CN101444026B - 通过提高信噪比探测声音的系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于探测源自物体的声音，并提高这种声音相对于体外噪音的信噪比的系统和方法。所述系统包括：光源，用于产生准单色的空间相干光束；干涉仪，用于使一束从光源入射到物体并反射回来的光束和一束也是源自光源的参考光束发生干涉；和探测器，用于探测由至少一个干涉条纹的越过探测器的运动所引起的变化，并用于产生相应的电信号。

Description

通过提高信噪比探测声音的系统及其方法

技术领域

本发明涉及噪声降低和滤波领域；更特别地，涉及一种系统和一种方法，该系统和方法用于检测源自物体的声音和提高与源自体外的噪声有关的信噪比。

背景技术

无论在私人还是商业领域，便携式电话都已成为一种主要的通讯工具。几乎所有的手机用户均使用带有耳机的车载免提电话或移动免提电话，以便于用户在做其它事、包括驾驶时进行手机通讯。到目前为止，即便是本领域技术水平最高的免提电话，其在通讯时所探测和传输的也不仅是用户的声音(这是它们的目的)，还包括背景噪音，如交通噪音(巴士、小汽车)、发动机噪音、空调噪音，和不时发生的背景谈话(特别是在餐馆或汽车内使用手机时)。这些背景噪音在蜂窝移动通信系统中被放大和传输。在许多情况下，这些不受欢迎的噪音淹没了所述系统、以至于使得被传输的用户的声音不再能够被辨认。此外，背景噪音也被传输信息的带宽的多余片断。随着因特网应用与移动电话技术的结合，带宽将越来越重要和昂贵。由于上述原因，如果创立一种可在某种程度上屏蔽背景噪音的免提电话/耳机系统，将具有十分重要的意义。

已知骨导、特别是人的头骨可非常有效地传递产生于所述头骨内的声波(即该人的声音)。人们利用这种现象来降噪已有若干尝试。

美国专利申请US5,228,092(申请人为Nakamura等)公开了一种声音变频器，用于通过安装在机动车辆或类似装置上的电话的通讯，包括：具有一个侧面的机身，该侧面用来与操作者的头部接触，以在产生的声波传过头骨时探测所述声波的振动、并将这种振动转化为电信号；所述机身的支撑件；连接所述机身和所述支撑件的连接件，且所述机身的所述侧面的位置可相对于操作者的头部进行调节。所述机身包括探测振动的压电换能器，环绕所述压电换能器的阻尼材料，以及外壳，该外壳环绕所述阻尼材料并包括所述要与操作者的头部接触的侧面，且所述外壳的所述侧面经过预处理从而具有小的摩擦系数。该变频器针对输出电压降落和信噪比急剧恶化等问题而设计，引起这些问题的原因是所述声音变频器和操作者之间的不利接触，或者是由于操作者头发与所述声音变频器之间的摩擦而产生的无益振动。

美国专利申请US6,408,081(申请人为Boesen)公开了一种嗓音传输单元，该单元具有适于插入用户外耳道内的听筒，该听筒同时具有骨导传感器和空气传导传感器。所述骨导传感器与外耳道接触、将嗓音信息的骨振动转换为电信号。所述空气传导传感器寓于所述耳道内、将嗓音信息的空气振动转换为电信号。在该专利申请的优选实施例中设有语音处理器，该语音处理器从所述骨导传感器和空气传导传感器中抽样输出，以滤去噪音、并选择纯粹的嗓音信号用于传输。所述嗓音信号的传输可通过无线链路，也可装备扬声器和接收器以进行双向通讯。

美国专利申请6,668,065(申请人为Lee等)公开了一种骨导变频器，该变频器包括一个盘形轭状物，该轭状物在其两端弯曲、形成一对切割部分；语音线圈装在所述切割部分的中心延展部上；在所述语音线圈之间设有磁体和长方体板；在该板的下部隔一段精确的距离设有振动膜。

此外，美国专利申请US 6,728、US 6,463,157、US 6,104,816、US 5,757,934和US 5,327,506也公开了其它的骨导装置。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种新型的利用骨导现象的变频器。

