5.6方向性麦克风技术
在助听器选配过程中，提高噪音环境下的言语分辨率一直是助听技术发展的目标之一，因此方向性麦克风技术在助听器领域的运用效果始终被人们所关注，特别是到目前为止方向性麦克风技术仍是唯一一项被反复证明能有助于提高助听器信噪比、帮助助听器佩戴者提升言语识别率的助听技术。
方向性麦克风系统是通过技术手段使得助听器有选择地放大来自佩戴者正前方的声音，相应地限制来自侧后方的声音（一般为无用或不重要的噪声源），从而让佩戴者能更好地排除干扰，专注于聆听谈话内容。就广义而言，助听器的方向性功能归属于降噪技术，但由于方向性功能仅能对不同方向的声源进行区分，因此只适用于有用信号（一般来说是言语信号）和噪声信号来自不同方向的场合。而降噪技术则是在言语信号和噪声信号来自同一方向（混合在一起）时，能相应降低噪声信号的强度，提高信噪比。在数字式助听器日益普及的今天，许多中高档的助听器都具备了方向性麦克风系统。
5.6.1方向性麦克风系统的类型
1.单体麦克风方向性系统
（1）结构
单体方向性麦克风系统是通过经特殊设计的单体麦克风实现的。该类麦克风内部设横隔机械振膜，同时具备两个呈前后位置排列的入声口，根据需要，前后入声孔开口方向可置于直线位置，也可呈一定角度排列。前后入声口分别与机械振膜两面相连，后入声口内设有声学延时装置（阻尼器）。
（2）工作原理
自助听器后方传来的声波将首先传递进入麦克风后入声口，这部分声波（声波A）进入麦克风口后遇到声学延时装置（阻尼器），声波A就此被延迟。通常这类由声学延时装置（阻尼器）造成的声波延迟被称为内部延时Ti。同时，另一部分声波（声波B）将继续向前传播到达麦克风前入声口，但是由于两个麦克风口之间存在一定的距离，故这类声波由麦克风后入声口到达前入声口所需的时间通常被称为外部延时Te。
因此，如果声学延时阻尼器对声波的内部延时Ti 被设计成恰好等于外部延时Te时，即当声波B到达麦克风的前入声口并使连接前入声口的麦克风前半腔压力产生变化时，声波A也正好进入麦克风后半腔（Ti＝Te），声波A和声波B将在各自腔体内产生非常接近的声压，促使机械振膜两面声压能量抵消，机械振膜振动及电位的变化消失，无电信号产生。由此可见，单体方向性麦克风能够有效消除来自后侧方向的声波，阻止后侧声音信号的干扰，而不影响从前方传入的声音信号，从而实现方向性效果。
（3）方向性
值得注意的是，单体方向性麦克风所产生的方向性，是在声学信号被转换成电信号之前就形成的，因此该类麦克风的方向性是由外部延时Te及内部延时Ti的比所决定的（外部延时由两个入声口之间的距离决定，内部延时由声学延时装置决定）。故在设计助听器时，通过调整后入声口的声学延时装置（阻尼器），即可使助听器产生不同的方向特性。但是，由于单体方向性麦克风在设计时就被赋予了固定的方向性，不仅无法在方向性和全向性之间切换，其使用环境也存在较大限制。因此，目前单体方向性麦克风在助听器上的单独应用趋于减少，仅由于其入声口间距较小的特点，通常在同一个全向性麦克风组合后被运用于耳内式或半耳式定制助听器。另外，单体方向性麦克风机械振膜感受的是两部分声音的声压差值，声音信号的一部分会被抵消，因此其总强度必定会有一定程度的减弱，尤其是在低频部分。
2.双麦克风方向性系统
（1）结构
双麦克风方向性系统是由一对匹配的全向性麦克风组成。麦克风之间有一定距离，这样采得的信号仅与语音相关，降低了噪声。
（2）工作原理
与单体方向性麦克风系统采用阻尼器实现从后入声口进入的声音信号的延迟不同，双麦克风方向性系统中全部的声音信号均以未处理的状态进入前后麦克风，并被立即转换成电信号，因此，双麦克风方向系统内部并没有实现指向性，而是采用了信号延迟电路（模拟或数字信号处理芯片），以实现来自后置麦克风的声音信号延迟。
