Медтехника >> Слуховой аппарат с подавлением фонового шума
Слуховой аппарат с подавлением фонового шума
 1. Предыстория.
Пришло время, когда моей матери понадобился слуховой аппарат. Начал я с того, что приобрёл китайский за $10. Все его достоинства оказались только в том, что он надевается на ухо. Больше 20 минут мать его не выдерживала. Как оказалось, причина в том, что он усиливает все посторонние шорохи и другие звуки. И в ухе всё время стоит шум.
Поискав в Интернете, нашёл схему, о которой много положительных отзывов:
https://radioskot.ru/publ/unch/karmannyj_slukhovoj_apparat/6-1-0-627.
Собрал схему и тут же упёрся в настройку. Так и не смог нормально настроить аппарат. Проще оказалось отмоделировать его и настроить модель.
Схему пришлось немного изменить, зато аппарат заработал сразу.
Отдельно отмоделировал микрофонный усилитель и выходной усилитель. Модели приведены на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. Модель микрофонного усилителя с АРУ.
Моделирование показало сильную зависимость уровня напряжения на коллекторе транзистора Q1 от питающего, что приводило к сбоям в работе АРУ и одностороннему ограничению переменной составляющей выходного сигнала. Кроме того, оказалось, что светодиод не является хорошим стабилизатором напряжения и его величина - порядка 2 В, недостаточна для нормальной работы АРУ. В результате светодиод заменён на прецизионный стабилизатор напряжения TL431.
Кроме того, введение резистора R12 устранило искажения при малых уровнях сигнала.
Выходной усилитель собран на микросхеме MC34119 по схеме Fig.26 из технического описания (datasheet).
Рис. 2. Модель выходного усилителя.
В схеме добавил конденсатор C6, который немного снижает усиление на верхних частотах. Реально это приводит к снижению шума.
Я не ставил задачу сразу сделать маленький аппарат, который можно засунуть в ухо. Габариты в моём случае не были определяющим фактором, главной задачей было - разобраться с этим вопросом, поэтому сделал модули, с которыми можно работать отдельно. Результаты показаны на рисунках 3 - 7.
Рис. 3. Доработанная схема микрофонного усилителя.
Рис. 4. Расположение элементов на плате микрофонного усилителя.
Рис. 5. Доработанная схема выходного усилителя.
Рис. 6. Расположение элементов на плате выходного усилителя.
Рис. 7. Внешний вид собранного слухового аппарата из двух модулей.
Вставил полученный аппарат в первую подвернувшуюся коробку, показанную на рисунке 8, и отдал на испытания.
Рис. 8. Внешний вид полностью собранного слухового аппарата.
Испытания показали, что аппарат получился лучше китайского, фоновый шум оказался меньше. Я связываю это с ограниченной полосой пропускания. Автоматическая регулировка усиления тоже повышает комфортность восприятия речи. Но в результате фоновый шум остаётся решающим фактором, из-за которого слуховой аппарат хочется снять. Это не шум транзисторов, он очень мал, это шум окружающего пространства.
Понимая, что в наше время собирать на транзисторах - архаизм, нашёл специальную микросхему микрофонного усилителя с АРУ - MAX9814. И у наших друзей из Китая нашёл дешёвую платку, на которой уже собран усилитель на этой микросхеме, показанную на рисунках 9 и 10.
Рис.9. Плата микрофонного усилителя.
Рис.10. Вид со стороны монтажа.
Готового выходного усилителя не нашёл, поэтому собрал его на микросхеме TPA301 в том же стиле, по схеме, показанной на рисунке 11.
Рис.11. Схема усилителя на микросхеме TPA301.
Микросхема TPA301 имеет меньший ток потребления, чем MC34119 и более приспособлена для низкого напряжения питания.
Внешний вид готового усилителя показан на рисунке 12.
Рис.12. Внешний вид готового усилителя на микросхеме TPA301.
Схема, печатная плата и сборочный чертёж усилителя на микросхеме TPA301 приведены в архиве.
Сделал на кусочке макетной платы коммутационную плату с регулятором громкости и собрал все три платы вместе. Внешний вид слухового аппарата, собранного из платы микрофонного усислителя и выходного усилителя на микросхеме TPA301 показан на рисунке 13.
Рис.13. Внешний вид собранного из плат слухового аппарата.
Должен заметить, что качество такого слухового аппарата на порядок лучше аппарата на транзисторах. Получилось хорошее сочетание полосы пропускания микрофонного усилителя 20 Гц-20 кГц и фильтра в выходном усилителе с полосой пропускания 630 Гц - 4300 Гц. Но проблема шума окружающего пространства осталась.
Вообще проблема фонового шума встала перед разработчиками с момента появления телефонной и радиосвязи. И на сегодня она успешно решена.
2. Подавление фонового шума.
Сегодня в средствах связи используются специальные микросхемы, содержащие отдельный узел - идентификатор фонового шума, который определяет паузы в переговорах абонентов и во время пауз уменьшает усиление переговорного тракта. В результате, когда оба абонента молчат, мы не слышим шумов окружающего пространства. Одной из широко используемых микросхем является микросхема переговорного тракта MC34118. Логично попытаться использовать её для построения слухового аппарата.
