Comment améliorer les performances et l'efficacité des amplificateurs sonores personnels (PSAP)

Les amplificateurs sonores personnels (PSAP) constituent un moyen économique de répondre au besoin d'une amplification auditive minimale pour les sportifs et les malentendants. Bien que ces appareils auditifs intelligents et réglables soient de plus en plus populaires, ils mettent continuellement les concepteurs au défi d'améliorer les performances tout en maintenant le coût et la consommation d'énergie au minimum.

Les défis proviennent de la nécessité de réduire les fuites ambiantes problématiques et les signaux de conduction osseuse dans le canal auditif, tout en tenant compte des retards dus à l'électronique de l'appareil auditif. Ces composants électroniques incluent des microphones, un haut-parleur, un DSP et un codec. La combinaison des signaux de gain et de latence de l'électronique avec le bruit ambiant et à conduction osseuse crée un effet de peigne qu'il faut comprendre. Ce n'est qu'alors que l'on peut l'atténuer efficacement pour mettre en œuvre une conception rentable et écoénergétique.

Cet article décrit la construction et le fonctionnement des amplificateurs sonores personnels, les exigences de conception typiques et les concepts techniques clés tels que l'effet de peigne. Il présente ensuite un codec audio basse consommation et hautes performances d'Analog Devices/Maxim Integrated destiné aux PSAP et pouvant être utilisé pour remédier à l'effet de peigne, et montre comment l'appliquer.

Exigences relatives au fonctionnement et à la conception de PSAP

Avec l'âge, il est souvent plus difficile d'entendre la radio, la télévision ou une conversation. Parfois, le bruit de fond empêche d'entendre une discussion au restaurant ou dans une réunion sociale. Jusqu'à présent, les solutions aux problèmes d'audition reposaient sur des prothèses auditives coûteuses, classifiées et réglementées comme des dispositifs médicaux. Quel que soit le degré de perte auditive de l'utilisateur, ces appareils sont considérablement plus coûteux que les appareils auditifs PSAP non réglementés.

Les PSAP rechargeables, destinés aux loisirs ou à l'amélioration de l'audition de bas niveau, offrent une amplification de bas niveau personnalisable pour aider les utilisateurs à entendre avec clarté en diminuant ou en augmentant les fréquences moyennes à élevées. L'amplificateur est généralement doté de circuits de suppression du bruit et de réinitialisation de l'amplification pour réduire le retour et le bruit de fond (Figure 1).

Figure 1 : Les PSAP tels que le C350+ ont une amplification de bas niveau personnalisable pour améliorer la clarté. (Source de l'image : Health Products for You (HPFY))

La gamme de fréquences de chaque dispositif dépend de l'application principale, comme la voix ou la musique. Pour la voix, la gamme de fréquences de fonctionnement s'étend de 20 Hertz (Hz) à 8 kilohertz (kHz), tandis que la musique atteint le maximum audible de 20 kHz. La plupart des amplificateurs PSAP sont équipés d'une batterie et d'un logiciel PC pour une amplification personnalisable sur toute la gamme de fréquences. Ces dispositifs sont également conçus pour offrir une excellente qualité sonore et une bonne intelligibilité de la parole pour les sons autour de l'utilisateur, au téléphone et pour le streaming audio.

Un système PSAP audio typique inclut un codec audio et un cœur DSP. Une vue simplifiée de ce système audio PSAP montre un codec audio avec une entrée de microphone vers un convertisseur analogique-numérique (CAN). Le codec audio décime la sortie numérique du CAN en vue de la transmission numérique vers le système sur puce (SoC) Bluetooth / le cœur DSP (Figure 2).

Figure 2 : Un système audio typique pour un PSAP comprend un microphone, un CAN, un décimateur, un cœur Bluetooth/DSP, un interpolateur, un convertisseur numérique-analogique (CNA), un amplificateur et un haut-parleur. (Source de l'image : Maxim Integrated, modifiée par Bonnie Baker)

Le cœur DSP/SoC Bluetooth décime davantage le signal en préparation pour le bloc DSP. Le bloc DSP traite le signal, l'interpole, puis renvoie le signal numérique au codec audio. Le codec audio reconvertit le signal numérique en signal analogique pour commander la sortie du haut-parleur.

Le PSAP activé a deux types de sons qui atteignent le tympan de l'utilisateur. S1 est la sommation de la fuite ambiante de la voix résiduelle de l'utilisateur (S1A) et de la conduction osseuse (S1B). Pour S1, le dispositif auditif occulte l'ouverture de l'oreille pour empêcher le son d'atteindre l'intérieur et de s'échapper à l'extérieur du canal auditif (Figure 3).

Figure 3 : Trois sources sonores atteignent le tympan avec un PSAP : la fuite ambiante (S1A), la conduction osseuse (S1B), et le son ambiant traité (S2A). (Source de l'image : Maxim Integrated, modifiée par Bonnie Baker)

Le microphone du PSAP capte le son ambiant (S2), le DSP le traite et le signal de sortie (S2A) est envoyé dans le canal auditif via le transducteur audio. Il est important de noter que la conception de la chaîne de traitement audio crée un retard. Ces trois sons résument le tympan de l'utilisateur pour créer l'expérience PSAP.

