Modellering och simulering av hörselfunktionen
LiTH
Kravspecifikation
E. Göran Salerud
Version 2.75
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
LiTH
Kund: IMT, 581 85 Linköping
Kontaktperson hos kund: E. Göran Salerud, [email protected]
Kursansvarig: Urban Forsberg, [email protected]
Handledare Grupp 1: Anette Karlsson, [email protected]
Handledare Grupp 2: Anette Karlsson, [email protected]
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
2 (14)
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
LiTH
INNEHÅLL
1
INLEDNING ............................................................................................................................................. 5
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2
ÖVERSIKT AV SYSTEMET .................................................................................................................. 6
2.1
2.2
2.3
2.4
3
GROV BESKRIVNING AV PRODUKTEN ...................................................................................................... 6
PRODUKTKOMPONENTER ........................................................................................................................ 6
BEROENDEN TILL ANDRA SYSTEM .......................................................................................................... 7
INGÅENDE DELSYSTEM ........................................................................................................................... 7
DELSYSTEM 1 ........................................................................................................................................ 8
3.1
3.2
4
PARTER................................................................................................................................................... 5
MÅL ....................................................................................................................................................... 5
ANVÄNDNING ......................................................................................................................................... 5
BAKGRUNDSINFORMATION ..................................................................................................................... 5
DEFINITIONER......................................................................................................................................... 5
GENERELLA KRAV FÖR DELSYSTEM 1 ..................................................................................................... 8
FUNKTIONELLT KRAV FÖR DELSYSTEM 1 ................................................................................................ 9
DELSYSTEM 2 ...................................................................................................................................... 10
4.1
4.2
4.3
INLEDANDE BESKRIVNING AV DELSYSTEM 2......................................................................................... 10
HÖRSELDEFEKTER ................................................................................................................................ 10
DESIGNKRAV ........................................................................................................................................ 11
5
PRESTANDAKRAV .............................................................................................................................. 11
6
UPPGRADERINGSBARHET............................................................................................................... 12
7
EKONOMI .............................................................................................................................................. 13
8
LEVERANSKRAV OCH DELLEVERANSER .................................................................................. 13
9
DOKUMENTATION ............................................................................................................................. 14
10
UTBILDNING ........................................................................................................................................ 14
11
REFERENSER ....................................................................................................................................... 14
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
3 (14)
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
LiTH
Dokumenthistorik
version datum
utförda förändringar
utförda av granskad
1.0
2002-09-01
Första versionen
1.1
2004-10-04
Revidering efter möte
Michail Ilias
2.0
2004-10-05
Andra versionen
Michail Ilias
2.1
2005-09-20
Språklig justering
Göran Salerud
2.2
2005-09-28
Förtydligande av krav och språkliga justeringar
Göran Salerud
Erik Häggblad
2.3
2006-09-18
Rättning
Göran Salerud
Michail Ilias
2.4
2007-09-18
Uppdaterad och granskad
Göran Salerud
Mattias Åström
2.5
2008-08-17
Granskad
Göran Salerud
Mattias Åström
2.6
2009-09-18
Rättad och genomgången
Göran Salerud
2.7
2010-09-17
Justering av text och delar av mätprotokoll
Göran Salerud
2.71
2011-09-22
Uppdatering av text, kursinformation, beställare, handledare
Göran Salerud
2.72
2012-09-19
Uppdatering av kursinformation, kravlista och datum
Marcus Larsson
2.73
2013-09-09
Uppdatering av kursinformation, kravlista och datum
Marcus Larsson
2.74
2014-09-22
Uppdatering av kursinformation, kravlista och datum
Marcus Larsson
2.75
2015-09-21
Uppdatering av kursinformation, kravlista och datum
Marcus Larsson
Göran Salerud
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
4 (14)
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
1 Inledning
Dokumentet beskriver de krav som beställaren har ställt på projektet ”Modellering och
simulering av hörselfunktionen”. För att bättre kunna följa projektet kommer varje
delkrav att beskrivas separat med ett löpande kravnummer som kan användas genom
hela projektarbetet. Kraven kan vara av typen originalkrav eller
omarbetade/reviderade krav vilket framgår av kolumn två i kravframställan. Kolumn
tre reglerar själva kravets beskrivning i en s.k. kravtext. I den högra kolumnen anges
prioriteringsgraden hos kravet. ”Bas” innebär att kravet är ett grundkrav och måste
vara uppfyllt för att kunden skall godkänna resultatet. ”Extra” innebär att kravet utförs
i mån av tid, efter det att alla ”bas”-krav är uppfyllda. I anslutning till kraven kan även
förklarande text finnas för att ytterligare klargöra kravet.
