Структурная схема слухового аппарата

Один мой знакомый поделился со мной своей проблемой – он стал плохо слышать и начал замечать, что при просмотре телевизора неразборчиво слышна речь, приходится увеличивать громкость, что создает неудобство для окружающих. Раньше его служба проходила на аэродроме, занимался техническим обслуживанием реактивных самолетов, в молодости не уделял внимания защите органов слуха. В результате потеря слуха на 40%, особенно теряется в таких случаях восприятие высоких звуковых частот речевого спектра от 1000 Гц и выше. Промышленные слуховые аппараты стоят очень дорого, и я решил ему помочь – собрал слуховой аппарат своими руками из простых и доступных деталей. Схема собранного устройства приведена ниже.

Слуховой аппарат представляет собой несложное звукоусиливающее устройство, состоящее из микрофона, входного усилителя, оконечного усилителя и телефона. Входной усилитель собран на двух транзисторах Т1 и Т2 по схеме с непосредственными связями между каскадами и охвачен общей отрицательной обратной связью по постоянному току, с целью стабилизации коэффициента усиления и улучшения амплитудно-частотной характеристики. Установка режимов транзисторов Т1 и Т2 осуществляется с помощью резисторов R3 и R6. Важным является применение в первом каскаде усилителя малощумящего транзистора П28. Кроме того, режим работы этого транзистора (Iк=0,4 мА, Uкэ=1,2 В) также обеспечивает минимальные шумы. Усилитель обеспечивает равномерное усиление сигнала в полосе частот разговорного спектра 300. 7000 Гц. С коллектора транзистора Т2 сигнал поступает на потенциометр R7, выполняющий роль регулятора усиления. Вместо транзистора П28 можно применить: МП39Б, ГТ310Б, ГТ322А, кремниевые КТ104Б, КТ203Б, КТ326Б, но особенно хорошие результаты дают малошумящие транзисторы серий КТ342, КТ3102 и KТ3107. Оконечный каскад собран на транзисторе Т3 по схеме усилителя с плавающей рабочей точкой, что позволяет резко уменьшить ток, потребляемый каскадом в режиме молчания.

Данная схема усилителя слухового аппарата отличается эффективным смещением рабочей точки каскада и соответственно небольшими нелинейными искажениями. При подаче сигнала на вход с резистора R7 через конденсатор С6 сигнал поступает на базу транзистора Т3.Усиленный транзистором сигнал с коллектора Т3 через конденсатор С8 поступает на выпрямитель-удвоитель на диодах Д1 и Д2. Выпрямленное напряжение накапливается на конденсаторе С7 и прикладывается к базе транзистора Т3, смещая его рабочую точку в сторону открывания.

Резистором R8 устанавливается начальный ток каскада. Слуховой аппарат питается напряжением 9 вольт от элемента "Крона". Светодиод Д3 служит для индикации включения питания. В качестве микрофона можно использовать любой миниатюрный динамический или конденсаторный микрофон. В случае применения конденсаторного микрофона, необходимо подать на него питание через резистор 3 – 5 кОм. В качестве телефона можно использоватьТМ-3, ТМ-4. Для слухового аппарата был подобран подходящий пластмассовый корпус, в котором размещается печатная плата и источник питания. При налаживании необходимо в первую очередь установить токи всех транзисторов. резисторами R4 и R6 токи Т1 и Т2, затем резистором R8 при отключенном микрофоне устанавить ток покоя Транзистора Т3 равным 2—2,5 мА. На базу транзистора Т3 с генератора подают сигнал частотой 1000 Гц и амплитудой, соответствующей максимальной амплитуде сигнала на коллекторе транзистора Т3. Резистором R9 добиться неискаженного усиления сигнала. При этом ток коллектора транзистора должен иметь величину 15—17 мА. Подобрать ёмкость конденсатора C3 по наиболее лучшему звучанию, отсутствию резких звуков. Автор: Шимко Сергей.

Слуховой аппарат функционально состоит из высокочувствительного электретного микрофона и малошумящего усилителя низкой частоты (УНЧ), нагруженного на головные телефоны.

Принципиальная схема

Усилитель слухового аппарата должен иметь усиление более 10000 раз по напряжению, подъем частотной характеристики в диапазоне 300-300 Гц и обеспечивать на выходе достаточную мощность.

Низковольтное питание (2-3 В) заставляет внимательно отнестись к подбору режимов питания по постоянному току транзисторов, качеству самих транзисторов и других деталей. Несмотря на пониженное питание, проблема борьбы с возбуждениями усилителя как по звуковой, так и высокой частоте остается.

Рис. 1. Принципиальная схема высокочувствительного усилителя НЧ для слухового аппарата.

Детали и конструкция. В корпусе из-под китайского микроприемника УКВ диапазона размещают головные телефоны, гнездо для их подключения, регулятор громкости с выключателем, светодиод-индикатор включения.

