Les appareils auditifs modernes sont passés de simples amplificateurs analogiques à des systèmes de traitement de signaux numériques sophistiqués qui peuvent s'adapter à des environnements acoustiques complexes. Le rythme rapide de l'innovation dans le traitement des signaux audio a fondamentalement transformé l'expérience utilisateur pour des millions de personnes souffrant de perte auditive.Ces avancées permettent aux utilisateurs d'entendre plus clairement leurs discours dans des restaurants bruyants, de profiter de la musique avec une meilleure fidélité et de se sentir plus connectés lors des interactions sociales.

Fondations du traitement numérique des signaux dans les aides auditives

Au cœur de toute aide auditive moderne est une puce de traitement de signal numérique (DSP) qui capture le son par un microphone, le convertit de l'analogique au numérique, le traite en temps réel, puis le convertit en analogique pour la livraison à l'oreille. Les taux d'échantillonnage varient généralement de 16 kHz à 48 kHz, avec des taux plus élevés permettant une reproduction plus précise des sons haute fréquence critiques pour l'intelligibilité de la parole.

Les premiers appareils auditifs numériques de la fin des années 1990 offraient une compression multicanaux de base et une réduction du bruit simple, mais les puces modernes peuvent gérer des dizaines de canaux de traitement et des algorithmes d'adaptation complexes. Les progrès dans la fabrication de semi-conducteurs ont permis aux fabricants d'intégrer plusieurs cœurs de traitement, des accélérateurs dédiés pour les tâches d'apprentissage de la machine et des radios sans fil sur une seule puce.

Principales techniques de traitement des signaux audio

Réduction du bruit adaptatif

Les premiers systèmes utilisaient des filtres simples à passe basse, mais l'ANR moderne met en œuvre des techniques telles que la soustraction spectrale, le filtrage Wiener et les estimateurs d'erreur carrée moyenne (MMSE) minimum. Ces méthodes évaluent le plancher sonore en continu et le soustractent ou l'atténuent tout en préservant les composants de type parole.

Les systèmes plus avancés utilisent deux microphones ou plus pour créer un signal de référence pour le champ sonore, permettant une meilleure annulation des sources de bruit dynamiques comme les voitures de passage ou le vent. Par exemple, un microphone orienté vers l'avant capte la parole cible plus le bruit, tandis qu'un microphone orienté vers l'arrière capte principalement le bruit. Le DSP soustrait le signal arrière du signal vers l'avant, atténuant les sons de derrière. Ce filtrage spatial est très efficace dans les milieux stationnaires mais nécessite une adaptation soigneuse pour éviter de fausser la parole lorsque le bruit n'est pas stationnaire.

Recherche publiée dans le Journal de la Société acoustique d'Amérique a montré que l'ANR moderne peut améliorer les seuils de reconnaissance de la parole de 3 à 8 dB en bruit modéré, ce qui se traduit par un avantage réel significatif pour les utilisateurs. Aujourd'hui, les appareils auditifs ajustent l'agressivité ANR en fonction de la classification de l'environnement, en veillant à ce que les utilisateurs ne subissent pas un effet --tunnel--- dans des environnements tranquilles tout en conservant une forte réduction du bruit dans les environnements chaotiques.

Microphones en faisceaux et en direction

La technologie de faisceautage utilise un éventail de deux microphones ou plus pour créer un motif directionnel de pick-up qui se concentre sur les sons de l'avant tout en atténuant les sons d'autres directions. Dans les appareils auditifs, la configuration la plus courante est un motif directionnel fixe (cardioïde ou hypercardioïde) pour l'écoute de front.

Certaines aides auditives de qualité supérieure mettent en œuvre la formation de faisceaux binauraux, où les microphones des deux aides auditives se coordonnent sans fil pour créer un faisceau superdirectionnel. Ce système peut améliorer le rapport signal-bruit (SNR) par un signal supplémentaire de 2 à 4 dB par rapport à la formation de faisceau monaural seul.

Pour y remédier, les concepteurs utilisent souvent une combinaison de faisceaux de formation pour les basses et moyennes fréquences et de réponse omnidirectionnelle pour les hautes fréquences, ou ils utilisent des réseaux différentiels de microphones qui réduisent la sensibilité au bruit de vent basse fréquence. Le résultat est une expérience d'écoute naturelle et confortable même dans des paramètres acoustiques difficiles.

Rétroaction Annulation

Les appareils auditifs modernes utilisent des algorithmes d'annulation de rétroaction adaptative (AFC) qui modélisent le chemin de rétroaction en temps réel et soustraitnt le signal prédit de l'entrée du microphone. Ces algorithmes fonctionnent en continu, s'adaptant aux changements causés par le mouvement de la mâchoire, le positionnement du téléphone ou la position de la tête.

Les innovations récentes comprennent des techniques de déplacement de fréquence combinées avec l'AFC pour réduire davantage le risque d'oscillation, en particulier avec des appareils auditifs à tube ouvert ou à tube mince qui ont une occlusion minimale. Des approches basées sur l'apprentissage profond sont également en train d'apparaître, où un réseau neuronal est formé pour distinguer entre les artefacts de rétroaction et les sons recherchés, permettant une annulation plus agressive sans déformer le stimulus.

