Phoneme Compression: processing of the speech signal and effects on speech intelligibility in hearing-Impaired listeners

Hoortoesteldragers houden vaak problemen met het verstaan van spraak in lastige akoestische omstandigheden. Een ander bekend probleem is dat door de versterking van het hoortoestel bepaalde geluiden als te hard ervaren worden, terwijl andere belangrijke geluiden nog steeds niet worden gehoord. Ter compensatie van deze beperkingen kan dynamiekcompressie worden toegepast in het hoortoestel. Dit is een vorm van signaalbewerking die voor voldoende versterking zorgt bij lage niveaus, zonder het gehoor te overbelasten bij hoge signaalniveaus. Een compressiesysteem heeft tijd nodig om een verandering in versterking te realiseren. Deze is instelbaar via de zogenaamde tijdsconstanten. Bij hoge waarden van de tijdsconstanten reduceert de compressor alleen globale verschillen in signaalniveau. Deze vorm van compressie wordt Automatische Volume Controle (AVC) of Automatic Gain Control (AGC) genoemd. Indien de tijdsconstanten kort gehouden worden reduceert de compressor ook intensiteitsverschillen tussen opeenvolgende spraakklanken. Deze vorm van dynamiekcompressie wordt daarom vaak aangeduid met syllabische compressie of foneemcompressie. Het doel hiervan is het optimaliseren van spraakverstaan door een verbeterde detectie van zwakkere spraakklanken. In dit proefschrift wordt een vorm van foneemcompressie onderzocht die bedoeld is om de perceptie van hoogfrequente spraakklanken te verbeteren bij slechthorenden. Het systeem verandert continu de verhouding tussen laag- en hoogfrequente versterking, afhankelijk van de niveaus van de afzonderlijke spraakklanken. Dit leidt tot extra versterking van de zwakke klanken. Verder is een aparte configuratie ontwikkeld om de negatieve invloed van laagfrequente versterking te verminderen op de perceptie van hoogfrequente spraak (“anti-upward-spread-of-masking” of “anti-USOM” genoemd). Ons hoofddoel is om de effecten van deze vormen van foneemcompressie te evalueren op spraakverstaan bij slechthorenden (hoofdstukken 4 t/m 7). Tevens is onderzocht hoe het spraaksignaal beïnvloed wordt door verschillende vormen van compressie (hoofdstukken 2 en 3). De akoestische metingen in hoofdstukken 2 en 3 geven een goed inzicht in hoe spraak en andere snel fluctuerende signalen beïnvloed worden door compressie. Spraak kan beschouwd worden als een continue stroom geluiden met een variërend spectrum. Deze spectrale verschillen leiden tot fluctuaties in de omhullende van het spraaksignaal binnen verschillende frequentiebanden, ook wel modulaties genoemd. De sterkte van de modulaties wordt uitgedrukt door de modulatiediepte. Foneemcompressie zal, indien effectief toegepast, de modulatiediepte binnen het spraaksignaal verkleinen. De effectieve mate van compressie kan geschat worden door de modulatiediepte voor en na compressie met elkaar te vergelijken. Deze methode is toegepast voor “eenvoudige” amplitude-gemoduleerde signalen (hoofdstuk 2) en spraak(-achtige) signalen (hoofdstuk 3). Een andere methode bestaat uit het vergelijken van de niveauverdelingen binnen spraak voor en na compressie (hoofdstuk 2). De resultaten laten zien dat relatief korte tijdsconstanten nodig zijn om de voor het spraakverstaan relevante modulaties te beïnvloeden. Verder blijkt dat alleen compressie uitgevoerd in verschillende frequentiekanalen in staat is intensiteitsverschillen te reduceren in de afzonderlijke frequentiebanden. Opmerkelijk genoeg blijken niet alleen de instellingen van de compressor invloed te hebben op de mate van effectieve compressie, maar ook het gebruikte testsignaal. Voor spraak in stationaire ruis wordt een hogere mate van effectieve compressie gemeten dan voor spraak afzonderlijk. In hoofdstukken 4 en 6 worden de resultaten