CN103443752A - 一种方法及实施这种方法的触敏装置 - Google Patents

Abstract

一种用于确定声响响应的方法，其中所述声响响应是由包括至少一个换能器的物体的表面上的冲击的位置引起的，尤其是由接触事件的位置引起的，所述方法包括以下步骤：在换能器位置(5a，5b)处通过所述换能器发射预定的声响弯曲波，在与所述换能器位置不同的表面上的第二位置(11)处检测弯曲波参数，基于检测到的弯曲波参数和预定的声响弯曲波特性有效地确定所述声响响应，仿佛所述发射发生在与所述换能器位置不同的表面上的至少一个第二位置(11)处并且所述检测基于互易原理发生在所述换能器位置处；和基于在步骤c)中确定的至少两个不同的声响响应，确定所述声响响应是由在不同于与所述换能器位置不同的表面上的第二位置(11)的至少一个的表面上的至少一个位置(9)引起的。

Description

一种方法及实施这种方法的触敏装置

技术领域

本发明涉及一种确定由冲击(例如物体表面上的接触事件)的位置引起的声响响应的方法，和实施该方法的触敏装置。

背景技术

基于分析声响信号确定物体表面上的冲击位置的方法在本领域中是已知的。这种技术基于通过使用一个或多个传感器测量声响信号以获得所述冲击的声波标记图(acoustic signature)并将该信号与预定的一组声波标记图作比较，其中每个预定的声波标记图代表触感或触摸界面的指定位置。随后，基于冲击的声波标记图与预定的声波标记图之一的相似性确定冲击的位置。图1示意性地描绘了具有交互表面101和两个换能器103的这种现有技术装置。

可以是查找表或数据库的形式的预定的声波标记图组，通过在装置的校准过程中计算触觉界面的表面上的紧密间隔的位置105的各自的声波图(acoustic pattern)而产生。查找表可以例如通过使用自动化工作台由自动程序生成。所使用的自动机械装配有振动器和金属尖端，并且在每个位置依次地执行具有预定力和形状的冲击。从声响响应构建出用于指定位置的声波标记图，所述声响响应从检测到的声响信号确定出，所述声响信号在位置处的冲击之后通过至少一个传感器接收。声波标记图与冲击位置唯一对应。当经受机械刺激时，声响响应是代表触感界面的响应的频率的函数。声响响应可以是代表机械刺激与传感器输出之间的关系的传递函数。

WO2006/015888A1简单地提出储存校准阶段的测量信号。WO2006/069596A1提出，当在交互表面的预定区域上发生基准冲击时，基于由声响传感器接收到的两个声响信号的相位的相关性确定声波标记图。

特别地，对于触摸屏应用而言，生成查找表需要很多时间，因为通常需要数千个声音响应以覆盖具有足够分辨率的触感区域。此外，由于具有触感表面的物体在制造过程中所接受的公差，每个产品需要被单独地校准，一个已确定的查找表不可能必然从一个物体应用到下一个物体。由于特定物体的复杂性，至少在它们的集成状态下，类似于WO2006/015888所提出的纯理论性地产生查找表的方法，并非总是可行的。

在工业化过程中缩短校准时间的一种方法是使用多个具有自动化工作台的校准工作站。由于这些平台的相对较高的成本，校准过程需要高投入。另一方面，减少制造公差，也将导致不可接受的成本上升。

因此，本发明的第一目的是提供一种确定物体表面上任意位置处的冲击的声响响应的方法和一种实施该方法的触敏装置，藉此可更快速地获得预定的声波标记图组。

此外，由于磨损、刮伤、老化、温度变化、集成偏差(integrationsdrifts)或其他已知或未知效果的影响，具有触感表面的物体将可能发生变化，因此，具有预定声波标记图的原始查找表将无法再提供满意的结果。结果，需要执行声波标记图组的再校准。这可通过使用自动化工作台完成。然而，这与非常实际的解决方案不相符。