3. Слуховой аппарат на микросхеме MC34118.
Микросхема MC34118 содержит все необходимые узлы для построения слухового аппарата - микрофонный усилитель, частотный фильтр, аттенюатор, который можно использовать для организации АРУ, выходной усилитель, и дополнительно - идентификатор фонового шума. Все трудности разработки заключались в том, как использовать только передающий канал и грамотно отключить приёмный.
В результате все трудности удалось преодолеть, кроме одной. Выходной усилитель микросхемы рассчитан на сопротивление нагрузки 600 Ом. Если нагружать его на низкоомные наушники, по цепи питания микросхемы возникает обратная связь, которая приводит к возбуждению на больших уровнях громкости. И увеличёние ёмкости конденсатора в цепи питания до конца проблему не снимает. Пришлось использовать ранее изготовленный модуль выходного усилителя.
Частотный фильтр был выполнен в виде фильтра верхних частот с частотой среза 300 Гц, выходной усилитель - тот же, что и в предыдущем варианте. Результирующую частотную характеристику можно посмотреть в модели, показанной на рисунке 14.
Рис. 14. Модель результирующего фильтра частот слухового аппарата.
После всех модификаций образовалась схема, показанная на рисунке 15.
Рис. 15. Схема слухового аппарата на микросхеме MC34118.
На рисунке 16 показано расположение элементов на плате.
Рис. 16. Расположение элементов на плате слухового аппарата.
Выводы 21 и 22 микросхемы DA1 следует поднять или обрезать! Они никуда не подключаются. Их места заняты перемычками.
Для изготовления корпуса использовалась коробка от старого CD-диска:
Рис. 17. Материал для корпуса.
Удобно то, что материал хорошо режется нагретой проволокой, натянутой в лобзике вместо пилки, и быстро клеится дихлорэтаном.
Поскольку аппарат пока ещё является опытным образцом, до конца доводить его не стал, расположил переменные резисторы и выключатель питания на макетной плате, припаял навесной разъём для наушников и вставил китайскую платку для зарядки аккумулятора, как показано на рисунке 18.
Рис. 18. Полностью собранная плата слухового аппарата.
После установки в корпус получилось вполне законченное изделие:
Рис. 19. Готовое изделие.
В результате испытаний выяснилось, что этот аппарат не хочется снимать через 20 минут. Когда нет разговора, в наушниках полная тишина и он не напрягает.
Из достоинств микросхемы MC34118, кроме наличия идентификатора фонового шума, хочется отметить простоту организации АРУ. К стандартной обвеске необходимо добавить один диод (VD1). (Я добавил ещё резистор R8 для более плавного включения АРУ). При этом глубина АРУ может составлять 26 дб.
Из недостатков - большое количество «лишних» элементов, необходимых для грамотного отключения приёмного канала.
Нововведением является наличие двух регуляторов громкости.
Первый регулятор (RP2) регулирует коэффициент усиления микрофонного усилителя. Он определяет «дальнодействие» слухового аппарата. Например, в помещении, где разговаривает много людей, нам не надо одинаково слышать всех. Достаточно уменьшить усиление и слушать человека, с которым разговариваешь. При этом динамический диапазон выше и разборчивость лучше. Там же, где людей мало и они находятся на удалении, можно повысить усиление и слушать, о чём они говорят.
Вторым регулятором (RP3) устанавливают комфортный уровень громкости в наушниках. Поскольку сигнал на выходе микрофонного усилителя, в связи с наличием хорошей АРУ, имеет почти всегда одинаковую величину, уровень громкости в наушниках при регулировании «дальнодействия» меняется слабо.
В принципе, второй регулятор можно не выносить, а вместо него поставить подстроечный резистор, которым один раз установить комфортный уровень громкости, а дальше пользоваться только первым регулятором.
Опыт показал, что резистор RP1 можно убрать, вместо него поставить перемычку. При указанном номинале резистора R2 все опробованные микрофоны имеют максимальную чувствительность при минимальных искажениях как раз при закороченном RP1.
Приложение. Все схемы, рисунки и печатные платы в архиве.
В.С. 8 января 2020 г.
3.1. Доработка по результатам испытаний.
В результате испытаний схема была значительно упрощена. Оказалось, что фильтр, входящий в микросхему, не нужен. Он только ухудшает частотную характеристику. Достаточно фильтра в выходном усилителе. Кроме того, удалось уменьшить количество деталей обвески микросхемы. Всего удалено семь конденсаторов, два резистора и один подстроечный резистор. Окончательный вариант схемы приведён на рисунке 20.
Рис. 20. Доработанная схема слухового аппарата на микросхеме MC34118.
Эту схему можно рассматривать как окончательный вариант. В качестве второго регулятора громкости используется подстроечный резистор RP2. Им один раз устанавливается комфортный уровень громкости. Первым регулятором устанавливается зона действия.