本发明的另一个目的是提供一种变频器，该变频器采用光学装置(不需要声波探测)来探测人向其通讯设备(特别是，但不仅是，手机)说出、经其头骨传导的声音信号。

本发明的还有一个目的是用光学装置来探测产生于物体内的声音信号，如心跳声、产生于肺内的声音，以及血液流动的声音。

本发明的再一个目的是提供一种屏蔽通信设备，该设备可用来探测和增强源自具有声激表面的身体内的声音，并可忽视和大大降低背景噪音。

根据本发明的一个优选实施例，本发明提供一种系统，该系统探测源自物体内的声音，并提高这种声音相对于体外噪声的信噪比，所述系统包括：

-光源，用于产生准单色的空间相干光束；

-干涉仪，用于使一束从光源入射到物体并反射回来的光束(下文称(信号光束)和一束也是源自光源的参考光束发生干涉；和

-探测器，用于探测由于至少一个干涉条纹的越过探测器的运动所引起的变化，并产生相应的电信号。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述光源为激光光源。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述光源的特征在于其相干长度大于系统中的一个光学来回。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述探测器的反应速率等于或快于25kHz。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述干涉仪中还包括一面用于反射所述参考光束的镜子，该镜子具有表面粗糙度、以模拟从物体反射回来的光束的分支。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述系统进一步包括一个透镜，该透镜位于所述探测器之前，用于使单个干涉条纹的尺寸最优化、以匹配所述探测器的探测区域。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述干涉仪包括两个四分之一波片和两个偏振片，该两个四分之一波片分别位于所述干涉仪的两臂，该偏振片位于所述探测器之前，以使系统内到达所述探测器的干涉信号中的光功率最优化。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述参考光束也射向物体(而不是镜子)、再从物体反射回来，然后与所述信号光束发生干涉，这有利于差分检测方案。

此外，根据本发明的一些优选实施例，从物体反射回来的两个光束之间的距离相当于待探测声音的声波长的一倍或两倍。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述系统被集成在一个可戴在用户耳上的设备中，并使光束朝着用户的头骨入射到身体。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述设备包括听筒。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述系统进一步设有与所述物体表面相连的反光片，用于提高声耦合。

此外，根据本发明的一些优选实施例，本发明还提供一种用于探测源自物体的声音和提高其相对于体外噪音的信噪比的方法，该方法包括：

-使源自光源的光束射到物体上，所述光源产生准单色、空间相干光束；

-会聚来自物体的反射光，并使其与也是源自所述光源的参考光束发生干涉；以及

-用光学探测器探测所述干涉光束的移动的干涉条纹，所述光学探测器探测由至少一个干涉条纹的越过探测器的运动所引起的变化，并产生相应的电信号。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述物体为人体，所述声音为人声。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述光束的特征在于其相干长度大于系统内的一个光学来回。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述参考光束从一面镜子上反射回来，该镜子具有表面粗糙度、以模拟从物体反射回来的光束的分支。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述方法进一步包括在探测器之前的用透镜使光束成形步骤，用于最优化单干涉条纹的尺寸、使之与所述探测器的探测区域相匹配。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述参考光束射向物体、再从物体反射回来。

此外，根据本发明的一些优选实施例，从物体反射回来的两个光束之间的距离相当于待探测声音的声波长的一倍或两倍。

此外，根据本发明的一些优选实施例，所述方法进一步包括提供一个与所述物体表面相连的反光片，用于提高声耦合。

附图说明

为了更好的理解本发明及其实际应用，下面将以例证而非限定的方式，结合附图对本发明作详细说明；同样的部件用相同的附图标记表示：

图1为根据本发明一个优选实施方式的屏蔽通信变频器；

图2为根据本发明另一个优选实施方式的屏蔽通信变频器；

图3为集成有本发明一个优选实施方式的屏蔽通信变频器的头戴式耳机示例；

图4为根据本发明另一个优选实施方式的屏蔽通信变频器，其中信号光束和参考光束均射向用户的头部。

具体实施方式

本发明的一个主要方面是在自然屏蔽的基础上屏蔽背景噪声，所述自然屏蔽通过利用传播于用户头骨内的声波进行。众所周知，声传导(速率)在重介质中会大大提高(如水中的声传导优于空气中)。对于手机用户，声波产生于他的喉咙和声带内；这种声波(下文称“信号”)除了通过空气传播(通过将声带振动转化为空气振动)之外，还通过声传导传播，所述声传导通过头骨和软骨、最终被用户的内耳道探测到。已知人们听自己讲话往往比听背景噪音和其他人说话效果更好(除了在极端情况下，背景噪音的振幅高于所述“信号”的振幅许多个数量级时之外)。这时，头骨本身作为一个非常好的隔音装置、自然地隔开内传导声波和外部背景噪音。本发明的设备和方法有赖于以下事实：通过直接从头骨内的骨(或软骨)的声振动来收集信号、进行探测。由于所述声音信号产生于头骨内部并通过穿越所述骨和软骨的声传导到达头骨的外部，其振幅远高于外部(背景)噪音的振幅，后者在各自的空气振动到达用户头部时激起低振幅声波。因此，如果通过监测在头骨中传导的声波来直接探测所述信号，就会发现外部噪音对探测到的信号的贡献极小。

从头骨直接探测是令人满意的，因为如果采用探测载于空气中的声波的方法，即使非常接近口部，也会发现所述信号的优势变小了。

因此本发明的关键特征是：

头骨的骨和软骨中的声音传导，这种传导有利于内部激发式声波，不利于外部噪音；以及对在头骨内传播的声波的直接探测。

非常重要的一点是声波的探测是直接进行的，即：必须直接监控和探测来自头骨内传播的声波的信号，而不是探测用户头部周围的空气振动。为了这种直接探测，本发明引入了一种复杂但便利的方式来探测才刚离开头骨的骨或软骨的声波。所述方法以激光-多普勒探测为基础，这似乎是目前最好的探测方法。其理念是用非常低能的激光光束来照射一个骨区域，该照射点反射回一些激光，所有反射回来的光的频率都稍微不同于初始的激光频率。这种频率改变即多普勒频移，是由于当声波和光波在所述照射区域重叠、两种波一起(或相对)传播时，激光频率加上(或减去)了所述声波的频率而产生。

对于应用于人的情况，所述骨区域优选为头骨的任何区域，特别是耳后区域，或者耳内软骨，或者头骨外部上的任何其它位置，只要不直接接近气腔即可(因为这类气腔引起的驻波会使信号失真)。

在本发明的一个优选实施例中，所用激光器为单模半导体激光器，其激光具有一致的、超过所述光学系统内的一个光学来回(所述系统内的光程)的波长；所述激光器被包含在屏蔽通信设备内，该设备优选安装在电话、手机的听筒内或头戴式耳机(见图3)或任何其它独立资源上。所述激光优选通过光纤到达头上的照射点，所述光纤的末端装有微型准直透镜。从头上的照射点反射回来的声调激光接着被同样的透镜会聚到一起，使其与参考光波发生干涉、以形成带。由于两种光波的频率稍有不同，干涉条纹会发生移动，其移动速度与两种光波之间的频率差成正比，所述频率差又反过来与初始信号声波的速度成正比。可设置微型光学探测器来盖住单个的干涉斑(斑点)。当亮干涉条纹移过探测器时，探测器将显示电流，电流的幅值与音频信号成正比，电流的频率与音频信号的频率一致。需要进行一些电子信号处理，以弥补系统内可能产生的失真和错误，但不需任何重大、复杂的信号处理任务。可以将探测到的信号(即纯粹的、不含背景噪音的随机信息内容的信号)进行压缩。这种数据压缩方案，特别是当该方案按照特定用户(如手机的所有者)的声音进行校准后，留下了相当大部分的可用带宽空间，可用于因特网通讯或其它辅助用途；而且，根据本发明的一些优选实施例，这有利于因特网服务和语音传输与探测同步进行。此外必须强调的是，本发明的所述方法和设备不需在用户头部附近使用电子设备或电线。所有探测过程由激光来完成，所述激光处于预设的功率级(微瓦)、具有预设的激光波长、完全无害。这是一个用户安全系统，没有在头部附近传输或接收电子微波信号的风险。

本发明的系统的新特征和优点包括：传输用户的声音，而不传输背景噪音；探测过程对用户的声音非常敏感，但对其它背景噪音不敏感；不需电子部件(不需电线、麦克风等)。甚至耳机只在耳内就可将光学信号转换为声音信号，也就是说，在用户头部附近没有作为有害的次级天线的电线。这使得手机技术完全无害。

本发明有利于提高对于物体外产生的噪音或声音的信噪比，因为所述体外噪音与物体有很弱的声耦合，从而体外噪音被大大削弱，其对反射光束的影响也大为降低。

背景噪音的去除与数据压缩方案的实施留下了相当大部分的通信带宽空间，这些空间可用于实施其它任务。

图1为本发明一个优选实施方式的屏蔽通信变频器的示意图。图中，用干涉仪使从用户头部反射回来的、载有信号的激光光束和参考光束(由分光镜分出)之间产生干涉。光源(优选激光光源10)产生激光光束、并照射到分光镜12上。该分光镜将所述光束分成两束正交光束：一束射向一面镜子并反射回来、到达光学探测器18，以作为参考光束；另一束横贯过分光镜射向用户的头部16并反射回来、再被分光镜12改变方向射到所述探测器上。最初，两束光均具有相同的频率ω；所述反射光束被声波调整之后，频率变为ω+Ω，其中Ω为声波频率。所述反射光束与所述参考光束发生干涉，有效地使这两种信号相减、获得探测到的声音信号Ω。对光学信号敏感的所述探测器的探测区域优选跨越单个干涉条纹，从而当所述干涉条纹移过所述探测器时可有效地感应其变化。探测器获得的斑点形式的探测信号移过探测器时，使探测器产生电流信号，该电流信号的幅值与所述声音信号成正比，而其频率与所述声音信号的频率相同。

图2展示了本发明的另一个优选实施例，其基本方案与图1中一致，只是在其中加装了两个延迟片22(四分之一波片)，干涉仪的两臂各一个，探测器前设有偏振片24。这是为了确保从光源射出的光到达探测器时具有最大光功率，同时反射光束和参考光束的平均强度在探测器平面上大致相等。

所述激光光源产生线偏振光束(在本实施例中偏振方向为45度)。所述分光镜被偏振分光镜所取代。在本方案中，最大功率被传送到输出干涉面(没有光被反射回激光源)，从而光功率的消耗被最优化。可选透镜26用于将输出光束会聚起来再射到探测器上(用狭缝或孔28来确保只有所述干涉条纹的一个条纹能到达所述探测器)。所述探测器对于人讲话产生的声音信号的反应速率等于或快于25kHz。探测器的有效探测区域应能覆盖一个(或几个)干涉周期(条纹)。探测器对干涉条纹的移动作出反应，干涉条纹移动的最大速率具有与预期声音频率相同的频率。所述探测器将光子通量转化为电流，该电流模拟光子通量中的时间变化。所述干涉条纹以待测声音的频率通过所述探测器。

镜子14可优选包括一个表面，该表面的反射品质与用户头部皮肤的反射品质相同或相似，这可有效保证参考光束和声音信号载体光束的波前性质相同或相似。优选地，所述表面的粗糙度与用户头部皮肤的粗糙度相同或极其近似，从而可模拟从物体反射回来的光束分支。可以考虑采用具有相同或相似粗糙度(同一尺度)的涂漆表面、粗糙表面。这是为了使干涉仪的性能最优化。

图3展示了集成到头戴式设备32(典型的为采用蓝牙技术、带有耳机34的头戴式设备)内的本发明的探测设备，探测单元具有窗口30，激光光束通过该窗口30射到用户头部。

图4展示了根据本发明另一个优选实施例的屏蔽通信变频器，其中信号光束和参考光束均射向用户的头部。本实施例的光学方案与图2中类似，不过用偏光镜36取代了分光镜12。这用于使声音信号载体光束和参考光束都照射到相同的皮肤表面，从而获得具有相同或相近的波前性质的两束反射光，所述相同或相近的波前性质与所述皮肤的相同或相似反射性质相关联。优选地，从物体反射回来的两个光束之间的距离相当于待探测声音的声波长的一倍或两倍，从而实现差分检测。在本发明的一些优选实施例中，可在用户皮肤上设一反光片，用于提高声耦合。