1.1
Parter
Projektets parter utgörs av beställaren E. Göran Salerud (IMT), projektgruppen,
handledaren Anette Karlsson (IMT), expert vid hörselkliniken samt
institutionstekniker vid IMT.
1.2
Mål
Målet med projektet är att projektgruppen skall inhämta kunskap om akustiska
vågfenomen och därefter utbilda kunden i hur dessa kan registreras av ett biologiskt
system. Dessutom skall projektgruppen demonstrera mätning av ljud och ljudtryck för
olika ljudkällor inför kunden. Gruppen skall vidare redogöra för hur människans
hörselorgan fungerar och beskriva dess elektriska ekvivalenter samt föreslå
ingenjörsmässiga lösningar till hörselhjälpmedel.
1.3
Användning
Efter inhämtad kunskap skall projektgruppen på ett professionellt sätt kunna uppmäta
ett audiogram med vars hjälp det skall kunna avgöras om personen i fråga är
normalhörande eller är i behov av hörhjälpmedel och i så fall med vilken karaktäristik.
1.4
Bakgrundsinformation
Ett av människans fem sinnen är hörseln. Hörselsystemet eller delar av det uppvisar
ibland fel vilket beskrivs som nedsatt hörsel. Teknikutvecklingen har idag kommit
långt och det är möjligt att efterlikna detta komplicerade system samt använda sig av
avancerade tekniska lösningar för att återställa eller understödja defekter som
systemet eventuellt uppvisar. Varför degraderas hörseln och hur kan man mäta och
beskriva ett fungerande men även ett defekt system? Med denna kunskap som
invariabler kan man konstruera kompenserande system, t.ex. hörapparaten, utan att
operativa ingrepp företas? Hur gör man som ingenjör för att beskriva det biologiska
systemet och hur konstruerar man sitt tekniska hjälpsystem?
1.5
Definitioner
Audiometri: mätning av hörselsystemets frekvenskaraktäristik
SPL: Sound Pressure Level (sv. nivån för ljudtrycket)
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
5 (14)
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
LiTH
2 Översikt av systemet
I en studie, bestående av litteraturgenomgång och eventuella föreläsningar, kommer
gruppen att bekanta sig med de anatomiska och funktionella enheterna i människans
hörselsystem. Parallellt sker ett kunskapsinhämtande, såväl teoretiskt som praktiskt,
vad avser att mäta akustiska parametrar. Frekvensavkodning och frekvensomfång hos
det biologiska systemet och en motsvarande elektrisk analogi skall jämföras och
beskrivas. Gruppen skall ta fram specifikationer och generera testparametrar för att
kontrollera det biologiska systemet. Försöksplanering, tillsammans med
projekthandledare och resurser från teknisk audiologi utförs för att gruppen själv skall
kunna genomföra och dokumentera gruppmedlemmarnas hörselkurvor (se figur 1).
Figur 1. Exempel på karaktäristisk hörselkurva.
2.1
Grov beskrivning av produkten
Projektgruppen har fått i uppdrag att bygga upp en kunskapsbank avseende ljud,
ljudmätning, audiologi, audiometri och signalbehandling för att kunna utbilda kunden
inom dessa områden. Material och litteratur kan bl.a. finnas i dokumenten som
”Elementär audiologi 1 & 2” samt ”Automatisk audiometri”. Dessa finns att tillgå efter
rekvisition.