Compression à large portée dynamique multicanaux

La perte auditive affecte rarement toutes les fréquences de façon égale; la plupart des individus ont différents degrés de perte dans les basses, moyennes et hautes fréquences. La compression dynamique large (WDRC) divise le son entrant en canaux de fréquence multiples (généralement 12 à 24 dans les appareils haut de gamme) et applique des rapports de gain et de compression indépendants dans chaque canal. La compression est appelée gamme dynamique large - , car elle amplifie les sons doux plus que les sons forts, ce qui rétablit la gamme dynamique auditive de l'utilisateur à un niveau normal.

Les systèmes avancés du WDRC utilisent l'attaque canal par canal et les temps de libération qui s'adaptent en fonction de l'enveloppe du signal. Par exemple, les syllabes de la parole déclenchent une compression rapide pour éviter une suramplification, tandis que le bruit à l'état stationnaire peut déclencher une libération plus lente pour éviter le pompage. Oreille et audition confirmer que la compression multicanaux correctement ajustée permet une meilleure reconnaissance de la parole et une meilleure qualité du son par rapport aux systèmes monocanaux, en particulier pour les utilisateurs qui ont une perte de haute fréquence en pente raide.

Amélioration de la parole et détection d'activité vocale

Au-delà de la réduction du bruit, les algorithmes d'amélioration de la parole travaillent à améliorer la clarté de la voix du porte-parole. La détection de l'activité vocale (VAD) identifie les segments du signal audio qui contiennent la parole et applique un traitement ciblé, comme un gain croissant dans les régions de fréquence consonne ou une mise en évidence de la fréquence fondamentale du porte-parole.

Dans le bruit sévère, les appareils auditifs peuvent combiner la VAD avec la reconstruction spectrale : les composants de parole manquants ou masqués sont synthétisés en utilisant la modélisation harmonique ou la correspondance avec une base de données de parole pré-entraînement.

Apprentissage automatique et intégration de l'IA

L'intelligence artificielle est devenue la tendance déterminante du traitement des signaux audio d'aide auditive au cours des cinq dernières années. Plutôt que de se fier uniquement à des algorithmes fabriqués à la main, les appareils modernes intègrent des réseaux neuraux qui peuvent apprendre de vastes ensembles de données de scènes acoustiques étiquetées et de préférences des utilisateurs.

Profils sonores personnalisés

Les professionnels de l'ouïe peuvent présenter une série de scénarios d'écoute à l'utilisateur, et l'appareil d'IA map l'utilisateur de caractéristiques de perte auditive et de préférences subjectives sur un profil sonore multidimensionnel. Ce profil définit comment chaque canal de fréquence est traité dans différents environnements – pas seulement des gains statiques, mais des pentes de compression, de l'agressivité de réduction du bruit, et même de la directionnalité du microphone.

Certains appareils auditifs intègrent maintenant l'apprentissage sur les appareils : l'utilisateur évalue la qualité du son à travers une application smartphone, et l'IA met à jour les paramètres de traitement en conséquence. Les algorithmes d'apprentissage du renforcement permettent à l'appareil d'explorer de légères variations et de renforcer les paramètres qui reçoivent des cotes positives.

Les réseaux neuronaux profonds (DNN) sont également utilisés pour dénouer de bout en bout. Un DNN est formé à des millions d'exemples de langages propres mélangés à différents types de bruit. Pendant son fonctionnement, le réseau prend l'entrée audio brute, analyse sa représentation de fréquence temporelle et produit une version nettoyée du signal de la parole.

Classification environnementale

La classification des scènes acoustiques (ASC) est un outil essentiel pour des réglages automatiques sans faille. L'appareil auditif analyse en continu les cadres courts du son (habituellement 20 à 50 ms) en utilisant des coefficients céptrals de fréquence mél, centroïde spectral, vitesse de passage zéro, et d'autres caractéristiques. Un classificateur – souvent une machine vectoriste de soutien ou un réseau neural peu profond – attribue le cadre à une classe telle que - pièce tranquille, --conversation dans le bruit, --traffic, --vent, --musique ou --.

Par exemple, en mode -Loud restaurant, l'appareil auditif utilise une forte réduction du bruit, un motif directionnel de formage du faisceau, et une libération rapide de compression pour préserver la clarté. En mode -Music-, le système passe à une réponse plus large de fréquence, à une compression plus lente et à une désactivation de la réduction du bruit pour éviter de fausser les harmoniques. La transition entre les modes est lissée sur quelques secondes pour éviter des changements brusques.

Certains produits prennent une étape plus loin en intégrant la connaissance de l'activité actuelle de l'utilisateur depuis leur smartphone (p. ex., marche, conduite ou assis). Cette conscience contextuelle permet à l'appareil auditif de prédire les besoins de l'utilisateur même avant que le changement acoustique ne se développe pleinement, réduisant la latence de l'ajustement.

