3D-audio voor hoorapparaten

Dankzij je twee oren hoor je in 3D: doordat je twee oren samenwerken, kan je weten van welke richting geluiden komen. Hoe werkt dat? Stel je een geluid voor dat van links komt. Dat geluid komt iets vroeger en iets sterker aan in je linkeroor dan in je rechteroor. Daarna gebeurt de magie tussen je oren: je hersenen vergelijken het verschil in aankomsttijd en geluidsniveau tussen de twee oren om te bepalen van welke richting het geluid komt. Dat gaat vaak over hele kleine verschillen: zo kunnen we geluidsniveauverschillen waarnemen van minder dan één decibel, en tijdsverschillen van slechts 10 microseconden... dat betekent één honderdduizendste van een seconde!

Door (onbewust) te focussen op minuscule verschillen in geluidsniveau en aankomsttijd tussen de twee oren, kunnen we bijvoorbeeld achterhalen waar het irritante gezoem van een mug vandaan komt. In deze demo zie je hoe dat werkt:

Door te horen in 3D kan je ook verschillende gelijktijdige sprekers gemakkelijker onderscheiden, omdat ze zich op verschillende locaties bevinden.  Dit is vooral erg nuttig wanneer je in een rumoerig gesprek op één spreker wilt focussen, iets wat voor personen met gehoorverlies helaas vaak erg moeizaam gaat.

Demo: als twee sprekers zich op verschillende locaties bevinden, kan je ze gemakkelijker onderscheiden, en dus beter focussen op één van de twee. Met gehoorverlies kan je minder goed de verschillende locaties waarnemen, en is zo’n focus dus veel moeilijker.

De uitdaging met gehoorverlies

Personen met gehoorverlies ondervinden vaak erg veel moeite bij het meevolgen van gesprekken, en de impact daarvan is niet te onderschatten. Ze kunnen zich hierdoor eenzaam en geïsoleerd voelen in de meest sociale omgevingen – bijvoorbeeld met familie aan tafel of op een feest met vrienden – en gaan ze deze situaties soms zelfs vermijden.

Hoorapparaten betekenen nu al een wereld van verschil: het zijn spectaculaire toestellen met state-of-the-art elektronica en innovatieve algoritmes. Helaas houden ze momenteel weinig tot geen rekening met de voordelen die je kan ervaren door met twee oren te horen, en dat is een gemiste kans. Personen met gehoorverlies kunnen namelijk minder goed “horen in 3D”.

Een nieuwe oplossing… met oude technologie

Tijdens mijn doctoraat aan de KU Leuven (onderzoeksgroep ExpORL) zocht ik naar nieuwe hoortoestelalgoritmes om dat “horen in 3D” te verbeteren, met het doel gesprekken in rumoerige omgevingen te vergemakkelijken. De oplossing was verbazend simpel. Ik ontdekte dat ik - mits een kleine aanpassing - gebruik kon maken van decennia‑oude technologie die vervat zit in zowat ieder modern hoorapparaat: directionele microfoons. Een directionele microfoon pikt enkel geluiden op die van een welbepaalde richting komen, typisch vanuit de richting waarnaar gekeken wordt door de hoortoestelgebruiker. Horen met zo’n microfoon is dus als kijken met een zaklamp in het donker, waarbij je ook enkel dingen ziet in de richting waar je naar schijnt.

De directionele microfoons in huidige hoortoestellen gaan ervan uit dat de gebruiker enkel geïnteresseerd is in geluiden vanuit de richting waar hij of zij naar kijkt. Ze zijn dus zo ingesteld dat alle veronderstelde stoorbronnen van achter en naast de hoortoestelgebruiker worden onderdrukt. Dit is vaak een plausibele aanname, en helpt vele hoortoestelgebruikers vandaag al enorm met het verstaan van spraak in rumoerige omgevingen. Deze instelling vergemakkelijkt “horen in 3D” echter helaas niet, en kan het zelfs tegenwerken.

Hoe kan je nu met directionele microfoons toch beter “horen in 3D”? De oplossing die ik voorstelde, is om de richting van de microfoons lichtjes te draaien: het apparaat in het rechteroor pikt dan voornamelijk geluiden op die van de rechterkant komen, en het apparaat in het linkeroor doet hetzelfde voor de linkerkant. Stel je nu opnieuw de situatie voor waarin een geluid van links komt: het linkertoestel zal dit geluid oppikken, het rechtertoestel niet of nauwelijks. Op die manier ontstaat er een geluidsniveauverschil tussen de twee oren dat veel groter is dan zonder gedraaide microfoons. En dankzij dat verschil in geluidsniveau tussen de twee oren kan je achterhalen dat het geluid van links kwam.

Door de richting van microfoons lichtjes naar opzij te draaien, kan je met hoorapparaten beter “horen in 3D”.

Het effect van de gedraaide microfoons bleek zo groot dat het ervoor zorgde dat een persoon die geen geluiden kon lokaliseren met haar eigen hoortoestellen, dat wel kon wanneer we ons algoritme hadden ingesteld. Uit verdere testen volgde bovendien dat je met ons algoritme ook beter spraak zou kunnen verstaan in rumoerige omgevingen.

En nu?

Ik geloof erin dat deze oplossing kan en zal geïmplementeerd worden in hoortoestellen in de nabije toekomst, maar hiermee zijn alle problemen nog niet opgelost. Het verbeterde “3D-horen” dat we waarnamen, kwam helaas nog niet in de buurt van wat je bij iemand met een normaal gehoor zou verwachten. Een mogelijke verklaring is dat het voorgestelde algoritme enkel de verschillen in geluidsniveau tussen linker- en rechteroor versterkt. Een algoritme dat daarbovenop voor verbeterde perceptie van verschillen in aankomsttijd kan zorgen, zou nog een enorme stap vooruit zijn. Uiteindelijk willen we dat elke hoorapparaatgebruiker comfortabel kan deelnemen aan alle gesprekken met vrienden en familie, met of zonder achtergrondlawaai.

Benjamin Dieudonné dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2022. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.