|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50---->
Полезная схемотехника. статьи № 51-100
Схемотехника слуховых аппаратов.
В. Муравин
Людям с ослабленным слухом слуховой аппарат (СА) помогает общаться с окружающим миром, принимать активное участие в трудовой и общественной деятельности. Для одних он является единственным способом воспроизведения человеческой речи, для других — средством повышения разборчивости речи и даже дает возможность улучшить качество прослушивания музыки.
В нашей стране промышленностью выпускаются несколько типов слуховых аппаратов с различными техническими характеристиками и в разных конструктивных исполнениях.
В настоящее время ведутся работы по переводу слуховых аппаратов на новую элементную базу, по улучшению их технических характеристик и эксплуатационных удобств. Так, разработана специализированная микросхема для СА К538УН2. Усилитель этой микросхемы имеет малые шумы, потребляемую мощность и рассчитан на подключение телефона с сопротивлением 1 кОм.
Однако у выпускаемых промышленностью СА можно отметить следующие недостатки:
недостаточное акустическое усиление. Потери слуха у людей с поражением звуковоспроизводящего аппарата могут достигать 80...90 дБ на частоте 4 кГц, которая считается минимально допустимой верхней частотой полосы пропускания с точки зрения обеспечения удовлетворительной (92%) разборчивости речи [1];
плоская частотная характеристика аппарата, которая согласно ГОСТ 10893—69 должна иметь в полосе частот 400...3000 Гц неравномерность не более 30 дБ (люди с различными видами потери слуха имеют различные аудиограммы);
низкая экономичность СА. Токи потребления имеют силу около 5...12 мА, что при использовании источников питания емкостью 0,05...0,15 мА/ч обеспечивает работу аппарата в течение 10... 12 ч. Выходные каскады работают, как правило, в линейном режиме, а это ведет к тому, что ток потребления в режиме молчания такой же, как и при максимальной громкости;
отсутствие ограничителей максимального уровня. Только одна модель СА имеет АРУ, к тому же малоэффективную. Не применяются в промышленных слуховых аппаратах ограничители пиковых значений сигнала и компрессоры;
отсутствие заметных (хорошо видимых) индикаторов включения, что особенно важно при относительно больших токах потребления. Как правило, СА имеет метку на регуляторе громкости, совмещенном с выключателем питания.
Среди параметров СА наибольшее влияние на качество воспроизведения звуков и разборчивость речи, а следовательно, и на реальный эффект при протезировании слуха оказывают амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) слухового аппарата и уровень шумов.
Остановимся на этом подробнее. Как уже отмечалось, выпускаемые промышленностью СА имеют плохую АЧХ, а потери слуха могут характеризоваться различными аудиограммами. Если при поражении звуковоспроизводящего аппарата аудиограмма плоская и имеет неравномерность около 20 дБ, то при поражении звуковоспринимающего аппарата и комбинированном поражении аудиограмма имеет спад в области частот 500...4000 Гц с наклоном, достигающим 30 дБ/окт. [1].
Кроме того, необходимо учитывать, что микрофоны и телефоны, применяющиеся в СА, также имеют спад на частотной характеристике с наклоном, достигающим в области частот 2000...4000 Гц 30 дБ/окт. Некоторые СА снабжены регуляторами частотной характеристики, однако они представляют собой простейшие цепи и не обеспечивают требуемой коррекции.
Второй немаловажный фактор, влияющий на качество работы СА— уровень шумов. Известно, что для разборчивого восприятия речи необходимо, чтобы соблюдалось соотношение сигнал/шум больше 20 дБ. Если принять минимальный уровень интенсивности звуков 40 дБ, тогда напряжение шумов, приведенных ко входу, должно быть не более 3 мкВ.
Внутренние шумы СА могут быть снижены применением во входных каскадах малошумящих транзисторов.
Труднее выделить полезный сигнал на фоне окружающих шумов. Если здоровое ухо воспринимает окружающие шумы избирательно по направлению, т. е. выбирает из них полезную информацию, приходящую с определенного направления, то СА усиливает звуки, приходящие со всех сторон; в результате на входе слухового прохода соотношение сигнал/шум бывает недостаточным.
При совершенствовании СА и создании новых моделей необходимо учитывать все перечисленные факторы, влияющие на качество воспроизведения звуков и разборчивость речи.
Рассмотрим структурную схему слухового аппарата.
Слуховой аппарат представляет собой, как правило, устройство, состоящее из микрофона, входного усилителя, устройства коррекции, оконечного усилителя, телефона (рис. 1).
