die durch mehr oder weniger dichten mechani- schen VerschluB des/iul3eren Ohres sowohl den informativen Sprachanteil als auch den sch/idigenden L/irmpegel gr613erer Lautst/irke gleichm/iBig d/impfen. (Zusam- menfassende Literatur u. a. Brinkmann, Partsch, Pfander, Zwislocki.) Dadurch er- schweren sic das Gespr/ich am Arbeitsplatz. Auch ist die oft wichtige akustische Kontrolle z. B. eines Maschinenger/iusches erschwert. Die Richtungswahrnehmung soil herabgesetzt sein (Atherly u. Noble, 1973). Als L~irmschutz allgemein gebr/iuch- lich sind z.B. GehSrgangsst6psel aus Watte oder Kunststoff, Schutzkapseln und Schutzhelme.

F/ir Geh6rschutzkapseln und L/irmschutzhelme sind auf Wunsch elektronische Empfangseinrichtungen lieferbar, die eine drahtlose Einwegverst/indigung fiber ein aul3erhalb des Arbeitsplatzes fest installiertes Mikrophon erm6glichen. Dieses starre elektronische System erlaubt trotz des Liirmschutzes den Empfang akustischer In-

Vorgetragen auf der 47. Jahresversammlung der Deutschen GeseUschaft f/ir Hals-Nasen-Ohren-Heil- kunde, Kopf- und Halschirurgie, Basel 1976

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struktionen oder z. B. Musik von einer Sendestation auBerhalb des Arbeitsplatzes. Es gestattet jedoch nicht das Gespr/ich am Arbeitsplatz.

Zahlreiche Anstrengungen wurden unternommen, das Ohr gegen L/irm zu schfitzen und trotzdem eine Sprachverst/indigung zu erm6glichen, Ver/Sffentlichun- gen dar/iber finden sich weniger in der HNO-, als vielmehr in einer recht umfangrei- chen Patentliteratur. Viele Untersuchungen wurden von den verschiedenen milit~iri- schen Insfitufionen ausgeffihrt, und sind uns sicher nicht alle bekannt geworden.

In neuester Zeit ist yon I. Veit 1 der Gedanke yon v. B~k6sy aufgegriffen worden, durch geeignete Interferenz zwischen Luft- und Knochenleitung einen L/irmschutz zu erreichen. Die technischen Probleme sind jedoch erheblich und bisher nicht v611ig gel6st.

Die iiberwiegende Anzahl der Erfinder in der Patentliteratur versucht, durch mechanische Systeme, z. B. akustische Ventile oder mechanische Resonatoren das L/irm-Sprachgemisch durch den L~irmschutz hindurchzulassen.

Dagegen wird hier ein Verfahren beschrieben, Spracherkennung im L/irm mit einem Ger/it zu erreichen, dessen elektronische Bausteine aus der H6rger/itetechnik bekannt sind. In jedem beliebigen mechanischen Schallschutz, Geh6rschutzkapsel oder -helm, sind die Bausteine: Mikrophon, Verst/irker mit Begrenzung, Filter und Lautsprecher einbaubar.

Method|k

F fir die Versuche wurde ein modifiziertes Taschenhfrger/it Euroton 2000 Typ 42 AGC der Firma Siemens monaural benutzt (Abb. 1). Kombiniert wurde dieses Ger/it mit einem Kapselh6rschutz der Firma Willson SB 258, der beide Ohren ab- deckte und bei 500 Hz 30 dB und bei 1000 Hz 40 dB Schalld/immung erreichte (Brinkmann u. Broksch). Aul3en an einer H6rschutzkapsel wurde ein Richtmikro- phon angebracht, da Vorversuche eine Oberlegenheit des Richtmikrophons gegen- fiber dem konventionellen Mikrophon des Taschenh6rger/ites ergeben hatten. Das Richtmikrophon war auf die Sprachquelle gerichtet.

Abbildung 2 zeigt das dynamische Kennlinienfeld des benutzten Geriites. In der Abszisse ist die Eingangslautst~irke am Mikrophon aufgetragen. Die Ausgangs- lautst~irke, die in gewohnter Weise mit einem 2 cm3-Kuppler gemessen wurde, ist in der Ordinate dargestellt. Die einzelnen Kennlinien geh6ren zu den verschiedenen Einstellungen des Lautst/irkereglers. Gegen/iber einem normalen Hfrger~it ist die Verst/irkung abgeschw/icht. Die Kennlinie 3 zeigt z.B. eine Abschw~ichung yon ca. 20 dB im linearen Bereich. Alle Kennlinien sind mit voll wirksamer Automatic Gain Control (AGC) und Peak Clipping (PC) aufgenommen. Diese Einstellung hat sich bei Vorversuchen als giinstig erwiesen.