注意，虽然以上本发明的实施例均只涉及人类的移动电话通讯，但本发明却具有宽得多的保护范围，事实上本发明可用于探测和增强源自任何物体(该物体具有一个可被内部声音激发的外表面)内部的声音，同时将获得的信号屏蔽于外部噪音之外。本发明的系统和方法可有各种应用，例如，可用来探测和监控心跳，还可被集成到运动员用的计步器(pace-meter)内。本发明的系统和方法可用于声音识别，以探测和识别声音信号；也可用于水下通信，目前常规的麦克风不能用于水下，因为常规麦克风的膜对水敏感。本发明的系统和方法还可用于声音的远程探测。本发明为具有随机噪音的嘈杂环境(如煤矿、机场、坦克和其它车辆)增加了价值和特别诉求。

以上是本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (20)

1.一种用于探测源自物体的声音并提高该声音相对于物体外噪音的信噪比的系统，所述系统包括：

-光源，用于产生准单色的空间相干光束；

-干涉仪，用于使一束从光源入射到物体并反射回来的光束和一束也是源自光源的参考光束发生干涉；

-探测器，用于探测由至少一个干涉条纹的越过探测器的运动所引起的变化，并用于产生相应的电信号。

2.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光源为激光光源。

3.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光源的相干长度大于系统内的一个光学来回。

4.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述探测器的反应速率等于或快于25kHz。

5.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述干涉仪中还包括一面用于反射所述参考光束的镜子，该镜子具有表面粗糙度、以模拟从物体反射回来的光束的发散。

6.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统进一步包括一个透镜，该透镜位于所述探测器之前，用于使单个干涉条纹的尺寸最优化、以匹配所述探测器的探测区域。

7.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述干涉仪包括两个四分之一波片和两个偏振片，该两个四分之一波片分别位于所述干涉仪的两臂，该偏振片位于所述探测器之前，以使系统最优化。

8.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述参考光束射向物体、再从物体反射回来。

9.权利要求8所述的系统，其特征在于：从物体反射回来的两个光束之间的距离相当于待探测声音的声波长的一倍或两倍。

10.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统被集成在一个将被戴在用户耳上的设备中，并使光束朝着用户的头骨入射到身体。

11.权利要求10所述的系统，其特征在于：所述设备包括听筒。

12.权利要求1所述的系统，其特征在于：所述系统进一步设有反光片，该反光片与所述物体表面相连接以提高声耦合。

13.一种用于探测源自物体的声音并提高所述声音相对于体外噪音的信噪比的方法，该方法包括：

-使源自光源的光束射到物体上，其中所述光源产生准单色、空间相干光束；

-会聚来自物体的反射光，并使其与也是源自所述光源的参考光束发生干涉；

-用光学探测器探测所述干涉光束的移动的干涉条纹，所述光学探测器探测由干涉条纹的越过所述探测器的运动所引起的变化，并产生相应的电信号。

14.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述物体为人体，所述声音为人声。

15.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述光束的相干长度大于系统内的一个光学来回。

16.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述参考光束从一面镜子上反射回来，该镜子具有表面粗糙度、以模拟从物体反射回来的光束的发散。

17.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述方法进一步包括在探测器之前的用透镜使光束成形步骤，用于使单个干涉条纹的尺寸最优化、以与所述探测器的探测区域相匹配。

18.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述参考光束射向物体、再从物体反射回来。

19.权利要求18所述的方法，其特征在于：从物体反射回来的两个光束之间的距离相当于待探测声音的声波长的一倍或两倍。

20.权利要求13所述的方法，其特征在于：所述方法进一步包括设置一个与所述物体表面相连接的反光片以提高声耦合。

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