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Come l’ANC ottimizza l’esperienza uditiva riducendo il rumore di fondo.

I dispositivi audio indossabili dotati di cancellazione attiva del rumore (ANC) sfruttano l'interferenza distruttiva per attenuare i suoni esterni. Questa tecnologia, ormai ampiamente diffusa nell'elettronica di consumo, è utilizzata dagli utenti con udito normale principalmente per migliorare il comfort di ascolto in ambienti rumorosi, riducendo l'intensità dei suoni indesiderati.

Molti dei sistemi ANC moderni includono un microfono rivolto verso il canale uditivo, utilizzato per cancellare sia i suoni esterni che quelli condotti dal corpo. Questa capacità di eliminare l'effetto di occlusione è particolarmente utile negli apparecchi acustici, in quanto consente all'utente di beneficiare di un auricolare sigillato (ad esempio, una migliore resa dei bassi) senza il tipico inconveniente di una voce propria "rimbombante".

Sebbene i benefici dell'ANC siano ampiamente riconosciuti, le ricerche su come questa tecnologia possa migliorare l'uso principale degli apparecchi acustici, cioè la comprensione del parlato in ambienti rumorosi, sono ancora limitate. Questo articolo esplorerà come l'ANC possa contribuire a migliorare l'intelligibilità del parlato, grazie alla modellizzazione di tali miglioramenti.

L'ANC e il miglioramento dell'intelligibilità del parlato.

Esistono diversi algoritmi nell’ambito degli apparecchi acustici, come la "riduzione adattiva del rumore", che hanno nomi simili all'ANC, ma funzioni diverse. L’ANC, infatti, si riferisce esclusivamente alla cancellazione del suono tramite interferenza distruttiva, riducendo l’intero segnale in ingresso, sia parlato che rumore, nonostante il termine "Noise" nel nome.

Negli ultimi anni, l'ANC è stata integrata in diversi dispositivi di assistenza uditiva, come quelli di Bose, Apple e Nuheara. Tuttavia, le ricerche su come l'ANC interagisca con l'elaborazione del segnale negli apparecchi acustici per migliorare l'intelligibilità del parlato in ambienti rumorosi sono ancora limitate, nonostante la capacità di migliorare l'ascolto in tali contesti sia considerata la caratteristica più importante dagli utenti.

Per comprendere come l’ANC influisca sulla comprensione del parlato, è essenziale considerare che il suono che raggiunge il timpano dell’utente è il risultato della sovrapposizione di due segnali:

• percorso amplificato: trasmesso dal trasduttore dell'apparecchio acustico, caratterizzato da una latenza dell’ordine di millisecondi dovuta all'elaborazione digitale del segnale nell'apparecchio;
• percorso diretto: trasmesso principalmente attraverso le aperture di ventilazione nell'auricolare, con una latenza dell'ordine dei microsecondi.

Quando i due percorsi hanno livelli simili ma latenze diverse, interagiscono creando artefatti indesiderati, come il filtraggio a pettine. Con l'integrazione dell’ANC, l’apparecchio acustico riduce significativamente il livello del suono trasmesso attraverso il percorso diretto, generando un segnale in controfase con una latenza di microsecondi. Questa riduzione aumenta la differenza di livello tra il percorso diretto e quello amplificato, diminuendo così il filtraggio a pettine e migliorando il rapporto segnale-rumore (SNR) al timpano dell'utente.

Nei tradizionali apparecchi acustici, il percorso diretto può limitare la riduzione del rumore nel percorso amplificato, soprattutto nelle frequenze medio-basse, dove i livelli dei due percorsi tendono a essere simili. Quando l'ANC riduce il livello del percorso diretto, abbassa efficacemente il "limite minimo" imposto da questo percorso, permettendo così una riduzione maggiore del rumore nel percorso amplificato. Questo fenomeno viene definito come “realizzazione dell'SNR”, poiché consente di realizzare gli incrementi di SNR ottenuti nel percorso amplificato grazie all’ANC.

Obiettivi dello studio

Sebbene alcuni aspetti di questo fenomeno siano già noti, non esistono modelli che determinino con precisione quando e in che misura tali benefici si manifestino nell'uso quotidiano degli apparecchi acustici. 

Si ipotizza che la capacità dell'ANC di aumentare l'SNR "realizzato" possa essere maggiore con una minore amplificazione o con una maggiore capacità di elaborazione del segnale, poiché entrambe le condizioni riducono il livello del rumore nel percorso amplificato.

Inoltre, poiché la maggior parte degli apparecchi acustici moderni utilizza la compressione ad ampia gamma dinamica (WDRC) per ridurre il guadagno in risposta all’aumento del livello sonoro ambientale, si ipotizza che i benefici dell'ANC siano maggiori in ambienti più rumorosi. 

Questo studio si propone di modellare tali tendenze, simulando la combinazione dei percorsi amplificato e diretto e calcolando le metriche di intelligibilità del parlato.

Metodologia

Lo studio ha valutato il potenziale dell’ANC nel migliorare l’intelligibilità del parlato in presenza di rumore, confrontando i segnali in uscita di coppie di apparecchi acustici simulati che differivano solo nella capacità di fornire ANC. Per ciascun dispositivo, sono state calcolate due metriche di intelligibilità: eSTOI e HASPIv2. 

La differenza in queste metriche tra i dispositivi con e senza ANC è stata definita "Beneficio dell'ANC".

Gli stimoli di parlato e rumore sono stati presentati su un'ampia gamma di livelli di ingresso e a rapporti segnale-rumore (SNR) ambientali tipici per quei livelli. Il segnale di rumore, un rumore stazionario corrispondente allo spettro medio a lungo termine del parlato, è stato scalato per simulare livelli ambientali compresi tra 50 e 90 dB SPL, con incrementi di 10 dB.

Lo studio ha considerato diverse perdite uditive, da molto lievi (N1) a gravi (N5), definite da Bisgaard et al. (2010). Per ogni audiogramma, sono stati calcolati i guadagni di inserzione target utilizzando la formula di fitting NAL-NL2 a tre diversi livelli di ingresso (50, 65 e 80 dB SPL).

Modellizzazione

Nella simulazione, sono state create coppie di apparecchi acustici che differivano solo nella loro capacità di fornire la Cancellazione Attiva del Rumore (ANC). 

Inizialmente, il parlato e il rumore sono stati scalati ai livelli target di SPL e SNR, per poi essere suddivisi in due percorsi paralleli, progettati per simulare i percorsi diretto e amplificato.

• Il percorso diretto è stato simulato con un filtro FIR a ritardo zero per replicare il Real Ear Occluded Insertion Gain (REOIG), rilevato in soggetti che utilizzavano inserti auricolari a doppia cupola instant-fit. Nei dispositivi con ANC, l’uscita del filtro REOIG è stata elaborata con un filtro IIR statico per simulare attenuazioni di picco da 10 a 40 dB. È stata testata anche una condizione senza percorso diretto (Inf dB) per esplorare il limite teorico dell’ANC. Poiché i sistemi ANC richiedono una latenza estremamente bassa per essere efficaci, l'uscita di ogni filtro ANC è stata regolata per non aggiungere alcun ritardo.
• Il percorso amplificato è stato simulato applicando un aumento del rapporto segnale-rumore (SNR), variabile tra 0 e 10 dB in incrementi di 2 dB, per rappresentare le fasi di "pulizia del segnale" tipiche degli apparecchi acustici, come l’elaborazione direzionale e algoritmi di miglioramento del SNR. Successivamente, il segnale è stato elaborato con un simulatore offline che utilizza un compressore multibanda a 12 canali (WDRC), senza algoritmi adattivi. La latenza è stata regolata a 5 ms, entro l’intervallo tipico di 1–10 ms, per ridurre il filtraggio a pettine tra i percorsi diretto e amplificato.

Nella fase finale, i due percorsi sono stati combinati per generare coppie di segnali in uscita. Per il segnale dell'apparecchio acustico standard, il percorso amplificato è stato combinato con il percorso diretto senza il filtro ANC. Nel caso dell'apparecchio con ANC, invece, il percorso diretto includeva il filtro ANC.

Risultati e discussione

Le simulazioni hanno mostrato che il Beneficio dell'ANC aumenta in modo significativo quando:

• il livello di rumore ambientale cresce,
• il dispositivo migliora l'SNR in misura maggiore,
• la potenza del sistema ANC aumenta,
• la gravità della perdita uditiva diminuisce.

In particolare, per una perdita uditiva moderata, il modello prevede un miglioramento nelle metriche di intelligibilità superiore al 30% quando gli ambienti sono moderatamente rumorosi (>70 dB SPL) e i dispositivi sono moderatamente capaci di aumentare l'SNR (di oltre 4 dB). L'ANC appare quindi come un elemento fondamentale nei dispositivi acustici che tentano di migliorare l'SNR in ambienti rumorosi. 

I risultati delle simulazioni confermano che l'ANC è capace di migliorare significativamente la comprensione del parlato in ambienti con rumore di fondo elevato. Questo beneficio è più evidente in dispositivi acustici avanzati, che possono sfruttare l'ANC per ridurre il rumore nei percorsi diretti, migliorando l'efficacia dell’amplificazione del parlato. L'ANC diventerà ancora più importante man mano che i dispositivi acustici integreranno algoritmi avanzati per il miglioramento dell'SNR, come quelli basati sull'intelligenza artificiale.

Limiti e prospettive future

Nonostante i promettenti risultati delle simulazioni, il modello presenta alcune limitazioni, come la mancanza di dati empirici su come l'ANC influenzi l’intelligibilità in situazioni reali. In futuro, è necessario condurre studi clinici per validare questi modelli e migliorare l’accuratezza delle simulazioni. Inoltre, la combinazione dell'ANC con algoritmi avanzati di miglioramento del parlato potrebbe amplificare ulteriormente i benefici, aprendo la strada a nuove possibilità per i dispositivi acustici.

28 Gennaio 2025
Autore: 4800