Das Ger/it wurde mit folgender Versuchsanordnung getestet: Dauerl/irm wurde durch ein aus verzerrter Sprache zusammengesetztes Partygeriiusch, hergestellt yon der Firma Phonak, erzeugt. Dieses Ger/iusch ist ffir Spracherkennung extrem un- gfinstig, da es aus Sprachbruchst/icken zusammengesetzt und frequenz- und zeitver- laufsm/igig der Sprache sehr/ihnlich ist. Der L/irm wurde in einem hallarmen Raum

Pers6nliche Mitteilung

Gerfi.t zur Spracherkennung bei gleichzeitigem L/irmschutz 295

Abb. 1. Schematische Darstellung der Kombination von beschriebenem Get/it und mechanischem Schallschutz. Mittels elektronischer Bausteine, wie Richtmikrophon, Verst/irker und Lautsprecher, wird das L~.rm-Sprachgemisch durch den mechanischen Schallschutz zum Ohr geleitet

Abb. 2. Dynamisches Kennlinienfeld des modifizierten H6rger~tes. Die Eingangslautst~irke ist in der Abszisse, die Ausgangslautstfirke des Ger~ites in der Ordinate dargestellt. Die Zahlen an den Kennlinien bedeuten verschiedene Lautsdirkeeinstellungen des Ger/ites

~ou~ t l (de) J / 11o] 1~ I 90-

80

70.

6[?

Dynomisches Kenntinienfe[d des Ger~es

~~ ~o B'o 9'o I~o ~o i~o Lein (dB~"

durch zwei in 1 m Entfernung links und rechts neben der Versuchsperson plazierte Lautsprecher ausgestrahlt, die Sprache aus gleicher Entfernung von vorne. Diese Versuchsanordnung wurde gew/ihlt, da sie unter den verschiedenen anderen denkba- ren Anordnungen - etwa L/irm von hinten, Sprache von vorne oder L~irm von ringsum, Sprache von vorne - mittelschwere Anforderungen stellt. Die Sprach- verst/indlichkeit im L/irm wurde mit dem Freiburger Zahlentest gepr/ift. Der Pro- zentsatz richtig nachgesprochener Zahlen verschiedener Lautst~irken wurde bei meh- reren L/irmpegeln bis 105 dB ermittelt. Zwischen den Zahlengruppen wurden Erho- lungspausen yon 2 rain eingelegt. Die Schalldrucke wurden am Oft des Kopfes der Versuchsperson mit einem Brfiel und Kjaer, Typ 2112 Pegelmesser (Einstellung: RMS - Slow - dB [A]) festgestellt.

Sehematische Darstellung des Gerdtes

In Abbildung 3 zeigt die durchgezogene Linie schematisch, dag akustische Signale der Umwelt das ungesch/itzte Ohr ohne wesentliche Abschw/ichung erreichen. Dem-

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l (dB)

I 901

BO

70

60

/

/ /

/ /

/ /

/

1{~0 J 120 J --~ Lein (dB)

/ / Wirkung des mechanischen H~rschutze%schemetisch , /

Abb. 3. Schematische Darstellung der schalld/immenden Wirkung des mechanischen H6rschutzes (gestrichelte Linie)

Lous t (dB)

100.

90'

80"

70"

60-

: " L I I I I 60 70 / ~ 90 100 110 120 =

. / kein (dB) /

/ "Wirkung der Kombinotion H6rschutz/Gerdt"

Abb. 4. Schematische Darstellung der Wirkung der Kombination von mechanischem Schutz und Gedit. Die gestrichelte Linie zeigt die Wirkung des mechanischen Schallschutzes, die strich-gepunktete reprgsentiert eine m/Sgliche Kennlinie des Ger/ites, die durchgezogene Linie zeigt die kombinierte Wirkung von Get/it und mechanischem SehaUschutz

gegentiber bewirkt der mechanische H6rschutz (gestrichelte Linie) in diesem Beispiel eine D~impfung um 30 dB. Nach Orlich (1976) behiilt der mechanische H6rschutz seine schfitzende Wirkung auch bei hbheren Schallintensit~iten bei. Dadurch ist das Geh6r bis 120 dB gesch/itzt, das H6rverm6gen jedoch entsprechend verschlechtert. Mit anderen Worten: wenn sich jemand einer Person mit diesem mechanischen H6rschutz verst~indlich machen will, mug er 30 dB lauter schreien, also die Stimme eine 1000mal st~irkere Leistung erbringen.