beschreven van spraaktesten bij slechthorenden met verschillende vormen van foneemcompressie. Er zijn foneemscores bepaald in condities met en zonder achtergrondruis. Hierbij is het verschil bekeken tussen de resultaten met foneemcompressie en een geoptimaliseerde referentieconditie aangeboden op het zelfde signaalniveau. De resultaten in hoofdstuk 4 laten zien dat slechthorenden in staat zijn te profiteren van foneemcompressie zolang er geen achtergrondgeluid wordt toegevoegd aan de spraak. Compressie blijkt vooral een positieve invloed te hebben op de herkenning van de beginmedeklinker. Daarnaast geeft anti-USOM een positief effect op de klinkerherkenning. De beste resultaten worden behaald met een combinatie van beide technieken. Helaas wordt er voor de condities met achtergrondgeluid juist negatieve effecten gevonden met deze configuratie. Ook met een meer gematigde vorm van anti-USOM blijft het resultaat negatief (hoofdstuk 6). Andere configuraties met foneemcompressie geven eveneens geen verbetering van spraakverstaan in achtergrondlawaai. Voor een grote mate van compressie wordt een verslechtering gevonden. Ook bij een fluctuerende achtergrondruis worden geen duidelijke voordelen gevonden van foneemcompressie. De resultaten in hoofdstuk 5 geven meer inzicht in de effecten van foneemcompressie op de perceptie van spraakklanken. De verwisselingen van spraakklanken in de spraaktesten met slechthorenden zijn onderzocht door middel van twee methoden. INDSCAL identificeert en visualiseert de meest relevante verschillen in foneemperceptie door het definiëren van onafhankelijke perceptuele dimensies. De interpretatie van deze dimensies in termen van fonetische kenmerken blijkt echter niet altijd even gemakkelijk. Als aanvulling is daarom SINFA gebruikt, met als voordeel dat de verschillende fonetische kenmerken hierbij vooraf gedefinieerd kunnen worden. Zowel foneemcompressie als anti-USOM blijken een positief effect te hebben op de perceptie van hoogfrequente spraakklanken. Met name de kenmerken fricatief en de hogere klinkerformanten worden beter doorgegeven. Dit klopt met de originele doelstelling. In de condities met achtergrondgeluid is de perceptie van hoogfrequente spraakklanken echter zodanig verstoord dat het gebruik van foneemcompressie geen uitkomst meer biedt. De laagfrequente spraakkenmerken worden nu belangrijker voor het spraakverstaan. Juist deze blijken te worden aangetast worden door het toepassen van anti-USOM, waarmee de in hoofdstukken 4 en 6 gevonden negatieve effecten verklaard kunnen worden. In een kleine veldstudie met experimentele digitale hoortoestellen zijn een drietal van de eerder geteste compressieconfiguraties geëvalueerd door slechthorenden (hoofdstuk 7). De foneemcompressor is opgenomen in een langzaam niet-lineair systeem waarmee de globale niveauverschillen gereduceerd kunnen worden. De programma’s zijn paarsgewijs getest over een periode van 6 weken. Vanwege praktische redenen was het toegestaan om ook de eigen hoortoestellen te blijven gebruiken. Wekelijks zijn er spraaktesten uitgevoerd, met als hoofdvraag of de prestaties beïnvloed worden door een regelmatig gebruik van de programma’s. Er worden opnieuw slechtere resultaten met compressie gevonden in achtergrondlawaai. Opmerkelijk is echter dat de spraakscores toenemen over de periode van 6 weken. Een groot deel van deze toename wordt ook gevonden voor de referentieconditie met alleen langzame compressie. Het gebruik van foneemcompressie lijkt tot een lichte extra stijging te leiden. Deze kan alleen verklaard worden door gewenning aan het luisteren met foneemcompressie. De ervaringen van de slechthorenden met de compressieprogramma’s zijn wisselend, afhankelijk van de prestaties ten opzichte van het eigen toestel. Het geluid wordt over het algemeen als positief ervaren.