Modellering och simulering av hörselfunktionen. Kravspecifikation. E. Göran Salerud Version Kravspecifikation. LIPs. TFYY51, Ingenjörsprojekt

Transkript

1 E. Göran Salerud Version 2.75 TFYY51, Ingenjörsprojekt LIPs

2 Kund: IMT, Linköping Kontaktperson hos kund: E. Göran Salerud, Kursansvarig: Urban Forsberg, Handledare Grupp 1: Anette Karlsson, Handledare Grupp 2: Anette Karlsson, TFYY51, Ingenjörsprojekt 2 (14) LIPs

3 INNEHÅLL 1 INLEDNING PARTER MÅL ANVÄNDNING BAKGRUNDSINFORMATION DEFINITIONER ÖVERSIKT AV SYSTEMET GROV BESKRIVNING AV PRODUKTEN PRODUKTKOMPONENTER BEROENDEN TILL ANDRA SYSTEM INGÅENDE DELSYSTEM DELSYSTEM GENERELLA KRAV FÖR DELSYSTEM FUNKTIONELLT KRAV FÖR DELSYSTEM DELSYSTEM INLEDANDE BESKRIVNING AV DELSYSTEM HÖRSELDEFEKTER DESIGNKRAV PRESTANDAKRAV UPPGRADERINGSBARHET EKONOMI LEVERANSKRAV OCH DELLEVERANSER DOKUMENTATION UTBILDNING REFERENSER TFYY51, Ingenjörsprojekt 3 (14) LIPs

4 Dokumenthistorik version datum utförda förändringar utförda av granskad Första versionen Revidering efter möte Michail Ilias Andra versionen Michail Ilias Göran Salerud Språklig justering Göran Salerud Förtydligande av krav och språkliga justeringar Göran Salerud Erik Häggblad Rättning Göran Salerud Michail Ilias Uppdaterad och granskad Göran Salerud Mattias Åström Granskad Göran Salerud Mattias Åström Rättad och genomgången Göran Salerud Justering av text och delar av mätprotokoll Göran Salerud Uppdatering av text, kursinformation, beställare, handledare Göran Salerud Uppdatering av kursinformation, kravlista och datum Marcus Larsson Uppdatering av kursinformation, kravlista och datum Marcus Larsson Uppdatering av kursinformation, kravlista och datum Marcus Larsson Uppdatering av kursinformation, kravlista och datum Marcus Larsson TFYY51, Ingenjörsprojekt 4 (14) LIPs

5 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. 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) TFYY51, Ingenjörsprojekt 5 (14) LIPs

6 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. TFYY51, Ingenjörsprojekt 6 (14) LIPs

7 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. 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. TFYY51, Ingenjörsprojekt 7 (14) LIPs

8 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 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) 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 8 (14) LIPs

9 Krav nr 2 Original Klargör skillnaden i ljudintensitet och ljudtrycksnivå samt 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. 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. Krav nr 5 Original Genomföra ljudmätningar över tid i så väl studiemiljö samt i extrema bullermiljöer för att bestämma hur ljudnivån varierar temporalt. Krav nr 6 Original Utreda mätnoggrannheten hos bullermätande program för så kallade smarta telefoner. Krav nr 7 Original Sammanställa och redovisa mätningarna på ett ingenjörsmässigt sätt. Extra TFYY51, Ingenjörsprojekt 9 (14) LIPs

10 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 10 (14) LIPs

11 Krav nr 8 Original Beskriv örats anatomi ingående samt ge en översikt av teorin om hörandet. (Medicinskt krav) 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 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) 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 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. TFYY51, Ingenjörsprojekt 11 (14) LIPs

12 För en eller flera gruppmedlemmar skall effekten av exponering av ljud med hög intensitet på hörtröskeln observeras. Följande metod kan då användas: I. mät upp ett ton-audiogram för försökspersonen, II. III. IV. applicera en ton med frekvensen 1 khz vid ungefär 90dB intill ett öra under 10 minuter, mät upp ett nytt ton-audiogram direkt efter 10 minuter, 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. 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 Krav nr 14 Original En equaliserfunktion skall implementeras i Matlab. Equalisern (EQ:n) skall kompensera för det bortfall som normalt kan ses hos åldrande individer. EQ-funktionen skall utformas så att ljudupplevelsen i möjligaste mån bibehålls. Krav nr 15 Original Godtycklig överföringsfunktion skall kunna implementeras 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 TFYY51, Ingenjörsprojekt 12 (14) LIPs

13 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. 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 Krav nr 22 Original Krav nr 23 Original Krav nr 24 Original Krav nr 25 Original Projektgruppen skall leverera en projektplan till kund senast 11 dagar efter beställarmötet. Delleverans 1 (BP3): 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. Detta inkluderar resultatet från egna mätningar. Leveranstidpunkt: ~projektvecka 5. 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. Projektgruppen skall leverera en teknisk dokumentation som 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. 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. TFYY51, Ingenjörsprojekt 13 (14) LIPs

14 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). 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. 10 Utbildning Detta avsnitt beskriver krav vad gäller eventuell utbildning för projektgruppen och kunden. Krav nr 28 Original 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 X (1998) Språkguiden. Karin Kristoffersson (red.). Linus och Linnea, 71 s. ISBN (2005) Lathund för rapportskrivning. Magnus Merkel, Ulrika Andersson, Malin Lundquist och Britta Önnegren. Kursmaterial i TFYY51, Linköpings universitet. TFYY51, Ingenjörsprojekt 14 (14) LIPs