2.2
Produktkomponenter
Slutgiltiga leveransen är att utbilda kunden genom att använda gruppens förvärvade
kunskaper inom området. Dessa kunskaper kan uppdelas i två komponenter: en
teoretisk del samt en praktisk del där kunskaperna förfinas och fördjupas under
laborativa och experimentella betingelser.
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
6 (14)
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
2.3
LiTH
Beroenden till andra system
Ser man kunskapen hos projektgruppen som slutprodukten går det inte att neka att
beroenden finns till tidigare erfarenheter, föreställningar och kunskap hos
projektmedlemmarna. Dessa andra referenssystem ses som något positivt och skall
utnyttjas i projektarbetet för att maximera inhämtandet av kunskap både på en
individuell nivå såväl som på en kollektiv nivå. Inom ramarna för projektarbetet
uppmanas gruppen värna om och ta till vara medlemmarnas färdigheter för att nå
bästa möjliga resultat.
2.4
Ingående delsystem
Delsystem 1 omfattar orientering och kunskapsinhämtande av ljud som fysikaliskt
fenomen samt genomförandet av ljudmätningar i olika miljöer.
Delsystem 2 omfattar en experimentell verifikation av ett biologiskt system genom att
utföra nedanstående uppgifter:
kunskapsinhämtning kring örats anatomi samt hörselfunktionen.
dokumentera och demonstrera hur audiometrisk mätning utförs samt redovisa
audiometriska resultat från både normalt hörande person samt på person med
hörselnedsättning.
med hjälp av MatLab, demonstrera hur filter kan appliceras för att skapa en
överföringsfunktion, liknande den som ett fungerande hörselsystem har och
som skulle kunna implementeras i ett hörhjälpmedel med uppgift att minimera
inverkan av hörselnedsättningen.
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
7 (14)
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
LiTH
3 Delsystem 1
Delsystem 1 består av teoretisk kunskap och praktiska erfarenheter som gruppen skall
tillägna sig och vidareförmedla till kund. Följande avsnitt beskriver de krav som ställs
på detta system, se även avsnitt 2.4.
3.1
Generella krav för delsystem 1
Ljud är en longitudinell vågrörelse. Vågrörelsen består av förtätningar och
förtunningar då luftmolekylerna svänger fram och tillbaka kring sina jämviktslägen i
takt med vågens utbredning. Vi har då en variation i molekyldensiteten i vågens
utbredningsriktning. Detta gör att ljudvågor kan betraktas som tryckvågor (se figur 2).
Första delen av kunskapsbanken innehåller således förståelse och beskrivning av ljud
som ett fysikaliskt fenomen. Förkovring i ämnet och vidare utveckling av ovanstående
introduktion utgör första kravet.
Krav nr 1
Original
Beskriv ljud fysikaliskt. (Tekniskt krav och kunskapskrav)
Bas
Figur 2. En oscillerande källa ger upphov till longitudinella vibrationer i luft.
Storleken på de uppkomna tryckförändringarna har åskådliggjorts
med en gråskala där svart representerar högst och vitt lägst tryck.
Om ljudkällan utför en enkel harmonisk svängningsrörelse kan den longitudinella
vågrörelsen beskrivas i ett diagram med hjälp av en sinusformad graf. En sådan
vågrörelse, som har konstant frekvens, registreras av vårt öra som en ren ton – om
frekvensen ligger inom det frekvensområde som örat kan registrera. Sinusformade
ljudvågor av olika frekvens uppfattar vårt öra som toner av olika höjd. Ju högre
frekvens desto högre tonhöjd. Icke-harmoniska ljudvågor, d.v.s. ljudvågor som alstras
av svängningar vilka skett med slumpmässigt varierande frekvenser, uppfattas av örat
som buller.