L'effet de peigne du PSAP

Pour l'expérience PSAP, le système audio nécessite l'ajout de tous les sons avant qu'ils n'atteignent le tympan. Le temps d'arrivée de S1A et S1B au tympan de l'utilisateur est identique, mais comme illustré, le signal S2 traverse le système audio, créant un léger retard. Si le retard et le gain ne sont pas réglés de manière adéquate, un effet d'écho se produit lorsque les sources sont additionnées (Figure 4).

Figure 4 : Modèle de signal pour la sommation des trois sons : S1A, S1B et S2. (Source de l'image : Bonnie Baker)

Les variables dans la Figure 4 sont le retard et le gain (G). Le signal S1 va directement au tympan. En ajoutant le son ambiant S1 au chemin électronique S2, la fonction de gain dans S2 crée un retard. L'addition de S1 et S2 a le potentiel de créer un écho, mais cela peut être minimisé en manipulant le temps de retard et la magnitude du gain.

La Figure 5 montre la réponse du signal résultant pour un retard égal à 0,4 milliseconde (ms) et 3 ms, et G égal à 0 décibel (dB), 15 dB et 30 dB.

Figure 5 : Réponse en fréquence résultante de deux sons basée sur le modèle de signal, avec des variations de retard de 0,4 ms à 3 ms et des variations de gain de 0 dB, 15 dB et 30 dB. (Source de l'image : Maxim Integrated, modifiée par Bonnie Baker)

Les réponses en fréquence normalisées dans la Figure 5 illustrent l'effet de retard et de gain sur le tympan. Il existe une distorsion, ou effet de peigne, sous la forme de multiples crans pour G égal à 0 dB. L'effet de peigne peut dégrader la qualité du son par réverbération ou écho. Dans la Figure 5A, un retard de 3 ms crée plus de crans à une fréquence beaucoup plus basse.

Avec un gain supérieur dans la Figure 5B, l'effet de peigne perd de son importance. La variation de gain de 0 dB à 15 dB forme une ondulation de ~3 dB à 15 dB de gain. La Figure 5C montre une réponse presque plate pour les deux retards à un gain de 30 dB.

Comment atténuer l'effet de peigne

Comme décrit, une augmentation du gain et une diminution du retard réduisent l'effet de peigne dans un système PSAP conventionnel afin de réduire sa réverbération ou son écho. Un dispositif PSAP avancé remplace les composants de retard/gain par un filtre numérique à faible latence supplémentaire, utilisé pour réaliser une fonction anti-bruit (Figure 6).

Figure 6 : Quatre sons atteignent le tympan dans un système PSAP avancé : S1A, S1B, S2A et S2B. (Source de l'image : Maxim Integrated, modifiée par Bonnie Baker)

Dans la Figure 6, le codec audio basse consommation et hautes performances MAX98050 génère un anti-bruit (S2B) qui interagit avec le son ambiant passif original pour former un nouveau son. Le MAX98050 est doté de fonctionnalités de suppression du bruit et d'amélioration vocale/ambiante reposant sur un filtre numérique à faible latence et basse puissance qui garantit que S2B réduit le bruit à basses fréquences.

La Figure 7 montre un schéma fonctionnel simplifié basé sur la solution PSAP MAX98050.

Figure 7 : Le codec MAX98050 crée l'interface de signal PSAP pour faire varier le gain, et réduire le bruit et le retard. (Source de l'image : Bonnie Baker)

Une simulation basée sur le schéma fonctionnel de la Figure 7 illustre l'effet de peigne du système MAX98050, et l'impact du gain et du temps de retard sur le bruit (Figure 8).

Figure 8 : Une simulation basée sur le schéma fonctionnel de la Figure 7 montre l'effet de peigne du MAX98050 et l'impact du gain et du temps de retard sur le bruit. (Source de l'image : Maxim Integrated)

La Figure 8 montre que la solution anti-bruit de Maxim accentue la différence de gain entre S1 et S2. En plus de la simulation, des mesures basées sur le facteur de forme réel et le système d'évaluation en temps réel valident la solution anti-bruit proposée.

Il faut noter que la réduction du retard dans les systèmes audio requiert des fréquences d'échantillonnage CAN et CNA relativement élevées. Ces changements augmentent la charge de calcul et réduisent le rendement énergétique. On constate globalement une dégradation des performances audio.

Conclusion

Les amplificateurs sonores personnels offrent des avantages clairs et rentables à tous ceux qui cherchent à améliorer leurs capacités auditives. Pour les concepteurs, le défi consiste à améliorer l'efficacité et les performances, ce qui nécessite une gestion plus efficace de l'effet de peigne. Comme illustré, en utilisant le codec basse consommation toujours actif MAX98050 de Maxim Integrated, les concepteurs peuvent atténuer l'effet de peigne des PSAP, ce qui se traduit par une amélioration des performances audio et énergétiques et par une conception système flexible pour les amplificateurs sonores personnels nouvelle génération.