CN101867852A - 基于双声道的频差和短音刺激双重作用的骨传导耳机 - Google Patents

Abstract

一种基于双声道的频差和短音刺激双重作用的脑波诱导的骨传导耳机，其中控制电路包括：音频模拟信号的输入接口，对接口输出信号进行模数转换的两个模数转换器，接收模数转换器输出、进行左右两个声道的频率差和短音刺激的分段处理的音频信号处理器，以及两路数模转换器、功率放大器和两个骨传导耳机。该音频信号处理器为现场可编程门阵列，它还连接液晶显示屏、键盘和存储器，分别对液晶显示屏执行显示控制和对键盘的控制信号作出响应。该耳机利用双声道的频差与短音刺激的两种方式相互结合的综合效果诱导用户的脑电波，可用作与电脑或学习机配套使用的音频播出装置，使学生能在放松的状态下进行卓有成效的学习，同时不损坏其听觉系统。

Description

基于双声道的频差和短音刺激双重作用的骨传导耳机

技术领域

本发明涉及一种结构新颖、具有保护听力功能的骨传导耳机，确切地说，涉及一种基于双声道的频差和短音刺激两种传导相结合的双重作用的脑波诱导的骨传导耳机，属于音频输出设备的技术领域。

背景技术

每个人的身上都存在磁场，人在思考的时候，其磁场会发生改变，形成一种生物电流通过的磁场，即“脑电波”。根据目前的研究成果，这种自发的有节律的神经电活动，其频率的变动范围为1～30Hz，可以分为下述4个波段。

频率为0.4～4Hz的6波，其为优势脑波时的功效是：人处于深度熟睡、无意识状态，也就是一种无梦的睡眠状态。

频率为4～8Hz的θ波，其为优势脑波时的功效是：人的意识中断，身体深沉放松。因意识中断而使人们在平常清醒时所具有的批判性或道德性的过滤机制被埋藏起来，对外界信息呈现高度的受暗示性状态。对于触发深层记忆、强化长期记忆等有极大帮助。

频率为8～14Hz的α波，其为优势脑波时的功效是：人的意识清醒，身体放松，提供意识与潜意识的桥梁。脑部获得的能量最多，思维活动活跃，是学习与思考的最佳状态。该α波又细分为下述三种：

慢速α波，频率为8～9Hz，其为优势脑波时的功效是：临睡前头脑茫茫然的状态，意识逐渐走向模糊。

中速α波，频率为9～12Hz，其为优势脑波时的功效是：灵感、直觉或思维点子发挥威力的状态，身体轻松，且注意力集中。

快速α波，频率为12～14Hz，其为优势脑波时的功效是：高度警觉，无暇他顾的状态。

频率为＞14Hz的β波，其为优势脑波时的功效是：随着β波的增加，身体逐渐呈紧张状态。大脑的能量除了维持自身系统的运作外，还必须为指挥对外防御系统做准备。人的身心能量耗费较剧烈，会导致快速疲倦。

目前，国外正在生产一些被称为“潜能开发机”、“右脑开发机”等名称的各种声光脑波机，并在市场上销售。其工作原理基本类似，大都采用声、光共同诱导脑电波同步的机理，让使用者以其希望的任何强度或频率来选择或创造几乎为无限多种的电子合成音。这些电子设备使用计算机控制的电路将听觉和视觉振动构成同步关系，以便随着闪光的变慢或加速、变亮或变暗时的声音能够保持同步。也就是当光线以设定频率(假设8Hz)通过视觉系统刺激大脑时，声音也以相同频率通过听觉系统刺激大脑，以此导引或驱动脑电波活动。这些电子设备虽然能够产生一定作用。但是，即便在国外，它们也只是被用于休憩和放松(或催眠)状态，无法真正用于学生的学习过程中。其根本原因是：由于该设备为提高诱导效果，采用了光刺激方式，因此使用者必须在闭上眼睛的情况下才能使用。其次，该设备采用的声刺激方式通常是一种双声道的节拍和音频信号的组合，主要利用周期性的闪光信号和节拍信号来产生刺激效果。而且，通常将具有声刺激作用的节拍信号叠加在某些音乐中，因而播放时所使用的磁带、光盘或可下载的多媒体音乐文件等，均需专门制作。同时，为了达到诱导目的，其节拍信号还要有一定的强度，而长时间采用普通耳机或耳塞收听，又会对使用者的听觉造成损害。因此，上述设备不能适应教学需求和应用。