Рис. 1 Структурная схема слухового аппарата
Устройство коррекции может быть совмещено с одним из усилителей, однако при этом оно не будет функционально и конструктивно законченным и полностью обеспечивать довольно высокие требования по коррекции частотной характеристики СА.
Кроме того, в состав СА могут дополнительно включаться ограничитель максимального уровня выходного сигнала, индикатор включения СА, индикатор разрядки батарей и т. п.
Технические требования, предъявляемые как ко всему СА, так и к составляющим его устройствам, определяются характеристиками слуха пациента.
Наиболее детальное и точное измерение характеристик слуха обеспечивает аудиометрический метод измерения, при котором на исследуемое ухо через электродинамические телефоны подаются тональные сигналы различной частоты и громкости. Электродинамические телефоны пригодны в данном случае, так как имеют наименьшее акустическое сопротивление и обеспечивают поэтому меньшую зависимость звукового давления от индивидуальных различий размеров внешнего уха. Кроме того, это удовлетворяет требованию единства измерений, когда результаты могут быть сравнимы и не зависят от места, времени и условий проведения.
Можно пойти по другому пути: снимать аудиограмму с тем телефоном, который будет эксплуатироваться со слуховым аппаратом. Тогда в аудиограмме будут учтены как частотные характеристики данного телефона, так и индивидуальные особенности слухового прохода, что позволит создать более эффективную схему коррекции АЧХ слухового аппарата. Второй путь приемлем при создании СА для конкретного пациента. В том случае, если СА создаются по модульному принципу, может быть разработан ряд модулей устройств коррекции, один из которых после снятия аудиограммы встраивается в аппарат.
Входной усилитель СА должен иметь коэффициент усиления, достаточный для раскачки оконечного каскада. Немаловажным требованием являются и низкие шумы, так как источником сигнала для входного усилителя является микрофон, имеющий относительно малую чувствительность (около 4 мВ/Па). Особенностью работы входных усилителей СА являются малые рабочие токи и напряжения.
Обычно входные усилители СА строятся по двух- или трехкаскадной схеме, в которой транзисторы включаются по схеме с общим эмиттером. Стабилизация режима по постоянному току осуществляется с помощью местных отрицательных обратных связей.
Большей стабильностью, чем в промышленных СА, обладает усилитель, схема которого приведена на рис. 2 [2].
Рис. 2. Принципиальная схема входного усилителя 1
Этот усилитель построен по схеме с непосредственными связями между каскадами и охвачен общей отрицательной обратной связью (ООС) по постоянному току. Режим по постоянному току устанавливается с помощью резисторов R3 и R6. В первом каскаде усилителя применен малошумящий транзистор П28. Кроме того, режим работы этого транзистора (Iк=0,4 мА, Uкэ=1,2 В) также обеспечивает минимальные шумы. Полоса частот усилителя по уровню —3 дБ 300...7000 Гц, коэффициент усиления Ку равен 1700.
В малошумящих входных каскадах хорошо работают германиевые транзисторы П28, МП39Б, ГТ310Б, ГТ322А, кремниевые КТ104Б, КТ203Б, КТ326Б, но особенно хорошие результаты дают малошумящие транзисторы серий КТ342, КТ3102 и КТ3107. Они способны работать при токах коллектора, исчисляемых десятками микроампер, и напряжении коллектор — эмиттер менее 1 В, не теряя высоких усилительных свойств.
Схема входного усилителя на транзисторах КТ3102Е приведена на рис. 3 и по построению аналогична предыдущей схеме.
Рис. 3. Принципиальная схема входного усилителя 2
Транзистор первого каскада работает в микротоковом режиме (Iк = 0,04 мА, Uкэ=1 В). Коэффициент усиления такого усилителя равен 3000.
Большее усиление можно получить, если между первым и вторым каскадами поставить эмиттерный повторитель так, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Принципиальная схема входного усилителя 3
Здесь кроме местных отрицательных обратных связей в каждом каскаде и общей ООС по постоянному току введена еще и ООС по переменному току (Rос), с помощью которой можно регулировать коэффициент усиления усилителя. Коэффициент усиления усилителя без обратной связи (Rос отключен) равен 11 000, с обратной связью — 1700; напряжение шумов, приведенное ко входу при его закорачивании, не более 2 мкВ.
Ранее уже говорилось, что основные искажения сквозной АЧХ СА определяются микрофоном и телефоном. В слуховых аппаратах наиболее распространен микрофон M1. Его частотная характеристика приведена на рис. 5 [1].
Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика микрофона
Эта характеристика усредненная и снята в условиях свободного звукового поля. Такие измерения представляют трудную техническую задачу. В реальных условиях на вид частотной характеристики микрофона большое влияние оказывают объем помещения, окружающие предметы и т. п. Поэтому в дальнейшем в расчет будем брать усредненную характеристику микрофона.
Анализ усредненных характеристик микрофона, телефона и потерь слуха при различных видах повреждений позволяет разделить частотный диапазон на три участка: до 1000 Гц, от 1000 до 2000 Гц и выше 2000 Гц.
На участке до 1000 Гц результирующая АЧХ, представляющая сумму АЧХ микрофона, телефона и потерь слуха, имеет небольшой подъем, обусловленный подъемами АЧХ микрофона и телефона.
На участке от 1000 до 2000 Гц результирующая АЧХ может быть постоянной, иметь подъем или спад, что связано с формой характеристики потерь слуха на этом участке. Здесь же могут быть небольшие максимумы и минимумы.
На частотах выше 2000 Гц спад результирующей АЧХ обусловлен спадом АЧХ телефона и характеристики потерь слуха.
Отсюда следует, что при разработке устройств коррекции необходимо сформировать АЧХ этих устройств, обратную результирующей АЧХ тракта «микрофон-телефон-ухо».
Такая характеристика коррекции может быть получена параллельным включением фильтров низких частот (ФНЧ), фильтров высоких частот (ФВЧ) или заградительных фильтров в различных комбинациях. Количество звеньев фильтра зависит от требуемого наклона АЧХ.
Устройства коррекции могут быть построены на основе активных фильтров, описанных в [4, 5], в которых в качестве неинвертирующих усилителей лучше использовать не операционные усилители, а более экономичные эмиттерные повторители.
Рис. 6. Принципиальные схемы фильтров II порядка: а —нижних частот; б —верхних частот
Схемы активных ФВЧ и ФНЧ II порядка приведены на рис. 6, а ФВЧ и ФНЧ III порядка — на рис. 7. Они имеют частотные характеристики с наклоном 12 и 18 дБ/окт. соответственно.
Рис. 7. Принципиальные схемы фильтрои III порядка: а — нижних частот; б — верхних частот
Если характеристика коррекции должна иметь больший наклон, необходимо включить несколько фильтров последовательно.
Схема заградительного фильтра приведена на рис. 8, а, а его частотная характеристика — на рис. 8, б.
Рис. 8. Заградительный фильтр:
а — принципиальная схема; б — частотная характеристика
Полоса заграждения фильтра зависит от его коэффициента усиления.
Средняя частота полосы заграждения определяется по формуле
fо=0,28/RC ,
где R=R1=R2, С=С1=С2.
Оконечные усилители должны иметь, как правило, плоскую АЧХ, обеспечивать требуемый максимальный уровень сигнала на нагрузке и быть экономичными.
В промышленных СА оконечный каскад построен, как правило, по одотактной схеме и работает в линейном режиме, поэтому выходной уровень и КПД таких усилителей, а следовательно, и СА невелики.
Повысить КПД СА можно, если оконечный усилитель построить по схеме с плавающей рабочей точкой, как показано на рис. 9, а, б [2]).
Рис. 9. Принципиальные схемы оконечных усилителей с плавающей рабочей точкой
Устройство по схеме на рис. 9,б отличается более эффективным смещением рабочей точки каскада при подаче сигнала на вход и соответственно меньшими нелинейными искажениями. Резистором R1 устанавливается начальный ток (без сигнала), равный 2...3 мА, а резистором R2 — минимальные искажения сигнала на нагрузке. При этом максимальный коллекторный ток транзистора VT1 достигает 20 мА. Оконечный усилитель, построенный по схеме рис. 9, обеспечивает на нагрузке 60 Ом максимальный сигнал 500 мВ при напряжении питания 3 В и 1,5 мВ при напряжении 9 В, что соответствует максимальным выходным уровням 120 и 130 дБ (при чувствительности телефона, принятой 0,04 Па/мВ). Недостатки таких схем — низкий (не более 10...15 %) КПД и большие нелинейные искажения. Больший КПД (до 50 %) обеспечивают оконечные усилители, построенные по двухтактной схеме, как показано на рис. 10, а, б. В этих усилителях начальный ток, равный 1,2 мА для схемы рис. 10, а и 2 мА для схемы рис. 10, б, устанавливается резисторами R4 и R2 соответственно. Резисторами R2 и R4 для схем по рис. 10, а и 10, б соответственно устанавливается напряжение в точке А, равное половине напряжения питания.