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
8 (14)
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
Krav nr 2
Original
LiTH
Klargör skillnaden i ljudintensitet och ljudtrycksnivå samt
presentera ett matematiskt uttryck för ljudtryckets nivå
(Sound Pressure Level, SPL) givet i decibel. (Tekniskt krav)
Bas
Som en kort introduktion och förklaring till kravet kan nämnas att ljudintensiteten är
den effekt som per areaenhet passerar genom en yta vinkelrät mot ljudets
utbredningsriktning. Ljudintensiteten är således ett mått på ljudvågornas
energiinnehåll vilket i sin tur är direkt proportionell mot kvadraten på vågornas
amplitud. Ljudintensiteten anges ofta i enheten W/m2.
Krav nr 3
Original
Utbilda kund i korrekt användning av vägningsfilter av typen
A, B och C.
Bas
Betraktas en graf över örats spektrala känslighet ses att den varierar med frekvensen.
För att efterlikna det mänskliga örat och hörseluppfattningen innehåller
ljudnivåmätare frekvensfilter som approximativt svarar mot örats känslighet. Filtren
är definierade av IEC (internationell standard) och betecknas med A, B och C.
Projektgruppen kommer att använda sig av ljudnivåmätare och i samband med detta
lära sig använda dessa vägningsfilter.
3.2
Funktionellt krav för delsystem 1
Efter att kunskapsinhämtning skett skall projektgruppen utföra laboratorieförsök som
styrker teoribildningen. Detta för att kunden skall få insikt i skillnader mellan bra och
dålig ljudmiljö. Från kundens sida finns även ett intresse att utreda möjligheten till att
använda ”smarta telefoner” för bullermätning, vilket avsevärt skulle kunna öka
tillgängligheten till enkel mätutrustning.
Krav nr 4
Original
På ett professionellt sätt utföra och dokumentera
ljudmätningar i så väl studiemiljö samt i extrema
bullermiljöer.
Bas
Krav nr 5
Original
Genomföra ljudmätningar över tid i så väl studiemiljö samt i
extrema bullermiljöer för att bestämma hur ljudnivån
varierar temporalt.
Bas
Krav nr 6
Original
Utreda mätnoggrannheten hos bullermätande program för så
kallade ”smarta telefoner”.
Extra
Krav nr 7
Original
Sammanställa och redovisa mätningarna på ett
ingenjörsmässigt sätt.
Bas
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
9 (14)
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
LiTH
4 Delsystem 2
Följande avsnitt beskriver kraven för delsystem 2 vilket rör människans hörselsystem
och hur det kan beskrivas, se även avsnitt 2.4. Generellt angående hörselsystem kan
det noteras att de flesta däggdjur har någon form av ljudregistrerande organ. Mer
specifikt hos människan är ytterörat den första länken i en komplicerad kedja av olika
strukturer (se figur 3).
Figur 3. Människans yttre och delar av det inre hörselsystemet
4.1
Inledande beskrivning av delsystem 2
Delsystem 1 skall i delsystem 2 användas till att studera människans hörselsystem ur
ett tekniskt perspektiv. Den nyvunna kunskapen skall tillsammans med anatomiska
och fysiologiska fakta användas för denna tekniska beskrivning.
4.2
Hörseldefekter
Hos människan kan olika hörseldefekter uppstå, både generella och specifika. Vid 30års ålder börjar hörseln t.ex. att gradvis försämras, dock i varierande grad hos olika
individer. Företrädesvis är det vid frekvenser över 1kHz som denna försämring märks
och kan påvisas med ett audiogram. Nedan återfinns exempel på hörselnedsättningar
(figur 4) i tre olika frekvensband (dessa finns även som xyz.dat filer till MATLAB).
Figur 4. Audiogram som från vänster till höger visar: Normal, moderat och
kraftig hörselnedsättning
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
10 (14)
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
Krav nr 8
Original
LiTH
Beskriv örats anatomi ingående samt ge en översikt av teorin
om hörandet. (Medicinskt krav)
Bas
Vad bestämmer inom vilket frekvensområde vi kan höra? Vilka steg är inblandade i
hörandet? Vad menas med örats akustiska impedans? Vilka defekter i hörandet kan
uppkomma?
