LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
2017-07-15
Kravspecifikation
E. Göran Salerud
Version 2.71
Status
Granskad
Godkänd
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
1
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
2017-07-15
PROJEKTIDENTITET
Grupp , 2011/ht1&ht2
Linköpings Tekniska Högskola, IMT
Namn
Ansvar
Telefon
E-post
Kund: IMT, 581 85 Linköping
Kontaktperson hos kund: E. Göran Salerud, 013-28 67 55, [email protected]
Kursansvarig: Urban Forsberg, 013-28 26 27, [email protected]
Handledare 1: Marcus Larsson 013-28 67 51, [email protected]
Handledare 1: Gustaf Johansson 013-28 67 69, [email protected]
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
2
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
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 ................................................................................................................................ 13
10
UTBILDNING ........................................................................................................................................... 14
11
REFERENSER .......................................................................................................................................... 14
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
3
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
2017-07-15
Dokumenthistorik
version datum
utförda förändringar
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
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
utförda av granskad
Grupp
4
Göran Salerud
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, i detta fall E. Göran Salerud (IMT),
projektgruppen, handledaren, i detta fall Marcus Larsson alternativt Gustaf Johansson
(IMT), hörselkliniken samt institutionstekniker.
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
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
5
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
Audiometri: mätning av hörselsystemets frekvenskaraktäristik
SPL: Sound Pressure Level (sv. nivån för ljudtrycket)
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 och audiometri för att kunna utbilda kunden inom dessa
områden. Material och litteratur kan bl.a. finnas i dokumenten som beskriver
”Elementär audiologi 1 & 2” samt ”Automatisk audiometri”. Dessa finns samlade på
kursens hemsidor både på It’s learning och på kursens hemsida på IMT. (”Bra att ha
dokument”).
2.2
Produktkomponenter
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
6
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
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.
2.3
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.
Ingående delsystem
2.4
Delsystem 1 omfattar orientering och kunskapsinhämtande av ljud som fysikaliskt
fenomen samt hörselfunktionen.
Delsystem 2 omfattar en experimentell verifikation av ett biologiskt system genom att
utföra nedanstående uppgifter:
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.
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
7
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
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.
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
8
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
Krav nr 2
original
Klargör skillnaden i ljudintensitet och ljudtrycksnivå samt Bas
presentera ett matematiskt uttryck för ljudtryckets nivå
(Sound Pressure Level, SPL) givet i decibel. (Tekniskt
krav)
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.
Extra
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.
Krav nr 4
original
Utför och dokumentera ljudmätning i så väl studiemiljö
samt i extrema bullermiljöer.
Bas
Krav nr 5
orginal
Sammanställa och redovisa mätningarna på ett
ingenjörsmässigt sätt.
Bas
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
9
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
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 30-års
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
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
10
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
Krav nr 6
Original
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 7
Original
Projektgruppen skall beskriva hur hörselfunktionen kan
kontrolleras för kunden.
Bas
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 8
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 mätningar.
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 9
original
Utbilda kunden i hur ett tonaudiogram framställs för
enskilda individer och grupper samt hur det kan tolkas.
Bas
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.
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
11
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
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 10 original
Hörtröskeln (inom ± 10dB) skall bestämmas för samtliga i Bas
gruppen. Plotta kurvorna i samma graf samt ge en adekvat
tolkning av resultaten.
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 11 original
En equaliserfunktion skall implementeras i Matlab.
Equalisern (EQ) skall kompensera för det bortfall som
normalt kan ses hos åldrande individer.
Bas
Krav nr 12 original
EQ-funktionen skall utformas så att ljudupplevelsen i
möjligaste mån bibehålls.
Bas
Krav nr 13 original
Godtycklig överföringsfunktion skall kunna
implementeras
Bas
Krav nr 14 original
EQ-funktionen skall kunna påvisas fungera i realtid
Bas
Krav nr 15 original
EQ-funktionen skall innehålla och säkerställa att ljudet
klipps vid ett SPL av 70dB.
Extra
Krav nr 16 original
EQ-funktionens inställningar skall lätt kunna justeras
Extra
6 Uppgraderingsbarhet
Detta avsnitt beskriver krav på systemets möjligheter till utbyggbarhet och
uppgradering.
Krav nr 17 original
Mätning av hörtröskel utan att försökspersonen aktivt
medverkar.
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
12
Extra
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
7 Ekonomi
Detta avsnitt beskriver krav vad gäller projektets ekonomi.
Krav nr 18 original
Gruppen har tillgång till maximalt 116 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 19
original
Projektgruppen skall leverera en projektplan.
Bas
Krav nr 20
original
Delleverans 1: I en muntlig redovisning (á 20 minuter)
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”.
Bas
Krav nr 21
original
Projektgruppen skall innan audiometrimätningarna
påbörjas, inlämna ett protokoll för mätningens utförande.
Bas
Krav nr 22
original
Bas
Projektgruppen skall leverera en teknisk dokumentation
som bör innehålla en kort introduktion för
projektuppdraget, projektets tillvägagångssätt, resultat och
analys. Tekniska dokumentationen skall levereras före
slutleveransen.
Krav nr 23
original
Slutleverans: I en muntlig redovisning (á 20 minuter) skall Bas
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”.
9 Dokumentation
Detta avsnitt beskriver krav på den skriftliga rapporteringen som generellt bör vara
lättläst och uppvisa god kvalitet.
Krav nr 24 Original
Skriftlig rapportering skall följa de regler och normer som Bas
finns beskrivet i Svenska skrivregler utgivna av Svenska
språknämnden (Sara Santesson, 2000).
För ytterligare tips angående skriftlig rapportering se även Språkguiden samt Lathund
för rapportskrivning.
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
13
LIPs
LiTH
Modellering och simulering av hörselfunktionen
10 Utbildning
Detta avsnitt beskriver krav vad gäller eventuell utbildning för projektgruppen och
kunden.
Krav nr 25 Original
Projektgruppen skall under sina leveranstillfällen utbilda
kunden och av kunden utvalda personer, på ämnet
audiometri och audiologi.
Bas
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. ISBN4704974-X
- (1998) Språkguiden. Karin Kristoffersson (red.). Linus och Linnea, 71 s. ISBN 91-6306527-4
- (2005) Lathund för rapportskrivning. Magnus Merkel, Ulrika Andersson, Malin
Lundquist och Britta Önnegren. Kursmaterial i TFYY51, Linköpings universitet.
TFYY51, Ingenjörsprojekt Y
Dokumentansvarig
Grupp
14
LIPs