人类在接收外界声音信号时，通常有两种途径。一种是空气传导，即声波振动人的耳膜，通过听小骨的传导对耳蜗产生刺激，再经由听觉神经传导至大脑产生听觉。另一种是骨传导，振动的声波先通过头骨将信号传递至听小骨，同样对耳蜗产生刺激，再经由听觉神经传导至大脑产生听觉。

在诱导技术中，双声道的频差信号是将具有不同频率、且两者有设定频率差的音频信号分别作用于人的左、右两耳，使用户受到以该频率差所产生的共振声效，被称为双声道频差效应。该方法是采用共振原理，诱发使用者的脑电波在该频率差值范围内产生共振，使用者所听到的声音是由该频差的中心频率所产生。这种诱导方式可用于语音信号的诱导，将其频率差设置在α波的范围内，可诱导使用者的脑电波在α波的状态下产生同步。因此，该方法可直接用于教学上的语音信号，并可以采用调节输出信号强度的方法来调节诱导的效果。

如何结合国外研制和生产的各种声光脑波机的机理，并根据人的耳朵和听觉神经的工作原理，以及人耳的双声道频差效应，研制一种能够辅助与增强学习功效的诱导脑波的耳机，就成为国内科技人员关注的焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一个基于双声道的频差和短音刺激双重作用的脑波诱导的骨传导耳机，该骨传导耳机能够克服现有技术的局限，利用双声道的频差与短音刺激的两种方式相互结合，利用其综合效果对使用者的脑电波进行诱导，从而用作与电脑或学习机配套使用的音频播出装置，使学生能在放松的状态下进行卓有成效的学习，同时不损坏他们的听觉系统。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于双声道的频差和短音刺激双重作用的脑波诱导的骨传导耳机，包括机盒和两个耳机，机盒内设有对输入的音频信号进行处理的控制电路与电池；其特征在于：所述控制电路设有下述顺序连接的电路：音频模拟信号的输入接口，对接口的输出信号分别进行模数转换的两个模数转换器，接收两个模数转换器输出的该控制电路的核心电路、进行左右两个声道的频率差和短音刺激的分段处理的音频信号处理器，连接音频信号处理器输出的两路数模转换器、功率放大器和两个骨传导耳机；所述音频信号处理器由现场可编程门阵列构成，音频信号处理器还连接液晶显示屏、键盘和存储器，分别对液晶显示屏执行显示控制和对键盘的控制信号作出响应。

所述音频信号处理器的功能是根据用户设定的条件将输入的音频信号进行频差处理，并按照设定的、需要诱导的脑电波种类而产生交互刺激工作频率、即左右两个声道的切换频率；它是由该音频信号处理器控制左右两个声道按照设定的短音交互频率轮流地将主、辅声道的信号经由左右两个声道的耳机交替播放；即按照设定的短声交互刺激的周期和工作频率，音频信号处理器分别将左右两个声道轮流切换为主、辅声道，使得左右两个声道的耳机交替地播放按照上述设定原则进行调制的音频信号，以使该两个声道的耳机在用户两侧的听觉器官上交替播放被转换成为具有设定频率差、能够形成短音刺激作用的声音信号。

所述主声道为频率高的声道，辅声道为频率低的声道。

所述音频信号处理器设有下述顺序连接的模块：分别连接左右两个声道输入的滤波器，先进先出FIFO选择器、至少三个彼此独立的FIFO存储器和输出控制模块，以及对左右两个声道的音频信号进行存储选择控制的频差计算模块；因音频信号必须保证连续性，频差处理算法要求存储整个短音周期的音频信号数据，故所述FIFO存储器的深度不能低于音频信号的一个短音周期，该短音周期的时长是由用户在α波周期范围内自行设置的，以便对存储的音频数据进行处理。

所述三个彼此独立的FIFO存储器中的第一个FIFO存储器和第三个FIFO存储器用于存储需要处理的音频数据，第二个FIFO存储器用于存储不进行处理的音频数据；在当前α波短音周期输出的左声道为主声道时，第一个FIFO存储器的数据输出到左声道耳机，第二个FIFO存储器的数据输出到右声道耳机；否则，第二个FIFO存储器的数据输出到左声道耳机，第三个FIFO存储器的数据输出到右声道耳机；在当前α波短音周期输出的左声道为主声道时，下一个α波短音周期输出将会以右声道为主声道，该下一个α波短音周期的左右两个声道数据就分别存储到第二个FIFO存储器和第三个FIFO存储器；否则，下一个α波短音周期的左右声道数据被分别存储于第一个FIFO存储器和第二个FIFO存储器。

所述模数转换器用于将模拟音频信号转换成数字信号后，通过并行总线接入音频信号处理器，其采样频率为44.1KHz，转换精度、即并行总线的宽度为12比特；所述数模转换器是将由音频信号处理器传送来的多位并行数字信号转换为模拟音频信号后，输出到功率放大器；其输出频率也是44.1KHz，满量程电压为5V，位数为12比特。

所述液晶显示屏用于显示包括电池电量、主、辅声道信号的频差值和短音交互频率值的各种工作状态信息，键盘用于设置和调节音频信号的音量，主、辅声道的频率差值和短音交互频率值，并作为电源开关；存储器用于存储音频信号处理器的应用程序和其它信息；该骨传导耳机还设有连接外挂存储器的扩展接口，用于播放外挂存储器中的音频文件。

本发明是是一种基于双声道的频差和短音刺激双重作用的脑波诱导的骨传导耳机，该耳机是将具有设定频率差的语音信号采用双声道短音的交互刺激方式对脑电波进行同步诱导的作用，使得佩戴者在只有语音音频信号的情况下，通过双声道频差和双声道短音刺激的双重作用，形成一种全新的脑波诱导方式，从而让该耳机佩戴者处于放松状态进行卓有成效的学习。

因本发明耳机主要用于学习和睡眠，使用者对音质的要求不高，因此，使用这种音域略有欠缺的骨传导耳机不会影响使用效果。而且，本发明骨传导耳机的特点是结构比较简单，容易生产，且成本较低廉；它既能保持一定的刺激强度，又可以有效保护使用者的听力，尤其适合学生长时间地佩戴使用。本发明耳机主要作为学习器具供学生使用，也可作为影音设备的配件，用于网吧、电脑操作者、个人(或家庭)影院设施和便携式收听设备(如MP4等)的配件。

附图说明

图1是本发明基于双声道的频差和短音刺激双重作用的脑波诱导的骨传导耳机的整体结构组成及其使用状态示意图。

图2是本发明骨传导耳机的控制电路原理图。

图3是本发明骨传导耳机控制电路中的音频处理器内的模块结构图。

图4是本发明骨传导耳机对左右两个声道音频信号进行处理的波形及其存储方式示意图。

图5是本发明骨传导耳机的结构组成示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

在诱导技术中，双声道的短音刺激信号是将输入的短音的音频信号按照设定的α波频率轮流控制左、右两个声道的输出频率，再分别作用于人的左、右两耳，在使用者的左右听觉器官形成一个变化的声场，通过该声场的变化频率达到诱导使用者脑波同步的目的。众所周知，左耳的听觉是刺激右脑，右耳的听觉是刺激左脑，这种在左右两脑之间按照设定频率变化的声场同样可以诱发使用者的脑电波在该α波频率范围内产生共振。

本发明基于双声道的频差和短音刺激双重作用的脑波诱导的骨传导耳机就是将具有设定频率差的语音信号采用双声道短音的刺激方式作用于脑电波的同步诱导，让使用者在双声道频差和短音刺激的双重作用下，形成一种全新的诱导脑电波方式。

参见图1，介绍本发明骨传导耳机的整体结构组成及其使用状态，它包括机盒和两个耳机，机盒内设有对输入的音频信号进行处理的控制电路与电池。

参见图2，介绍该骨传导耳机的机盒内的控制电路，设有下述顺序连接的电路：音频模拟信号的输入接口，对接口输出的模拟音频信号分别进行模数转换的两个模数转换器，两个模数转换器输出的数字音频信号，通过并行总线接入音频信号处理器，以及音频信号处理器输出端顺序连接的两个将来自音频信号处理器的多位并行数字信号转换为模拟音频信号的数模转换器、功率放大器和两个骨传导耳机。由现场可编程门阵列构成的音频信号处理器是该控制电路的核心，它还连接液晶显示屏、键盘和存储器，其主要功能除了完成对左右两个声道进行频率差和短音刺激的分段处理以外，并要对液晶显示屏执行显示控制和对键盘的控制信号作出响应。其中，液晶显示屏用于显示电池电量、主辅两个声道信号的频差值和短音交互频率值等各种工作状态信息，键盘用于设置和调节音频信号的音量，主辅两个声道的频率差值和短音交互频率值，并作为电源开关；存储器用于存储音频信号处理器的应用程序和其它信息。该骨传导耳机还设有连接外挂存储器的扩展接口，用于播放外挂存储器中的音频文件。

参见图3，具体说明音频信号处理器的结构组成及其功能：

音频信号处理器设有下述顺序连接的模块：分别连接左右两个声道输入的滤波器，先进先出FIFO选择器、至少三个彼此独立的FIFO存储器和输出控制模块，以及对左右两个声道的音频信号进行存储选择控制的频差计算模块。因音频信号必须保证连续性，频差处理算法要求存储整个短音周期的音频信号数据，故其中每个FIFO存储器的深度不能低于音频信号的一个短音周期，该短音周期的时长由用户在α波周期范围内自行设置的，以便对存储的音频数据进行处理。

因为声音是连续输入存储器或输出存储器的，而对声音的处理只能是分段进行的，因此只能将一个完整段的音频数据存储后才进行处理，并且，只能对一个完整段的声音处理完成后，才将其输出。其中处理时间相对采样频率可以忽略不计。上述三个彼此独立的FIFO存储器中的第一个FIFO存储器和第三个FIFO存储器用于存储需要处理的分段音频数据，第二个FIFO存储器用于存储不进行处理的音频数据。

在当前α波短音周期输出的左声道为主声道时，第一个FIFO存储器的数据输出到左声道耳机，第二个FIFO存储器的数据输出到右声道耳机；否则，第二个FIFO存储器的数据输出到左声道耳机，第三个FIFO存储器的数据输出到右声道耳机。而在当前α波短音周期输出的左声道为主声道时，下一个α波短音周期输出将会以右声道为主声道，这样，下一个α波短音周期的左右两个声道数据就分别存储到第二个FIFO存储器和第三个FIFO存储器；否则，下一个α波短音周期的左右声道数据被分别存储于第一个FIFO存储器和第二个FIFO存储器。由于输出和存储是同时进行的，所以第二个FIFO存储器中的数据既有左声道数据，又有右声道数据(图4展示了如何利用三个FIFO存储器对左右两个声道的音频信号进行存储与处理的相关波形和方式)。通常以主声道为频率高的声道，辅声道为频率低的声道。

音频信号处理器的功能是根据用户的设定条件将输入的音频信号进行频差处理，并按照设定的、需要诱导的脑电波种类而产生交互刺激工作频率、即左右两个声道的切换频率。具体技术措施是该音频信号处理器控制左右两个声道按照设定的短音交互频率轮流地将主、辅声道的信号经由左右两个声道的耳机交替播放(参见图4所示)；即按照设定的短声交互刺激的周期和工作频率，音频信号处理器分别将左右两个声道轮流切换为主、辅声道，使得左右两个声道的耳机交替地播放按照上述设定原则进行调制的音频信号，以使该两个声道的耳机在用户两侧的听觉器官上交替播放被转换成为具有设定频率差、能够形成短音刺激作用的声音信号。

参见图4，为实现上述功能，数字信号输入到音频信号处理器后，先进行滤波，然后存入FIFO存储器。存储器的深度是一个短音周期(由用户设置，在α波周期范围内)。再对存储的声波数据进行处理。这里至少设有三个FIFO存储器，其中两个FIFO用于存储需要处理的数据，另一个FIFO存储不要处理的数据。若本短音周期(α波周期)的左声道需要处理(即当前输出右声道为主声道时)，则将左声道数据存入FIFO1，右声道数据存入FIFO2；否则，左声道数据存入FIFO2，右声道数据存入FIFO3。且在左声道数据需要处理时，输出控制模块将FIFO2存储的数据输出到左声道，FIFO3存储的数据输出到右声道；当右声道数据需要处理时(即当前输出左声道为主声道)，输出控制模块将FIFO1存储的数据输出到左声道，FIFO2存储的数据输出到右声道。

本发明耳机已经进行了实施试验，下面简单介绍实施例的情况。

音频输入接口是3.5mm的LINE-IN标准接口，用于来自电脑或MP3等音源的外部模拟音频信号接入到模数转换器的输入端。模数转换器的采样频率为44.1KHz，转换精度为12bit，用于将左右声道的连续模拟信号AD转换成离散的数字信号，并将该数字信号通过12位并行总线接入音频信号处理器进行频谱搬移计算和短音化处理。音频信号处理器将处理好的数据送到数模转换器进行DA转换，转换后的模拟信号再经过功率放大器输出到骨传导耳机。液晶显示屏和外接存储器都是通过I²C总线连接音频信号处理器的现场可编程门阵列，键盘直接连接现场可编程门阵列的I/O端口。外接存储器芯片型号是串行E²PROM。数模转换器的输出频率也是44.1KHz，满量程电压为5V，位数为12bit，用于将音频信号处理器送来的12位数字信号转换为模拟信号，并输出到功率放大器。