При разработке печатной платы необходимо так разместить эти детали, чтобы они совпадали с отверстиями, имеющимися в корпусе бывшего приемника. Естественно, что такой вариант конструкции слухового аппарата не единственный.

Детали

Микрофон малогабаритный электретный МКЭ-ЗЗ2; транзисторы КТ3102Д, Е с коэффициентом усиления 500-800, КТ31 5б, Г, Е с коэффициентами усиления 100-150; резисторы типа МЛТ-0,125; конденсаторы различных типов, основное требование к ним – возможно меньшие размеры.

Наушники – малогабаритные головные телефоны китайского производства. Питание – от гальванических элементов. Потребляемый слуховым аппаратом ток почти в 2 раза меньше, чем у микроприемников УКВ диапазона.

Налаживание

Налаживание заключается в подборе резистора R1 в указанных пределах по максимальной чувствительности аппарата. Максимальный потребляемый ток при свежих элементах питания 9-10 мА.

Свидетельством правильно отлаженного УНЧ является сохранение его работоспособности при напряжении питания 1,5 В, хотя усиление значительно снижается по сравнению с питанием от двух элементов.

Данный слуховой аппарат имеет меньший уровень шума, чем аппараты, выпускавшиеся в Советском Союзе в 80-х годах; чувствительность и уровень звукового давления на выходе у него выше, чем у слуховых аппаратов заушного типа или размещающихся в дужке очков.

Схему слухового аппарата можно рассматривать как базовую. Несмотря на то что в схеме приняты некоторые меры для сужения полосы частот, его звучание намного более естественнее и приятнее, чем у промышленных слуховых аппаратов.

Однако дальнейшее сужение полосы частот УНЧ может понадобиться при конструировании аппаратов для лиц с большим уровнем потери слуха. Для уменьшения потребляемого тока в оконечный каскад УНЧ можно ввести режим "плавающей точки" и др.

Автор: Ю. А. Штань, В. Ю. Штань, г. Бердянск.

Литература: 1. Справочник радиолюбителя/Под ред. Г.М. Терещука, К.М. Терещука, С.А. Седо-ва.-К.: Вища шк., 1981.

ЭЛЕКТРОНИКА В БЫТУ

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 микро-! схема 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 боль» ших 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 звуковосприни-мающего 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.

Рис.1. Структурная схема слухового аппарата

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). 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.

Рис. 2. Принципиальная схема входного усилителя I

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:.;нак 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. 3. Принципи­альная схема вход­ного усилителя 2

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. Транзистор первого каскада работает в микротоковом режиме (Iк=0,04 мА, UKa — l В). Коэф­фициент усиления такого усилителя равен 3000.

Рис. 4. Принципиальная схема входного усилителя 3

Большее усиление можно получить, если между пер­вым и вторым каскадами поставить эмиттерный повто­ритель так, как показано на рис. 4. Здесь кроме местных отрицательных обратных связей в каждом каскаде и общей ООС по постоянному току введена еще и ООС по переменному току (ROc), с помощью которой можно регулировать коэффициент усиления усилителя. Коэффи­циент усиления усилителя без обратной связи

Ранее уже говорилось, что основные искажения сквозной АЧХ СА определяются микрофоном и телефо­ном. В слуховых аппаратах наиболее распространен микрофон Ml. Его частотная характеристика приведена на рис. 5 [1].

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.

Рис. 5. Амплитудно-частотная характеристика микрофона

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. Коли – – чество 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.

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. 6. Принципиальные схемы фильтров II порядка; а — нижних частот; б — верхних частот

Для ФНЧ и ФВЧ II порядка, задавшись R1=R2=R и С1 = С2=С (для ФВЧ

расчет элементов фильтров следует производить по формуле

где fо — частота среза фильтра.

Для ФНЧ и ФВЧ III порядка, задавшись R2=R3 = R и С2 = СЗ = С (для ФВЧ

и при условии расчет элементов фильтров нужно вести по формулам

Рис. 7. Принципиальные схемы фильтров III порядка: a — нижних частот; 6 — верхних частот

Рис. 8. Заградительный фильтр:

а — принципиальная схема; б — частотная характеристика

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.

Полоса заграждения фильтра зависит от его коэф­фициента усиления.

Средняя частота полосы заграждения определяется по формуле

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 однотактной схеме и работает в линей – , ном 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.

Оконечные усилители, построенные по схемам рис. 10, обеспечивают максимальные выходные уровни 122 и 133 дБ для рис. 10, аи 10, б соответственно, КПД около 50 %

Рис. 10. Принципиальные схемы двухтактных оконечных усилителен

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 предыдуг щих, — 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 (р-n-р, n-р-n), материал (германий, кремний), обратный ток коллектора, коэффи­циент усиления, напряжения насыщения. Транзисторы устанавливались в усилитель, выполненный по схеме рис. П. 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.

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.

Рис. 11. Принципиальная схема оконечного усилителя с микро­схемой

“>

Читайте также:  Материалы для выравнивания пола под линолеум

Оставьте ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *