CN101428163A

CN101428163A - 考试、竞技、运动状态调节仪

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Publication number: CN101428163A
Application number: CNA2008100288278A
Authority: CN
Inventors: 李隆
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: CN101428163B

Abstract

本发明涉及一种考试、竞技、运动状态调节仪，其包括四种方法：一、聆听变速音乐，由仪器智能地调整音乐的速度，利用音乐的节拍引导心率向所需的数值调节。二、把变速音乐的电流导入人体，通过穴位电极导入人体对心率变化敏感的穴位或部位。使与音乐的节拍同步地刺激神经，加速心率HR向音乐的节拍靠拢。三、在变速音乐中添加脑波；把频差0～30Hz的脑波信号叠加进左右声道的音乐中，诱导大脑产生相应的脑波，使人加速进入休息或兴奋状态。四、变速音乐的节拍转换成灯光；通过灯光的颜色和闪动频率暗示使用者需提高或降低心率HR。用于辅助运动员、学生改变心率值HR，使其拥有最佳心率HR值，从而使其在赛前进入最佳竞技状态或赛后进入放松状态的一种辅助仪器。

Description

考试、竞技、运动状态调节仪

【技术领域】

本发明涉及一种仪器，用于辅助运动员、学生改变心率值HR，使运动员、学生拥有最佳心率HR值，从而使运动员在赛前进入最佳竞技状态或赛后进入放松状态；使学生在考试前脱离焦虑紧张状态的一种辅助仪器。

【背景技术】

运动员在赛前根据体育项目的不同，需要通过做热身运动使心率HR达到最佳值：例如短跑运动员的心率在100次/分左右，而射击运动员的心率则要在60～65次/分。可以通过测量心率来判断运动员是否已进入最佳竞技状态。目前，教练通过赛前心理辅导，做热身运动使运动员进入最佳竞技状态。

另外，当学生参加考试时如果心情紧张，心率就会升高。此时，可以借助考试、竞技、运动状态调节仪，让心率HR降下来，才能使考试得到很好的发挥。

而市场上尚未有专用仪器，本仪器是首次问世。本仪器采用一种全新的理念：即使用同一首乐曲，利用现代技术令播放速度根据调整心率的需要，加快或减慢，从而用可变速的音乐节拍来引导心率的改变。

【发明内容】

本发明的技术目的是让体育教练或教师通过借助本仪器，使运动员、学生或面试的员工的心率HR调整到最佳的竞技状态的仪器。

为了实现上述技术要求，本发明提供一种考试、竞技、运动状态调节仪，仪器的原理方框图参见附图1：包括音乐源模块，连接音乐源模块上的LR路信号混合器，连接于LR路信号混合器输出端上的依次是动态压缩器，动态压缩器连接于低通滤波器A；低通滤波器A和信号发生器输出端连接于幅度调制器，连接于幅度调制器输出端的电子电位器，连接于电子电位器输出端的功率放大器A，连接于功率放大器输出端的升压变压器，连接于升压变压器输出端上的穴位电极。

音乐源模块由DSP芯片及外围元件构成，它包括：内嵌于DSP芯片的可进行对乐曲原速作±50％大范围变速的变速播放器，内嵌于DSP芯片的音乐节拍BPM检测器，内嵌于DSP芯片的乐曲储存器以及与DSP相连的USB插口。在DSP模块中，音乐信号以MP3格式的形式贮存在内部的乐曲存贮器中，乐曲存贮器也可以贮存及播放WAVE、WMA、AAC、MIDI、APE、OGG、FLAC等格式的音乐信号。

连接于DSP一端的微电脑控制芯片MCU，分别连接于微电脑控制芯片一端的心率HR接收器、红外遥控接收器、LED/LCD显示器、键盘；分别连接于微电脑控制芯片另一端的低通滤波器A、信号发生器、电子电位器、BPM诱导双色灯控制器、音量、高音及低音控制器。同时，所述的BPM诱导双色灯控制上还连接有LED暖色灯和LED冷色灯；在DSP模块与LR路信号混合器之间以及低通滤波器B输出端连接有音乐聆听模块，所述的音乐聆听模块包括音量、高音及低音控制器，连接于音量、高音及低音控制器的功率放大器L、R以及连接于功率放大器L、R输出端上的耳机；

此外还设置有心率HR检测发射、发送器；该心率HR检测发射、发送器是一个脱离主机的由使用者佩戴的独立配件，它可以通过无线或红外或蓝牙向MCU的HR接收器发射心率HR的数值，也可以通过数据线直接与MCU的HR接收器相连，从而把使用人的心率HR，传递给微电脑控制芯片。

同时，音乐节拍检测器把音乐节拍BPM也传递给微电脑控制芯片，微电脑控制芯片通过比较，以及根据使用者的需要调高或调低使用人的心率。以调高HR为例，调整过程是这样的：设初始心率为HR0＝65次/分，要调高到最终心率HR₁＝100次/分，并选择音乐节拍变化步长△BPM＝5次/分。先令BPM从初始音乐节拍BPM₀＝130次/分调整到BPM＝70次/分，保持BPM-HR＝△BPM＝5次/分，始终令节拍大于即时心率5次/分，同时不断检测即时心率HR，即时心率每增加一个数值，则BPM亦同步增加一个数值，直到HR＝HR₁为止。实现使HR控制MP3音乐的播放速度，音乐的播放速度的改变使音乐节拍随着而改变，音乐的节拍又反过来诱导心率HR改变的这一系列反馈过程；最终令心率向音乐节拍靠拢，使最终心率与音乐节拍保持一致。有关考试、竞技、运动状态调节仪调速程序的流程图参见附图2

首先，经调节音乐节拍后的音乐信号传递给LR路信号混合器混合后进行动态压缩，经过低通滤波器A去除高频及有害成分，保留有益成分，与信号发生器产生的中频调制信号一起，送至幅度调制器调制成为音乐调制波或音乐调制扫频波，再由电子电位器调节强度后依次传递到功放A、升压变压器及电极，最终通过电极导入人体；

其次，另一部分经调节音乐节拍后的音乐信号传递到音量、高音及低音控制器，通过功放L、R将其功率放大后，传给耳机进行播放以便聆听；

其三，由MCU产生并输出的脑波包括：δ波、θ波、α波、β波通过低通滤波器B后传给音量、高音、低音控制器与调节音乐节拍后的音乐信号混合进入人耳，在大脑中合成相应的脑波，δ波、θ波、α波、β波并非同时使用，只是根据需要选用其中的一种或交替使用。

其四，MCU把不断变化的音乐节拍BPM传给BPM诱导双色灯控制器，根据调节器要求增减心率HR的需要，令暖色灯或冷色灯按BPM的数值进行闪动，需要增加心率时，暖灯亮，需要减低心率时，冷灯亮。在这里使用了生物反馈疗法的原理，暗示使用者通过自主神经的控制作用令心率跟随灯光的闪动及灯光的颜色诱导作用来作相应的调整，增大调整心率的效果。

依据上述主要技术特征，采用心率HR检测发射器采集到心率HR值后，通过红外线或蓝牙或无线方式发射到主机，也可直接用导线连接到主机。

依据上述主要技术特征，通过DSP芯片直接检测MP3(或WAVE、WMA、AAC、MIDI、APE、OGG、FLAC)变速播放器里的音乐的节拍BPM。

依据上述主要技术特征，MP3变速播放器音乐的播放速度，或称音乐的节拍，可以通过心率HR的数值并根据调节心率HR的需要，由微电脑控制芯片自动调整或通过手工直接调整。

依据上述主要技术特征，导入人体的治疗用的信号由左右路信号通过L、R路信号混合器混合而成。

依据上述主要技术特征，通过动态压缩器对音乐的动态范围进行压缩。

依据上述主要技术特征，通过低通滤波器将高频成分及有害成分滤除。

依据上述主要技术特征，音乐低频与信号发生器的中频信号或中频扫频信号相互调制从而形成音乐调制波或音乐扫频调制波。中频信号发生器可作扫频工作，中频数值变化及扫频范围在2KHz～10KHz之间，根据进入人体穴位及部位深度的需要自动调节或手工直接调节。

依据上述主要技术特征，MCU产生δ波、θ波、α波、β波与调节音乐节拍后的音乐信号混合进入人耳，在大脑中合成相应的脑波。

依据上述主要技术特征，BPM诱导双色灯控制器控制暖色灯冷色灯根据调节器的需要点亮并按BPM的数值进行闪动。暖色灯冷色灯可用单色的红蓝LED，也可用红绿蓝三基色LED合成。

本发明用于调节心率的有益技术效果：通过四个途经，共同发挥作用：

一、聆听变速音乐，可用传统的音乐或专门用于运动心理状态调节的音乐，并由仪器智能地通过调整音乐的速度，利用音乐的节拍引导心率向所需的数值调节。

二、把变速音乐的电流导入人体；用音乐的低频对中频或扫频中频进行调制，通过穴位电极导入人体对心率变化敏感的穴位或部位。使与音乐的节拍同步地刺激神经，加速使心率HR向音乐的节拍靠拢。

三、在变速音乐中添加脑波；把频差0～30Hz的脑波信号叠加进耳机左右声道的音乐中，诱导大脑产生相应的脑波，使人加速进入休息状态或进入兴奋状态。

四、变速音乐的节拍转换成灯光；把音乐的BPM送去双色灯控制器，当心率HR从低向高调时，暖灯亮，反之，冷灯亮，暗示使用者需提高或降低心率HR，灯光的闪烁频率正好等于音乐的BPM，诱导心率HR随灯的闪动也跟随提高或降低。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

附图1是考试、竞技、运动状态调节仪的原理方框图；

附图2是考试、竞技、运动状态调节仪调速程序的流程图。

【具体实施方式】

请参考附图1所示

包括音乐源模块，连接音乐源模块上的LR路信号混合器，连接于LR路信号混合器输出端上的依次是动态压缩器，动态压缩器连接于低通滤波器A；低通滤波器A和信号发生器输出端连接于幅度调制器，连接于幅度调制器输出端的电子电位器，连接于电子电位器输出端的功率放大器A，连接于功率放大器输出端的升压变压器，连接于升压变压器输出端上的穴位电极。

同时，音乐节拍检测器把音乐节拍BPM也传递给微电脑控制芯片，微电脑控制芯片通过比较，以及根据使用者的需要调高或调低使用人的心率。以调高HR为例，调整过程是这样的：设初始心率为HR₀＝65次/分，要调高到最终心率HR₁＝100次/分，并选择音乐节拍变化步长△BPM＝5次/分。先令BPM从初始音乐节拍BPM₀＝130次/分调整到BPM＝70次/分，保持BPM-HR＝△BPM＝5次/分，始终令节拍大于即时心率5次/分，同时不断检测即时心率HR，即时心率每增加一个数值，则BPM亦同步增加一个数值，直到HR＝HR₁为止。实现使HR控制MP3音乐的播放速度，音乐的播放速度的改变使音乐节拍随着而改变，音乐的节拍又反过来诱导心率HR改变的这一系列反馈过程；最终令心率向音乐节拍靠拢，使最终心率与音乐节拍保持一致。

所述的微电脑控制芯片(MCU)为主控单元，所述的键盘、LCD/LED显示器、红外遥控接收器、心率HR接收器构成基本架构，并且四者分别受控于微电脑控制芯片的控制，其它功能均依靠该基本架构的控制调节而起作用。还有DSP芯片构成的MP3播放模块也分别连接于微电脑控制芯片，并受控于微电脑控制芯片的控制。

在上述的DSP芯片中内嵌有音乐节拍检测器，可以直接检测MP3变速播放器里的音乐的节拍，主要为了实现音乐的节拍控制心率HR。一般乐曲的节拍在40～300拍/分之间，一般人的静态心率HR在60～90拍/分之间，人在作剧烈运动或身体不正常时心率HR会高到100～180次/分或更高。可以选择合适速度及节奏感强的乐曲进行聆听。

采用上述的心率HR检测发射器采集到心率HR值后，通过红外线、蓝牙或无线方式发射到主机。

变速播放器是本仪器的核心，人在听了快节拍的音乐，如进行曲，心跳会加快，在听了悠扬抒情的音乐后心跳会明显减慢，这里的根本原因是人在听音乐的时候自主神经会调节心率向音乐的节拍靠拢，进行曲的节拍快，小夜曲的节拍慢，抒情的音乐节奏更慢，在实际使用过程可以通过更换音乐来改变节拍，从而影响人的心率。但本仪器采用一种全新的理念：即使用同一首曲，利用现代技术令播放速度根据调整心率的需要，可在原速度节拍的基础上加快或减慢±100％，但太快或太慢都会令乐曲变调，从而失去乐感。本仪器的实用变速范围可以达±33％～±50％，实际使用中可视需要而定。在调速过程中，并非一步到位，而是采用渐进的原理，由MCU自动跟踪调节，例如要把心率从100次/分降到70次/分，则先令音乐调到90次/分，当心率从100次/分降到90次/分时，音乐调到80次/分，总之始终保持节拍领先于心率的变化(降心率时低于心率值，升心率时高于心率值)，直至心率与目标心率相同为止。

在本实施例中，所述的音乐信号部分：音乐的挑选相当重要。经医生、教练推荐的，针对特定运动员、学生而编辑、挑选出来的音乐素材，存放在DSP模块的乐曲储存器里、它里面的音乐可以通过USB下载以进行更新；音乐素材可以是单首的乐曲，也可以是由多首，多段不同乐曲剪接而成的具有特定功能的专辑。

在本实施例中，音乐信号处理部分：通过L、R路信号混合器把左右声道的音乐信号进行混合，通过动态压缩器压缩音乐的动态范围，通常人能感觉到的起始电流在1mA左右，最大能耐受的电流在50mA左右，仅相差50倍。传统音乐的动态范围在90dB以上，即幅度的大小差别最大可达10000倍以上，人耳能接受这种动态范围，但人体不能接受如此大的动态范围。如果把未经处理的音乐信号直接导入人体，会导致人体在小动态时无感觉，大动态时受不了。故必须把音乐的动态压缩到适应人体的需要，以感觉不刺痛为止。例如把动态范围压缩到40dB，即100倍左右，则动态压缩量达100倍，从而使进入人体的音乐电流能适应人体的耐受范围，最终成为实用的音乐信号。

在本实施例中应用部分：音乐低频与信号发生器的中频信号或中频扫频信号相互调制从而形成音乐调制波或音乐扫频调制波。中频信号发生器可作扫频工作，中频数值变化及扫频范围在2KHz～10KHz之间，根据进入人体穴位及部位深度的需要自动调节或手工直接调节。导入穴位用的电流经功率放大器进行功率放大，再通过升压变压器，产生与人体需求相适应的电压及电流。最后通过穴位电极与人体接触。穴位的选取是很重要的。

在本实施例中音乐聆听部分：它由音量、高音及低音控制器、功率放大器L、R，及耳机构成，这部分要满足输出功率和音乐保真度的要求。该功率放大器L、R为音频功放。

在本实施例中脑波诱导部分：由立体声的耳机构成；根据双耳效应原理：如果进入双耳的声波频率不同，假如左耳输入的正弦波为800Hz，右耳为807Hz，则它们的差值(807Hz—800Hz＝7Hz)会在大脑中保留下来，从而诱导大脑产生7Hz的脑波。脑波共有δ、θ、α、β四种波，频率范围在0.5Hz～30Hz。只要改变进入双耳的声波频率差，就可诱导出不同频率的脑波。

在本实施例中心率HR反馈诱导部分：它由MCU微电脑控制芯片，BPM诱导双色灯控制器、暖色灯、冷色灯组成。当要提高使用者的心率HR，令其处于兴奋状态，使用暖色灯；当要降低使用者的心率HR时，令其处于安静状态，使用冷色灯。暖色灯、冷色灯在工作过程中随着乐曲节拍的变化而闪动，闪动的频率等于BPM值，BPM变，诱导灯闪动频率亦跟着变化。诱导灯由LED由红、绿、蓝的单色LED发光管组合而成，但三者的发光强度不同，从而组合成不同颜色的光，所以是一种混合光。不同人对不同色温的灯具有不同的灵敏度，可通过测试确定。