WO2008/146098A1提出了一种方法，以考虑那些可能轻微地改变传感器尺寸的环境变化。实际上，物体的厚度在波的传播方面有影响。WO2008/146098A1提出了一种缩短/延长算法，其在频率间隔之间缩短或延长声响响应，以考虑厚度的变化，以改进局部化结果。然而，虽然该方法看起来能够在这一特殊变化中提供满意的结果，但它不能处理物体的更复杂的变化。

因此，本发明的第二目的是提供一种确定物体表面上冲击位置处的声响响应的方法，从而能够以简化的方式执行预定的声波标记图组的再校准。

发明内容

第一目的是通过使用一种用于确定声响响应的方法实现的，其中声响响应是由包括至少一个换能器的物体的表面上的冲击(尤其是接触事件)的位置引起的，所述方法包括以下步骤：a)在换能器位置(5a，5b)处通过换能器发射预定的声响弯曲波，b)在与换能器位置不同的表面上的第二位置处检测弯曲波参数，c)基于检测到的弯曲波参数和预定的声响弯曲波特性有效地确定声响响应，仿佛所述发射发生在与所述换能器位置不同的表面上的至少一个第二位置(11)处并且所述检测基于互易原理发生在所述换能器位置处；d)基于在步骤c)中确定的至少两个不同的声响响应，确定声响响应是由在不同于与所述换能器位置不同的表面上的第二位置(11)的至少一个的表面上的至少一个位置(9)引起的。

本发明发现，用于指定位置的声响响应可以从涉及其他不同位置的实验数据确定出。这极大地简化了物体的触敏表面的校准，因为在校准过程中表面上的真实冲击的数目可以被减少。

在本文中，冲击特别涉及接触事件，例如由一个或多个用户手指接触或在物体(例如触屏装置)的表面上拖动。

此外，物体可以是由任意类型的材料或材料混合物制成的任意类型的物体，只要能够传递声波，并且可做成任意形状。例如，物体可以由玻璃、塑料、木材、金属等制成并且其形状可以是平面面板或弯曲面板，并且通常可以是从简单到复杂的任意3D形状。

优选地，步骤a)可包括用换能器发射弯曲波，在不用于换能器位置的表面上的第二位置处检测弯曲波，并且使用互易原理重建刺激信号。

在本文中，换能器对应于将声响信号转化为其他类型信号(例如电信号)的任意装置。例如，压电换能器可用于实现本发明。术语“声响(acoustic)”涉及高达100kHz的频率，尤其是高达40kHz，更尤其是高达20kHz。

因此，本发明利用了存在提供弯曲波的换能器的优点，使得如在现有技术中使用的自动化工作台不再是必需的。事实上，通过在换能器的位置处施加具有理想特性的驱动或致动信号，可以测量在不同于换能器位置的表面上的第二位置处产生的振动。应用本领域已知的互易原理(reciprocity principles)，对此，检测部分(在此是在不同于换能器位置的表面上的第二位置处)变成了虚拟的发射部分，并且原始发射部分(在换能器位置处的换能器)实际上变成了检测部分，可以建立信号，该信号与在刺激已经提供在不同于换能器位置的表面上的第二位置处的情况下本应由换能器检测的信号相对应。

有利地，发射弯曲波的步骤包括提供具有在预定频率范围内的不同频率的多个弯曲波并检测用于具有不同频率的弯曲波的每一个的信号。在这种情况下，可以在频率范围内确定测量数据，这便利随后的数据处理，至于接触位置算法，声波标记图通常被存储在频率范围内，例如，以计算用于不同换能器位置的传递函数之间的相差。

优选地，该方法的步骤b)可以包括在与所述换能器位置不同的第二位置(11)处使用振动计检测。振动计，例如激光振动计、原子力显微镜或更通常的能够测量表面运动的任意其他装置，能够使物体表面的结果高度偏差的测量为测量位置以及发射的弯曲波的频率的函数。