Ger/it zur Spracherkennung bei gleiehzeitigem L/irmschutz 297

In Abbildung 4 wird zur besseren Sprachverstgndlichkeit der mechanische H6r- schutz mittels eines modifizierten H6rger~ites umgangen. Dieses mug eine begrenzte Ausgangsleistung haben, um den mechanischen H6rschutz nicht wieder unwirksam werden zu lassen. Die gestrichelte Linie zeigt die Wirkung des mechanischen H6r- schutzes, die Strich-Punktlinie repr~isentiert eine m6gliche Kennlinie des Ger/ites, die durchgezogene Linie zeigt die kombinierte Wirkung yon Ger/it und mechanischem Schutz. Wenn der Lgrm aussetzt oder abnimmt, ist fiber das Ger/it eine normale Sprachverst/indigung m6glich. Bei Umgebungsl/irm um 100 dB wird das L/irm- Sprachgemisch dynamisch komprimiert und mit weniger als 90 dB zum Ohr fiber- tragen. Wenn die Umgebungslautst~irke so stark anw/ichst, dab der mechanische H6rschutz mehr L~rm durehl~il3t als die begrenzte Ausgangslautst~irke des Ger/ites, dann ist der mechanische H6rschutz allein wirksam.

Ergebnisse und Diskussion

Verglichen wurde die Sprachverst~indlichkeit bei Gebrauch von mechanischem H6r- schutz mit dem oben beschriebenen modifizierten H6rger~it und yon mechanischem H6rschutz ohne Ger/it beim Normalh6renden. Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse in dreidimensionaler Darstellung f/Jr Umgebungsl/irm yon 105 dB. Nach oben ist die Sprachverst/indlichkeit in Prozenten aufgetragen, nach rechts ist die Verst/irkerein- stellung des verwendeten Ger/ites angegeben. Nach hinten links ist die Lautst~irke der Sprache eingezeichnet. Der L/irmpegel bei den Messungen zu diesem Diagramm betrug immer 105 dB. Wenn jeweils 20 Zahlen bei einer Lautst/irke yon 70 dB ange- boten wurden, also 35 dB leiser als der L/irm, konnten mit und ohne Ger/it nur wenige Zahlen nachgesprochen werden. Wenn die Zahlen jedoch 75 dB laut darge- boten wurden, konnten ohne Ger~it 0% und mit Ger/it jedoch 40% nachgesprochen werden. Bei einer Lautst/irke yon 80 dB f/ir Zahlen wurden ohne Ger~it 30% und mit Ger/it 80% verstanden. Die beste Sprachverst/indlichkeit wurde bei einer Abschw/i- chung von 0-20 dB durch das Ger/it erreicht. Bei L/irm anderer Zusammensetzung erwiesen sich andere Lautst/irkeeinstellungen als vorteilhafter. Auch je nach Vigilanz und Interesse an den Gespr/ichsinhalten wurden yon verschiedenen Benutzern unter- schiedliche Einstellungen bevorzugt.

Die leicht bedienbare Lautst/irkeregelung ist daher ffir das Ger/it wesentlich. Dadurch unterscheidet es sich unter anderem nicht nur yon den mechanischen Sy- stemen, die gleichm/if3ig um einen fest vorgegebenen, vom Benutzer nicht zu beein- flussenden Betrag d/impfen, sondern auch yon einem yon der Firma Cosmocord gefertigten Ger/it, das auch elektronische Bausteine benfitzt. Dieses Ger/it ist jedoch nach den vorliegenden Unterlagen nicht regelbar.

Bei station/iren L/irmquellen aul3erhalb des Hauptsprachgebietes dfirfte mit einem Ausfiltern des Hauptl/irmbereiches die Sprachverst/indlichkeit zu verbessern sein.

Eine Verbesserung der Sprachverst/indlichkeit und des Richtungsgeh6rs bei bi- nauraler Ger/iteversorgung ist zu erwarten.