基于上述，采用上述几种类型的音乐信号在上述结构中实现其过程，需要解决的以下几个技术问题：

1.首先要正确检测心率HR，并通过心率HR检测发射器把心率HR发射给微电脑控制芯片；同时对音乐进行节拍检测。两种信号送入微电脑控制芯片进行比较，供微电脑控制芯片调节音乐的播放速度，同时不断检测心率，根据需要，令心率向音乐节拍靠拢，从而达到调节心率的目的。

2.利用MCU内部的信号发生器产生两组差频为0.5Hz～30Hz的脑波，混合进左右声道的音乐里。

3.通过改变RGB三色LED发光管的发光强度比例，从而搭配出不同的暖色和冷色，这些暖色和冷色是对不同人有不同的灵敏度，一经挑选好就要保存下来。更换使用对象时可能要重新调整。

4.乐曲的变速：MP3的播放速度要求可在正常播放速度的±50％或更大的范围内变化，同时要求在变速的前提下尽可能不变调，不改变音乐的优美性。

5.压缩导入人体的音乐的动态以适应人的需要。

6.使用信号发生器产生中频调制波或扫频波。

本发明解决了目前仅通过心理辅导或热身运动来调整心率HR的传统办法，希望通过仪器来调整，便于令更多有这方面需求的使用者受益。

综上所述，因在上述技术方案中采用音乐信号，并对音乐信号进行变速、混合、压缩、过滤、调制、放大以及升压等工艺，再将所经过工艺处理后的音乐信号通过电极导入人体的特定穴位进行加强音乐的诱导效果。

Claims

1.一种考试、竞技、运动状态调节仪，包括音乐源模块，连接音乐源模块上的LR路信号混合器，连接于LR路信号混合器输出端上的依次是动态压缩器，动态压缩器连接于低通滤波器A；低通滤波器A和信号发生器输出端连接于幅度调制器，连接于幅度调制器输出端的电子电位器，连接于电子电位器输出端的功率放大器A，连接于功率放大器输出端的升压变压器，连接于升压变压器输出端上的穴位电极。

2.根据权利要求1所述的考试、竞技、运动状态调节仪，其特征在于：采用心率HR检测发射器采集到心率HR值后，通过红外线或蓝牙或无线方式发射到主机，也可直接用导线连接到主机。

3.根据权利要求1所述的考试、竞技、运动状态调节仪，其特征在于：通过DSP芯片直接检测MP3(或WAVE、WMA、AAC、MIDI、APE、OGG、FLAC)变速播放器里的音乐的节拍BPM。

4.根据权利要求1所述的考试、竞技、运动状态调节仪，其特征在于：MP3变速播放器音乐的播放速度，或称音乐的节拍，可以通过心率HR的数值并根据调节心率HR的需要，由微电脑控制芯片自动调整或通过手工直接调整，调整范围大于±50％。

5.根据权利要求1所述的考试、竞技、运动状态调节仪，其特征在于：导入人体的治疗用的信号由左右路信号通过L、R路信号混合器混合而成。

6.根据权利要求1所述的考试、竞技、运动状态调节仪，其特征在于：通过动态压缩器对音乐的动态范围进行压缩。

7.根据权利要求1所述的考试、竞技、运动状态调节仪，其特征在于：通过低通滤波器将高频成分及有害成分滤除。

8.根据权利要求1所述的考试、竞技、运动状态调节仪，其特征在于：音乐低频与信号发生器的中频信号或中频扫频信号相互调制从而形成音乐调制波或音乐扫频调制波。中频信号发生器可作扫频工作，中频数值变化及扫频范围在2KHz～10KHz之间，根据进入人体穴位及部位深度的需要自动调节或手工直接调节。

9.根据权利要求1所述的考试、竞技、运动状态调节仪，其特征在于：MCU产生δ波、θ波、α波、β波与调节音乐节拍后的音乐信号混合进入人耳，在大脑中合成相应的脑波。

10.根据权利要求1所述的考试、竞技、运动状态调节仪，其特征在于：BPM诱导双色灯控制器控制暖色灯冷色灯根据调节器的需要点亮并按BPM的数值进行闪动。暖色灯冷色灯可用单色的红蓝LED，也可用红绿蓝三基色LED合成。