参见图5，介绍本发明骨传导耳机的结构组成，该耳机结构与传统骨传导耳机完全相同，当音频电流流过电磁线圈10时产生的磁场，与固定在轭铁4上的磁铁3所产生的磁场相互作用，由此带动固定在轭铁4上的振动板7产生振动，再将其上的振动弹片8与人的头骨相接触，这样就将该振动信号传递至耳蜗，通过听觉神经传递至大脑而产生听觉。图中，1为耳机上盖，2为耳机下盖，5、6皆为螺钉，9为轭铁压板，11为进线孔，12为软垫。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双声道的频差和短音刺激双重作用的脑波诱导的骨传导耳机，包括机盒和两个耳机，机盒内设有对输入的音频信号进行处理的控制电路与电池；其特征在于：所述控制电路设有下述顺序连接的电路：音频模拟信号的输入接口，对接口的输出信号分别进行模数转换的两个模数转换器，接收两个模数转换器输出的该控制电路的核心、进行左右两个声道的频率差和短音刺激的分段处理的音频信号处理器，连接音频信号处理器输出的两路数模转换器、功率放大器和两个骨传导耳机；所述音频信号处理器由现场可编程门阵列构成，音频信号处理器还连接液晶显示屏、键盘和存储器，分别对液晶显示屏执行显示控制和对键盘的控制信号作出响应。

2.根据权利要求1所述的骨传导耳机，其特征在于：所述音频信号处理器的功能是根据用户设定的条件将输入的音频信号进行频差处理，并按照设定的、需要诱导的脑电波种类而产生交互刺激工作频率、即左右两个声道的切换频率；它是由该音频信号处理器控制左右两个声道按照设定的短音交互频率轮流地将主、辅声道的信号经由左右两个声道的耳机交替播放；即按照设定的短声交互刺激的周期和工作频率，音频信号处理器分别将左右两个声道轮流切换为主、辅声道，使得左右两个声道的耳机交替地播放按照上述设定原则进行调制的音频信号，以使该两个声道的耳机在用户两侧的听觉器官上交替播放被转换成为具有设定频率差、能够形成短音刺激作用的声音信号。

3.根据权利要求2所述的骨传导耳机，其特征在于：所述主声道为频率高的声道，辅声道为频率低的声道。

4.根据权利要求1所述的骨传导耳机，其特征在于：所述音频信号处理器设有下述顺序连接的模块：分别连接左右两个声道输入的滤波器，先进先出FIFO选择器、至少三个彼此独立的FIFO存储器和输出控制模块，以及对左右两个声道的音频信号进行存储选择控制的频差计算模块；因音频信号必须保证连续性，频差处理算法要求存储整个短音周期的音频信号数据，故所述FIFO存储器的深度不能低于音频信号的一个短音周期，该短音周期的时长是由用户在α波周期范围内自行设置的，以便对存储的音频数据进行处理。

5.根据权利要求4所述的骨传导耳机，其特征在于：所述三个彼此独立的FIFO存储器中的第一个FIFO存储器和第三个FIFO存储器用于存储需要处理的音频数据，第二个FIFO存储器用于存储不进行处理的音频数据；在当前α波短音周期输出的左声道为主声道时，第一个FIFO存储器的数据输出到左声道耳机，第二个FIFO存储器的数据输出到右声道耳机；否则，第二个FIFO存储器的数据输出到左声道耳机，第三个FIFO存储器的数据输出到右声道耳机；在当前o波短音周期输出的左声道为主声道时，下一个α波短音周期输出将会以右声道为主声道，该下一个α波短音周期的左右两个声道数据就分别存储到第二个FIFO存储器和第三个FIFO存储器；否则，下一个α波短音周期的左右声道数据被分别存储于第一个FIFO存储器和第二个FIFO存储器。

6.根据权利要求1所述的骨传导耳机，其特征在于：所述模数转换器用于将模拟音频信号转换成数字信号后，通过并行总线接入音频信号处理器，其采样频率为44.1KHz，转换精度、即并行总线的宽度为12比特；所述数模转换器是将由音频信号处理器传送来的多位并行数字信号转换为模拟音频信号后，输出到功率放大器；其输出频率也是44.1KHz，满量程电压为5V，位数为12比特。

7.根据权利要求1所述的骨传导耳机，其特征在于：所述液晶显示屏用于显示包括电池电量、主、辅声道信号的频差值和短音交互频率值的各种工作状态信息，键盘用于设置和调节音频信号的音量，主、辅声道的频率差值和短音交互频率值，并作为电源开关；存储器用于存储音频信号处理器的应用程序和其它信息；该骨传导耳机还设有连接外挂存储器的扩展接口，用于播放外挂存储器中的音频文件。

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