Печатная плата разработана для SMD - монтажа с использованием элементов размера 0603 (1608). Габариты платы 35 х 40 мм определялись исходя из того, что питание будет осуществляться от трёх аккумуляторов ААА, или от аккумулятора для фотоаппарата (мобильного телефона). Сборочный чертёж приведён на рисунке 21.
Рис. 21. Сборочный чертёж слухового аппарата на микросхеме MC34118.
Вывод 25 микросхемы DA1 следует поднять или обрезать. Он никуда не подключён Его площадка используктся для другой связи.
Внешний вид собранного аппарата показан на рисунке 22.
Рис. 22. Внешний вид платы собранного аппарата на микросхеме MC34118.
Эту плату я приклеил толстым двусторонним скотчем к контейнеру для трёх батареек АА скрышкой и выключателем:
Рис. 23. Плата, приклеенная к контейнеру..
И накрыл корпусом от контейнера без крышки и выключателя:
Рис. 24. Внешний вид собранного аппарата.
Используя оставшуюся от корпуса предыдущего аппарата внутреннюю часть коробки от СД диска, немного облагораживаем внешний вид:
Рис. 25. Облагороженный внешний вид собранного аппарата.
Рисунок печатной платы для ЛУТ, схему и сборочный чертёж можно скачать здесь.
В.С. 18 февраля 2020 г.
3.2. Доработка с целью минимизации конструкции.
Габариты полученного аппарата немного превышают размеры, которые позволили бы разместить его в контейнере для батареек ААА. Кроме того, испытатели предыдущих аппаратов отметили недостаток: если источник звука очень слаб, схема относит его к фоновому шуму и не позволяет прослушать. Для устранения этого недостатака введён ещё один переключатель, позволяющий отключить подавление шума.
Схема последнего варианта слухового аппарата показана на рисунке 26. На риснке 27 - сборочный чертёж этой схемы.
Рис. 26. Схема последнего варианта слухового аппарата.
Рис. 27. Сборочный чертёж последнего варианта слухового аппарата.
Для питания предполагается использовать миниатюрный литий-полимерный аккумулятор. Он имеет встроенную защиту, поэтому заряжать его можно непосредственно от выхода USB. Но для индикации процесса зарядки и её окончания сделана отдельная плата. Схема платы индикации представлена на рисунке 28, а её сборочный чертёж - на рисунке 29.
Рис. 28. Схема платы индикации зарядки.
Рис. 29. Сборочный чертёж платы индикации.
На рисунке 30 показан внешний вид обеих плат в сборе.
Рис. 30. Внешний вид собранных плат.
Установка плат в корпус показана на рисунке 31, а внешний вид полностью собранного изделия - на рисунке 32.
Рис. 31. Установка плат в корпус.
Рис. 32. Внешний вид полностью собранного изделия.
Рисунок печатной платы для ЛУТ, схему и сборочный чертёж можно скачать здесь.
В.С. 29 апреля 2020 г.
4. Идентификатор фонового шума.
Однако, возникает резонный вопрос: - А нельзя ли идентификатор фонового шума изготовить отдельно, не в составе сложной микросхемы.
На рисунке 33 показана схема, выделенная из микросхемы MC34118 в том виде, как она представлена в описании микросхемы. Аттенюатор выполнен по упрощённой схеме на транзисторах VT1, VT2, микросхеме DA3.2 и элементах обвязки.
Рис. 33. Схема идентификатора фонового шума.
На рисунке 34 представлена схема модели этого идентификатора.
Рис. 34. Схема модели идентификатора фонового шума.
Эта модель очень помогла разобраться с времязадающими цепями слухового аппарата на микросхеме MC34118 и правильно настроить его.
Как видим, схема достаточно сложная и по габаритам едва ли будет меньше, чем микросхема MC34118 со всей обвязкой. Возможно, имеет смысл выполнить этот узел в виде отдельной микросхемы, но этому я ещё не научился, поэтому попробую сделать её на рассыпухе.
Отдельно делать идентификатор не вижу смысла. Имеет смысл выполнить его вместе с выходным усилителем, как дополнение к предварительному усилителю. Лучше всего показал себя китайский усилитель на микросхеме MAX9814. Для него и сделаем подавление фонового шума.
Схема идентификатора, адаптированная к этому усилителю, представлена на рисунке 35. На рисунке 36 показан сборочный чертёж.
Рис. 35. Схема идентификатора фонового шума с выходным усилителем.
Рис. 36. Сборочный чертёж идентификатора фонового шума.
Монтаж выполнен с двух сторон. На нижней стороне расположены предварительный усилитель, гнездо для телефона, регулятор громкости и переключатели. Внешний вид собранной платы с двух сторон показан на ри сунке 37.
Рис. 37. Внешний вид платы в сборе.
Джамперы слева внизу относятся к предварительному усилителю, ими можно установить одно из трёх значений коэффициента усиления и одно из трёх значений времени задержки АРУ. (У меня самым лучшим вариантом оказались громкость 50 или 60 дБ | 