例如，当该声音信号的内部延时Ti（即由信号延迟电路形成的电子延时）被设定等于外部延时Te时（即声波从后置麦克风传递到前置麦克风所需的时间），自后方传递至前后麦克风的声音信号进入减法器后，将完全抵消，因此来自后方的声音被消除，方向特性由此产生。另外，在双麦克风方向性系统的典型应用上，信号延迟电路通常设置于后置麦克风的信号处理通路中，如此便可较为容易地得到各种不同的麦克风极性。同时这种设计的好处还在于能够方便地在方向性和全向性之间选择切换，只需把延时电路关闭（延迟为零）就变成全向性了。
值得注意的是，相对于单体方向性麦克风系统而言，双麦克风方向性系统的优势更为明显。
其中最重要的在于：在单体方向性麦克风系统中，延时比是由麦克风制造商事先固定的，因此只有一种特定的方向性设定可获得；而双麦克风方向性系统却具有很高的灵活性，其前后麦克风口间的距离和内部延时特性均可由助听器制造商调整。特别是随着近年来数字信号处理技术发展的日趋成熟，在某些具备多记忆程序的高端助听产品中，不同的延时比可通过编程设置到不同的听力程序中，用以实现助听器佩戴者根据不同聆听环境的特点，自由快捷地切换至最为适合的极性图，或是结合数字信号处理技术，使其极性图随着噪声源角度的变换而变换。当然，其中必须包含全向性麦克风程序，因为在大部分聆听环境下，全向性仍是最为合适的麦克风状态。
另外，双麦克风方向性系统还具备能够在低噪音环境下优化信噪比的优势。因为（虽然）在绝大部分设计良好的助听器中，麦克风产生的噪声占据了本底噪声中最多的成分，同时由于麦克风数量的增加，方向性麦克风的噪音将比全向性麦克风更高。但是，双麦克风方向性系统的设计却能够在一定程度上改善这种状况。因为同样的言语信号被传递至两个麦克风后，经两个麦克风的输出叠加，言语信号会被增加6dB，而每个独立的麦克风产生的噪音却是随机且无关联的，被叠加后，麦克风噪音在输出上仅增加了3dB，即信噪比获得了3dB的净增长。因此，若将两个麦克风的输出衰减或降低6dB，使增益回到所需的原始状态，那么一个3dB的麦克风噪音抑制就被获得了，同样重要的是，3dB的衰减是可以被助听器佩戴者所感受到的。而方向性模式中内部麦克风噪音实际高出的3dB则会被环境的噪音所掩盖，因为佩戴者只在噪音环境中方才使用方向性模式，此时环境噪音的信号将大大强于任何线路产生的本底噪声。
3.三麦克风方向性系统
三麦克风方向性系统是以双麦克风方向性系统为基础的延伸产物，是目前助听器领域具有最大指向性指数的新技术，其DI值平均较双麦克风系统高2～3dB，最大可获得12dB的信噪比。
（1）结构
三麦克风方向性系统由三个麦克风整合而成（麦克风A在前、麦克风B居中、麦克风C在后），以水平方向呈前后排列。
目前，三麦克风系统中的麦克风类型通常采用以下两种方式组合：其一，被称为“o-g-o”模式，由三个独立的全向性麦克风组成；其二，被称为“o-g-o”模式，由两个特性一致的全向性麦克风和一个压差式麦克风组成。尽管“o-g-o”模式的方向性指数和“o-o-o”模式较为相似，但其对麦克风增益变化的宽容性相对较好，更重要的是，“o-g-o”模式在单麦克风性能受到影响（经过使用以后）出现失配（mismatch）的情况下，声音信号所受到的影响较“o-o-o”模式小得多。
（2）工作原理
三麦克风方向性系统采用三个双麦克风呈塔状分布组成二阶差分抵消的处理模式。麦克风A和B、麦克风B和C各组成一个双麦克风系统，而两个系统的输出将再次被送入抵消器，通过三次对后方信号的抵消，三麦克风将获得极高的指向性指数。但由于低频滚降的存在，低频信号会同时被过多地削减，故从第二阶抵消器输出的信号虽然有很高的指向性指数，但对低频信号（1000Hz以下）的灵敏度将会大幅下降，造成音质受损，甚至还会减少言语信号的可听度。因此在三麦克风系统中，低频部分的信号是采用双麦克风系统的输出经低通滤波器直接获得的，只有高频部分的信号才通过高通滤波器从二阶抵消器输出的信号中获得，最后高低频信号进入加法器进行叠加处理，获得完整的信号。