Die Frage liegt nahe, inwieweit sich das Prinzip auf die Spracherkennung Schwerh6riger im L/irm anwenden 1/iBt. Vor allem f/ir den Recruitment-Patienten

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Abb. 5. Sprachverst~indlichkeit in Prozent in 105 dB lautem L/irm als Funktion der Sprachlautst/irke und der Verst~irkung des Ger~ites. Bei einer Lautst/irke von z. B. 80 dB f/Jr Zahlen werden in 105 dB lautem L/irm ohne Ger/it 30% und mit Gergt 80% der Zahlen richtig nachgesprochen

Abb. 6. Verbesserung der Sprachverstgndlichkeit durch das Ger~it in 105 dB lautem L/irm in Ab- h~ingigkeit yon der Sprachlautst/irke und der Verst/irkung des Ger~ites. Das Ger~it zeigt in 105 dB lautem L/irm den grSfSten Nutzen f/it Sprache yon 85 dB bei einer Abschw~ichung des Get/ires von 0-20 dB. Dies ist sein giinstigster Anwendungsbereich. Es bringt dabei eine Verbesserung der Sprach- verst~indlichkeit um 60%

erscheint die schalld/immende Wirkung des mechanischen Schutzes, z. B. auch auf dem Gegenohr, jenseits der Begrenzung seines H6rger~ites vorteilhaft.

Die Kombination yon Schallschutz und beschriebenem Ger/it scheint auch f/ir Hyperakusis-Patienten geeignet. Entsprechend der Uberempfindlichkeit des Geh6rs kann das durchzulassende L~irm-Sprachgemisch vom Benutzer eingestellt werden. Nach den bisherigen Erfahrungen sind diese Patienten allerdings nicht bereit, als mechanischen Hfrschutz einen Kapselhfrschutz zu tragen. Hier w/ire eine Kombi- nation von Gedit mit einem Stfpsel-Gehfrsch/itzer unauff/illiger.

Abbildung 6 soil noch einmal die Verbesserung der Sprachverst/indlichkeit in einer anderen Darstellungsart deutlich machen. Ge/indert wurde lediglich die verti- kale Achse. Hier ist die Verbesserung der Sprachverst/indlichkeit durch das Ger/it,

Gergt zur Spracherkennung bei gleichzeitigem L/irmschutz 299

also die Sprachverst/indlichkeit mit eingeschaltetem Ger/it, gegenfiber der Sprach- verstgndlichkeit ohne Ger/it aufgezeichnet. Deutlich wird eine Verbesserung der Sprachverst/indlichkeit vor allem in einem Lautst/irkebereich yon 2 0 - 2 5 dB unter- halb des L/irmpegels. Mit Hilfe des Ger~ites kann unter den weiter oben beschriebe- nen Versuchsbedingungen z. B. in 105 dB lautem L/irm ein Gespr/ich von 80 dB verstanden werden, was mit mechanischem Schallschutz ohne Ger~t nicht m6glich ist. M6glicherweise beruht dieser Effekt darauf, dab das Lgrm-Sprachgemisch in einen f/Jr das Intensit/its- und Frequenzdiskriminationsverm6gen des Ohres besseren Bereich verlagert wird. Interessanterweise versteht das ungeschfitzte Ohr bei 105 dB L~rm Zahlen erst, wenn sic 90 dB laut sind. Am schlechtesten versteht man Zahlen in 105 dB lautem L/irm also ohne jeglichen Schallschutz, besser versteht man sic mit mechanischem Schallschutz, am besten mit einem Ger/it, wie hier beschrieben.

Literatur

Atherly, G. R. C., Noble, W. G.: H6rger~ite-Akustik 12, 90 (1973) Castelli, G.: Pract. (Basel) 30, 116 (1968) B+kbsy, G.v.: Ann. Physik 13, 111 (1932) Brinkmann, K., Broksch, K. H.: H6rger/iteakustik 9, 178 (1970); 10, 10 (1971) Lindemann, H. E.: Int. Audio1. (Leiden) 9, 358 (1970) Olrich, K.: Arch. Ohr.-, Nas.- u. Kehlk.-Heilk. im Druck (1976) Partsch, J. C. et al.: HNO (Berl.) 14, 107 (1966) Pfander, F.: Das Knalltrauma. Berlin-Heidelberg-New York: Springer 1975 Rethy, J.: Bull. Audiophonol. 2, 89 (1972) Summar, M. T., Fletscher, J. L.: Arch. otolaryng. (Chic.) 82, 618 (1965) Zwislocki, J.: J. Acoust. Soc. Amer. 27, 1154 (1955)

Eingegangen am 30. August 1976