Рис 10. Принципиальные схемы двухтактных оконечных усилителей
Оконечные усилители, построенные по схемам рис. 10, обеспечивают максимальные выходные уровни 122 и 133 дБ для рис. 10, а и 10, б соответственно, КПД около 50 %.
Почти такими же характеристиками, как и усилитель, построенный по схеме рис. 10, б, но при меньшем количестве деталей, обладает усилитель на операционном усилителе К140УД5А (рис. 11). Здесь резистором R1 устанавливается напряжение в точке А, равное половине напряжения питания, а резистором R4 — коэффициент усиления каскада. Начальный ток составляет примерно 2,8 мА. Усилитель, построенный по схеме рис. 11, обеспечивает максимальный выходной уровень 131 дБ. КПД этого усилителя несколько ниже, чем у предыдущих,— 37%.
При исследовании не ставилась цель — подобрать в каждой паре транзисторы по параметру h21э. При подборе транзисторов в каждую пару рассматривались их справочные данные: структура (p-n-p, n-р-n), материал (германий, кремний), обратный ток коллектора, коэффициент усиления, напряжения насыщения. Транзисторы устанавливались в усилитель, выполненный по схеме рис. 11.
Рис. 11. Принципиальная схема оконечного усилителя с микросхемой
В каждой паре были исследованы по 3 транзистора каждого типа (чтобы исключить случайный подбор). Измерялось максимальное выходное напряжение на нагрузке — резисторе сопротивлением 60 Ом. Результаты измерений приведены в табл. 1.
Таблица 1
Из таблицы видно, что лучшие результаты получаются с германиевыми транзисторами. Использование высокочастотных транзисторов ГТ329Б и ГТ310Б не оправдано, к тому же значения предельно допустимых параметров этих транзисторов близки к рабочему режиму в этом усилителе.
Еще большим КПД (до 75%) обладают оконечные усилители, выполненные по мостовой схеме. Хотя они имеют почти в 2 раза больше деталей, но позволяют получить вдвое большую мощность при том же напряжении источника питания, что особенно важно для переносных устройств.
В простейшем случае оконечный усилитель, собранный по мостовой схеме, представляет собой два одинаковых оконечных каскада (А2, A3), входы которых подключены к каскаду с парафазными выходами (А1), а выходы — к нагрузке (рис. 12).
Рис. 12. Структурная схема мостового оконечного усилителя
При использовании в оконечных каскадах интегральных операционных усилителей (ОУ) можно исключить каскад с парафазными выходами, включив один ОУ по схеме с инвертирующим входом, другой — по схеме с неинвертирующим входом. Схема такого усилителя приведена на рис. 13.
Рис. 13. Принципиальная схема мостового оконечного усилителя
Оконечные усилители могут быть выполнены также по схемам, приведенным в [3]. Все они собраны по мостовой схеме и отличаются друг от друга способами включения выходных транзисторов и их раскачки. КПД этих усилителей от 40 до 75 %.
В табл. 2 приведены сравнительные характеристики оконечных усилителей, выполненных по схемам рис. 9, 10, 11, 13.
Таблица 2
В промышленных СА индикация включенного состояния осуществляется с помощью риски на регуляторе громкости, совмещенном с выключателем питания.
Однако такой индикатор малозаметен, а холостое включение приводит к быстрой разрядке источников питания.
Хорошую индикацию включения СА обеспечивают светодиоды. Практика показала, что светодиод АЛ102А хорошо светится уже при токе 2,5...3 мА, а светодиод АЛ310А — даже при токе 1,5 мА.
Для индикации включения СА можно применить импульсный индикатор, схема которого приведена на рис. 14. Основу его составляет несимметричный мультивибратор на транзисторах VT1, VT2. Нагрузкой мультивибратора является светодиод VD3 АЛ310А. Длительность его свечения определяется параметрами цепи R2C1, а частота вспышек — параметрами цепи R3C2. Резистор R4 ограничивает импульсный ток через светодиод. На приведенной схеме частота вспышек светодиода составляет примерно 0,5 Гц, а соотношение выключенного и включенного состояния светодиода — около 7.
Рис. 14. Принципиальная схема импульсного индикатора
Рассмотрим несколько возможных конструкций СА.
Схема наиболее простого СА представлена на рис. 15 [2]. В состав этого аппарата входит двухкаскадный входной усилитель и однокаскадный оконечный усилитель с плавающей рабочей точкой. Индикатором включения является светодиод АЛ102А.
Рис. 15. Принципиальная схема слухового аппарата 1
В аппарате использованы микрофон Ml и телефон ТМ2А от промышленных слуховых аппаратов. Регулятор громкости с выключателем — резистор СП3-3. Питание аппарата осуществляется от батареи «Крона».