Traitement des eaux et communications sans fil

Les vrais appareils auditifs binauraux, où deux appareils communiquent sans fil pour partager des paramètres audio et de traitement, représentent un bond en avant majeur. Les modèles anciens ne synchronisent que le volume et les changements de programme, mais les systèmes modernes échangent des signaux audio en bande pleine et coordonnent les décisions de traitement.

  • faisceaux binautiques formant: Les deux aides auditives travaillent ensemble pour créer un faisceau superdirectionnel et orientable qui peut se verrouiller sur un speaker de n'importe quelle direction. Parce que l'espacement du microphone est plus large (la largeur de la tête de l'utilisateur), le tableau offre une résolution spatiale beaucoup plus grande que les systèmes monarques.
  • Préservation spatiale: Les deux appareils auditifs partagent les mêmes paramètres de classification environnementale et de réduction du bruit, assurant ainsi que l'image sonore reste stable et naturelle. Sans coordination binaurale, une aide pourrait entrer en mode restaurant - - tandis que l'autre reste dans -quiet, - causant un effet de tête fantôme désorientant.
  • Diffusion et appels mains libres : Les protocoles sans fil comme Bluetooth Low Energy (BLE) et l'induction magnétique à champ proche (NFMI) permettent aux appareils auditifs de diffuser directement l'audio depuis les smartphones, les téléviseurs et d'autres périphériques.

La connectivité sans fil permet également de régler à distance les paramètres de l'appareil auditif par l'intermédiaire de plateformes de téléaudiologie. Les utilisateurs peuvent ajuster leurs paramètres d'aide auditive par l'intermédiaire d'une application smartphone ou faire des ajustements après une session à distance, qui est devenue particulièrement importante pour les soins continus pendant la pandémie et au-delà.

Orientations futures

L'innovation dans le traitement des signaux audio d'aide auditive est loin de ralentir. Plusieurs nouveaux fils de recherche promettent d'accroître encore les performances :

Matériel d'apprentissage de fond à faible puissance

La consommation d'énergie constitue le principal obstacle à l'adoption généralisée du traitement par réseau neuronal. Les générations futures de DSPs d'appareils auditifs intégreront des unités de traitement de tensor dédiés (TPU) ou des unités de traitement neuronal (NPU) qui peuvent effectuer des milliards d'opérations par seconde tout en tirant quelques centaines de microwatts. Cela permettra une inférence DNN sur le périphérique pour la dénature haute fidélité, l'annulation de commentaires et même la conversion en temps réel de la parole en texte pour le sous-titrage.

Fusion de capteurs et surveillance biométrique

Les appareils auditifs intègrent de plus en plus des capteurs d'inertie (accéléromètres, gyroscopes), des moniteurs de fréquence cardiaque et même des électrodes d'électroencéphalographie (EEG). En fusionnant des données audio avec des signaux de mouvement et physiologiques, les futurs dispositifs pourront déduire l'intention de l'utilisateur, par exemple en décelant que le porteur tourne la tête pour s'adresser à quelqu'un à gauche et en déplaçant automatiquement le radiateur.

Stimulation directe de l'auditeur Nerve

Pour les personnes ayant une perte auditive profonde qui ne bénéficient pas d'une amplification acoustique, les implants auditifs du tronc cérébral ou une stimulation cochléaire directe avec des signaux optiques ou électriques peuvent devenir plus petits et plus intuitifs. Bien que les techniques DSP développées pour les appareils auditifs, notamment l'amélioration de la parole et la réduction du bruit, ne soient pas strictement -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Expériences spatiales audio et immersive

Avec l'augmentation de la réalité augmentée et les normes audio spatiales, les appareils auditifs pourraient bientôt devenir des processeurs audio spatiaux personnels. En suivant l'orientation de la tête de l'utilisateur et en mélangeant plusieurs flux audio (par exemple, un appel téléphonique à gauche, une direction GPS à droite et un bruit ambiant de fond), les appareils auditifs pourraient créer une superposition auditive immersive.

Conclusion

Les innovations dans le traitement des signaux audio pour les appareils auditifs ont déjà transformé la vie de dizaines de millions d'utilisateurs dans le monde entier. De la réduction du bruit adaptative et de la diffusion au rayonnement, à la personnalisation par l'IA et à la coordination binaurale, les appareils auditifs modernes permettent de mieux parler, de mieux entendre le son naturel et d'accroître l'autonomie dans les activités quotidiennes.

Pour ceux qui s'intéressent à l'exploration plus approfondie, des ressources telles que Institut national sur la maladie et les autres troubles de la communication (NIDCD) et les Académie américaine d'audiologie fournir des conseils cliniques. Journal international d'audiologie offrir des résultats détaillés examinés par les pairs. Phonak et Oticon publier des livres blancs techniques sur leurs algorithmes de traitement propriétaires. Ces sources peuvent aider les audiologues, les ingénieurs et les utilisateurs à se tenir au courant des derniers développements.