Krav nr 9
Original
I ett vetenskapligt förankrat protokoll ska projektgruppen för Bas
kund beskriva hur hörselfunktionen kan kontrolleras.
Vilka tester finns att tillgå och hur kan de genomföras?
4.3
Designkrav
Nedanstående krav kan betraktas som ett designkrav. Här bestäms elementen som är
nödvändiga för att projektgruppen skall kunna gå vidare till nästa fas och använda sin
kunskap.
Krav nr 10 Original
Gruppmedlemmarna skall på ett professionellt sätt kunna
fastställa och bedöma ett audiogram. (Tekniskt krav)
Bas
Detta krav innebär att projektgruppen förbereder sig inför (skissar) utförandet av de
audiometriska mätningarna.
5 Prestandakrav
Det är först med kraven vilka presenteras i detta avsnitt som ”prestanda” av den
uppbyggda kunskapsbasen definieras och mäts. Rustade med projektgruppens
kunskap skall följande krav uppfyllas.
Krav nr 11 Original
Utbilda kunden i hur ett tonaudiogram framställs för enskilda Bas
individer och grupper samt hur det kan tolkas.
a) Kravet gäller för såväl normalhörande som för nedsatt
hörförmåga.
b) Dessutom gäller att effekten av exponering av ljud med
hög intensitet på hörtröskeln observeras.
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
11 (14)
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
LiTH
För en eller flera gruppmedlemmar skall effekten av exponering av ljud med hög
intensitet på hörtröskeln observeras. Följande metod kan då användas:
I.
II.
mät upp ett ton-audiogram för försökspersonen,
applicera en ton med frekvensen 1 kHz vid ungefär 90dB intill ett öra under
10 minuter,
III.
mät upp ett nytt ton-audiogram direkt efter 10 minuter,
IV.
vänta i 20 minuter och mät därefter på nytt upp ett ton-audiogram.
Krav nr 12 Original
Hörtröskeln (inom ± 10dB) skall bestämmas för samtliga i
gruppen. Plotta kurvorna i samma graf samt ge en adekvat
tolkning av resultaten.
Bas
10 och 20 minuter efter exponering för ljud skall eventuella förändringar av
audiogrammen dokumenteras och kommenteras. Vad händer vid en långvarig
exponering av ljud vid 90dB?
Krav nr 13 Original
En equaliserfunktion skall implementeras i Matlab. Equalisern Bas
(EQ:n) skall kompensera för det bortfall som normalt kan ses
hos åldrande individer.
Krav nr 14 Original
EQ-funktionen skall utformas så att ljudupplevelsen i
möjligaste mån bibehålls.
Bas
Krav nr 15 Original
Godtycklig överföringsfunktion skall kunna implementeras
Bas
Krav nr 16 Original
EQ-funktionen skall kunna påvisas fungera i realtid
Extra
Krav nr 17 Original
EQ-funktionen skall innehålla och säkerställa att ljudet klipps
vid ett SPL av 70dB.
Extra
Krav nr 18 Original
EQ-funktionens inställningar skall lätt kunna justeras
Extra
6 Uppgraderingsbarhet
Detta avsnitt beskriver krav på systemets möjligheter till utbyggbarhet och
uppgradering.
Krav nr 19 Original
Mätning av hörtröskel utan att försökspersonen aktivt
medverkar.
Extra
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
12 (14)
LIPs
Modellering och simulering av hörselfunktionen
LiTH
7 Ekonomi
Detta avsnitt beskriver krav vad gäller projektets ekonomi.
Krav nr 20 Original
Gruppen har tillgång till maximalt 120 timmar per deltagare
för att utföra projektet.
Bas
8 Leveranskrav och delleveranser
Detta avsnitt beskriver krav på leveranser och delleveranser under projektets gång.
Vid underkänt av något krav begärs skriftlig avrapportering eller komplettering.
Krav nr 21 Original
Projektgruppen skall leverera en projektplan till kund senast
11 dagar efter beställarmötet.