在使用多麦克风系统时需要注意的是，由于使用了多个麦克风（两个以上），麦克风之间的匹配就尤为重要，匹配难度也随之增加。而且由于麦克风数量的增多，相应带来的麦克风本底噪声问题也将更为突出。
5.6.2麦克风方向性指数和极性图
1.麦克风方向性指数
（1）方向性指数的定义
方向性指数（directivity，DI）是一项用于衡量助听器指向性功能的指标，是指对前面声音的灵敏度相对于其他方向平均灵敏度的比例，用分贝（dB）表示。在自由声场中，完美的麦克风匹配以强心形指向图，其方向性指数为6dB。但是，经常引用于助听器说明中的方向性指数（DI）表达的仅是助听器抑制来自佩戴者后方的噪音的效果，其并不能说明助听器对其他方向噪音所起到的抑制效果。对于不同的极性图，最高的三维方向性指数是5.9dB，但其前后的灵敏度比例却很差，而最高的二维方向性指数是4.8dB。
（2）方向性指数的计算
方向性指数的测试和计算至今已有60多年的历史，而目前最被广泛接受的方向性指数的公式是由Beranek在1954年提出的。运用该数学方程式可精确地计算出已知形状的麦克风方向性系统极性图的方向性指数。但是在工程计算中，通常需要通过求总和的方式进行逼近计算，尽可能多角度地测试P（f，θ，φ）值，因为理论上只要Δθ、Δφ足够得小，就能够获得精确的DI值。而自由声场的测试，由于信号在测试空间中足够地对称，可假设在水平和垂直平面间信号存在完全的对称性，因此该前提下的方向性麦克风系统的DI仅需计算水平面的DI值做估算即可。
（3）方向性指数的差异
通常而言，某个方向性麦克风系统的方向性指数（DI）能用工程的方式通过自由声场和人体模型（KEMAR）测试获得，也能通过数学的方式从理论上获得。因此，往往同一个方向性麦克风系统的DI值可分为理论DI值、自由声场DI值和KEMAR DI值。
理论DI值是对方向性麦克风系统特定的空间极性图的数学描述，可通过数学方式（即由极性图计算）获得。理论上心形极性图的方向性指数（DI）是4.8dB（仅指信号在1000Hz时的理论值）。
自由声场DI值是以经验方式获得的DI值，其前提为假设测试环境足够对称，仅测量助听器麦克风对水平面各方向声音信号的声压值，后由方程式3估算出DI。自由声场DI测试所采用的麦克风品质或助听器频域特性是必须考虑的，因此其比理论DI值更符合实际情况。
人体模型DI值由测试值通过总和逼近的方式获得。因为当助听器从自由声场转移到人体模型上测试时，麦克风指向轴方向尽管保持同自由声场中测试相同，但头颅、耳廓和躯干仍会对麦克风产生影响。此时，不仅KEMAR和助听器的组合是不对称的，即使是助听器本身的设计也不存在完全对称，因此在计算KEMAR助听器的DI值时，就必须考虑更多的因素对声学环境对称性的改变和破坏（例如麦克风在助听器上的位置和设计、身体的反射、实际的环境条件），不可简单地通过方程式3估算，而必须进行空间测试并采用方程式2计算。
总体而言，不同DI间的差别是显着的，越接近真实使用环境，方向性指数也就越低，无论是何种类型的极性图或助听器。
2.麦克风极性图
麦克风极性图（polar plot patterns）是一种用以体现助听器对来自不同方向声音接受灵敏度和方向性麦克风系统的方向性效果的示意图，具体通过一个360°的坐标图来表现，通常将来自正前方的声源方向定义为0°、正后方为180°，极坐标以顺时针方向（从助听器佩戴者头顶向下观测）从0°到360°分布，其中声音被完全抵消的方向在图中呈凹槽状，即抵消槽。而抵消槽的角度则决定了助听器麦克风系统内部延时和外部延时的比值Ti/Te。以超心形为例，超心形极性图的抵消槽是125°和235°，该入射方向的声波到达前后麦克风口的时间差是｜cos125°｜×Te＝0.75Te，因此通过计算可知，要使该方向入射的声音信号通过麦克风系统抵消，必须使助听器麦克风系统的延时比Ti/Te＝0.57，即Ti＝0.57Te。所以，如果想改变抵消槽的位置（90°至207°），只需调整延时比Ti/Te即可达成。