Технические характеристики СА: акустическое усиление 58 дБ, максимальный выходной уровень 128 дБ. Начальный ток потребления (без сигнала) не более 4 мА. АЧХ усилителя плоская в диапазоне 300...7000 Гц. СА размещается в пластмассовом корпусе размером 85X59X24 мм.
Слуховой аппарат, схема которого изображена на рис. 16, достаточно экономичен: при питании от двух батарей напряжением 1,5 В он потребляет (при отсутствии сигнала) ток 1,7 мА. При этом параметры СА не хуже, чем у предыдущей конструкции. Так, акустическое усиление составляет 64 дБ, а максимальный выходной уровень 120 дБ. Этот СА также имеет плоскую АЧХ в диапазоне 300...6000 Гц и размещается в пластмассовом корпусе размером 85x59x18 мм.
Рис. 16. Принципиальная схема слухового аппарата 2
При разработке следующей конструкции была снята характеристика потерь слуха с телефоном ТМ-2А. Аудиограмма плохослышащего сравнивалась с аудиограммой здорового человека. Разницей этих двух аудиограмм является характеристика потерь слуха, которая представлена на рис. 17.
Рис. 17. Характеристика потерь слуха
Снятие аудиограммы проводилось следующим образом. Вначале устанавливалась частота и минимальный уровень сигнала с выхода генератора. Затем телефон, на который рассчитан разрабатываемый аппарат, размещали в слуховой проход. Уровень сигнала постепенно увеличивали до тех пор, пока он не стал слышимым. Производилось измерение сигнала с выхода генератора. Затем нормально слышимый сигнал постепенно уменьшали. Когда звук в телефоне пропал, измеряли милливольтметром сигнал с выхода генератора. Среднеарифметическое значение первого и второго измерений сигнала генератора и будет пороговым уровнем. Необходимо провести измерение пороговых уровней в диапазоне частот 200...7000 Гц. Для повышения точности измерений и исключения случайных ошибок снятие аудиограммы можно повторить 3...5 раз.
Из характеристики потерь видно, что на участке до 1000 Гц наблюдается подъем с наклоном примерно 12 дБ/окт., а после 1000 Гц — резкий спад: до 2500 Гц с наклоном 26 дБ/окт., затем еще больше. Наложив на характеристику потерь слуха усредненную АЧХ микрофона [1], мы можем получить характеристику устройства коррекции. Она выглядит так, как показано на рис. 18.
Рис. 18. Характеристика устройства коррекции
Такая характеристика может быть получена с помощью заградительного фильтра, схема и экспериментальная частотная характеристика которого представлена на рис. 19.
Рис. 19. Принципиальная схема и амплитудно-частотная характеристика заградительного фильтра
Схема слухового аппарата с коррекцией представлена на рис. 20.
Рис. 20. Принципиальная схема слухового аппарата 3
Этот аппарат содержит двухкаскадный входной усилитель, устройство коррекции, представляющее собой заградительный фильтр, двухкаскадный оконечный усилитель, собранный по двухтактной бестрансформаторной схеме, и импульсный индикатор включения СА. Акустическое усиление аппарата 87 дБ, максимальный выходной уровень 124 дБ. Начальный ток потребления (без сигнала) не более 1,8 мА. Частота вспышек светодиодного индикатора подобрана примерно 0,5 Гц, а соотношение выключенного и включенного состояний светодиода — около 7, поэтому его потребление от источника питания мало.
Питается слуховой аппарат от двух батарей напряжением 1,5 В. Размещен он в пластмассовом корпусе размером 59x85x16 мм. По субъективной оценке этот СА обеспечивают хорошую разборчивость речи и позволяет улучшить качество прослушивания музыки. Особенно большой выигрыш получен на участке 1...3 кГц, тогда как при использовании обычных слуховых аппаратов звуки с такими частотами практически не прослушиваются.
Литература
1. Эфрусси М. М. Слуховые аппараты и аудиометры.— М.: Энергия, 1975.
2. М у р а в и и В. Д. Слуховые аппараты.— В помощь радиолюбителю. Вып. 58, 1977.
3. Алексеев Г. В. Некоторые методы подключения мостовых усилителей мощности к предусилителю.— Полупроводниковая электроника в технике связи. Вып. 21, 1981.
4. Маклюков М. RС-фильтры с плоскими частотными характеристиками.— Радио, 1968, № 7.
5. Кареев В., Терехов С. Операционные усилители в активных RС-фильтрах.—Радио, 1977, № 8.
|