Krav nr 22 Original
Delleverans 1 (BP3): I en muntlig redovisning (á 20 minuter) Bas
skall projektgruppen inför kunden presentera och demonstrera
att gruppen kan beskriva och förklara ljud som ett mätbart
fysikaliskt fenomen enligt kraven beskrivna i avsnitt
”Delsystem 1”. Detta inkluderar resultatet från egna mätningar.
Leveranstidpunkt: ~projektvecka 5.
Krav nr 23 Original
Bas
Delleverans 2 (BP4): Projektgruppen skall leverera ett
protokoll för audiometrimätningarnas utförande, enligt Krav nr
9. Mätningarna får ej påbörjas innan protokollet godkänts av
kund. Leveranstidpunkt: ~projektvecka 7.
Krav nr 24 Original
Projektgruppen skall leverera en teknisk dokumentation som Bas
ska innehålla en kort introduktion av projektuppdraget,
projektets tillvägagångssätt, resultat, analys och slutsatser.
Dokumentationen ska tydligt visa på projektets måluppfyllelse
i förhållande till kravspecifikationen. Dokumentationen ska
även i ett separat teoretiskt kapitel beskriva vad ljud är och hur
det mänskliga hörselsystemet är uppbyggt (se relevanta krav;
kan även inkludera kortfattad beskrivning av tidigare relevanta
delleveranser). I tillägg ska även Equalisern enligt Krav nr 13
(och efterföljande krav) levereras. Den tekniska
dokumentationen skall levereras 1 vecka före slutleveransen.
Krav nr 25 Original
Slutleverans: I en muntlig redovisning (á 20 minuter) skall
projektgruppen presentera sina resultat om ljud, mänskliga
hörselsystemet och uppmätningen av dess funktion både för
normalt och begränsat hörande. Gruppen skall även redovisa
de laborativa och experimentella momenten i projektet
beskrivna under ”Delsystem 2”.
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
13 (14)
LIPs
Bas
Bas
Modellering och simulering av hörselfunktionen
LiTH
9 Dokumentation
Detta avsnitt beskriver krav på den skriftliga rapporteringen som generellt bör vara
lättläst och uppvisa god kvalitet.
Krav nr 26 Original
Skriftlig rapportering skall följa de regler och normer som
finns beskrivet i Svenska skrivregler utgivna av Svenska
språknämnden (Sara Santesson, 2000).
Bas
För ytterligare tips angående skriftlig rapportering se även Språkguiden samt Lathund
för rapportskrivning.
För projektresultatets trovärdighet är det av stor vikt att de teoretiska delarna av
projektleveransen är förankrade i källor (artiklar och böcker) som granskats av det
vetenskapliga samfundet. Projektgruppen ska vända sig till LiUs bibliotek för att finna
denna typ av källor.
Krav nr 27 Original
De teoretiska delarna av rapporterna skall vara vetenskapligt
förankrade med korrekt källhänvisning.
Bas
10 Utbildning
Detta avsnitt beskriver krav vad gäller eventuell utbildning för projektgruppen och
kunden.
Krav nr 28 Original
Bas
Projektgruppen skall under sina leveranstillfällen utbilda
kunden och av kunden utvalda personer, på ämnet audiometri
och audiologi.
11 Referenser
Detta avsnitt innehåller de referenser som används i dokumentet, interna såväl som
externa. Eventuella hänvisningar till kompletterande litteratur kan också infogas i
detta avsnitt.
(2000), Svenska skrivregler utgivna av Svenska språknämnden. Sara Santesson (red.).
Skrifter utgivna av svenska språknämnden 82, Liber AB, andra upplagan. 216 s.
ISBN 4704974X
(1998) Språkguiden. Karin Kristoffersson (red.). Linus och Linnea, 71 s.
ISBN 9163065274
(2005) Lathund för rapportskrivning. Magnus Merkel, Ulrika Andersson, Malin
Lundquist och Britta Önnegren. Kursmaterial i TFYY51, Linköpings universitet.
Kravspecifikation
TFYY51, Ingenjörsprojekt
14 (14)
LIPs