根据本发明的另一方面，定位在不同换能器位置处的两个或更多换能器执行步骤a)至步骤c)。因此，在该变型中，执行本发明所需的至少两个不同的声响响应由至少两个发射弯曲波的换能器获得，其参数随后在不同于换能器位置的第二位置处测量。

对于多个换能器而言，换能器相继地或同时执行步骤a)至c)。如果用多个换能器同时执行步骤c)，则当彼此不相关的信号已经被换能器发射时，可以确定每个响应。

根据一种变型，可在表面上的至少两个第二位置执行步骤a)至c)。从而，步骤c)中的声响响应被重建用于在表面上的关于一个指定换能器位置的至少两个不同位置。

当然，上述两个变型可以组合，从而可以使用一个以上的换能器并且使用一个以上的在表面上施加刺激的位置。步骤c)中使用的不同声响响应的数目还将取决于人们希望获得的在步骤c)中确定声响响应的精度。

优选地，步骤a)至c)可执行用于定位在物体的表面的边界区域中的位置，尤其是在物体的表面的用作触敏输入区的部分的边界区域中或甚至在所述触敏输入区之外。通常，在物体上，只有一部分表面被用作触敏输入区域，例如手持式电子装置的屏幕部分。在这种情况下，用于测量弯曲波参数的装置可以被设置成远离所关心的区域，例如隐藏在屏幕的框架区域中。因此，用于测量的装置可实际上保留在物体内，并且不仅在校准过程中还最终可以在再校准过程中使用。

有利地，该方法还包括步骤d)：基于在步骤b)中确定的声响响应，确定在不同于与换能器位置不同的表面上的至少一个第二位置的表面上的多个位置处的声响响应。因此，仅通过有限数目的重建的刺激/冲击，即可在物体的所关心的整个表面上确定声响响应。

优选地，该方法还包括步骤e)：收集在步骤d)中在不同于与换能器位置不同的表面上的第二位置的表面上的多个位置处的确定的声响响应，以形成查找表。因此，该方法可用于如上文更快地建立一组预定的声响响应，但其相比于现有技术只使用有限数目的真实冲击的方式而言，仍然是一种可靠的方式。查找表包括特征化物体表面的数据，并且一旦表面的校准程序已经建立起一组预定的声响响应，查找表即可在接触事件局部处理过程中使用。由于只需要有限数目的真实刺激以获取物体表面的查找表，因此可为每个物体创建专属的查找表。这样可降低集成偏差，因为每个产品的任何偏差都已经被分别单独地加以考虑了。

有利地，该方法还包括步骤f)：仅选择在步骤c)过程中确定用于执行步骤d)的满足预定准则的声响响应，特别地，所述预定准则涉及信噪比和/或测量相干性中的至少一个。这些标准是基于频率的，因此能够有动机地选择能够使声响响应具有良好质量的频率范围。这一额外的步骤带来了能够进一步提高步骤c)中所确定的声响响应的质量的优点。

根据优选实施例，方法还包括以下步骤：g)g)基于辅助位置和在不同于与所述换能器位置不同的表面上的第二位置的表面上的位置之间的距离确定第一代表函数，其中所述辅助位置被定位成远离不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)和不同于所述第二位置(11)的表面上的位置；h)基于所述辅助位置与不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)之间的距离确定第二代表函数；i)计算在步骤g)中确定的第一代表函数与在步骤h)中确定的第二代表函数之比；j)为不同于与所述换能器位置不同的表面上的第二位置(11)的表面上的每个位置和为每个辅助位置重复执行步骤g)；和k)为在不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)的每个重复执行步骤h)。

优选地，辅助位置位于表面之外并远离在不同于换能器位置的表面上的第二位置的每个，并且远离在不同于与换能器位置不同的表面上的每个第二位置的表面上的每个位置。确定地，通过将辅助位置设置在外侧，算法允许确定辅助位置内侧的声响响应。

本发明的第二目的通过以下方法实现的，并且该方法除包括权利要求1中的方法步骤之外，还包括步骤i)：重复至少步骤a)至d)，尤其是根据要求和/或响应特定环境的检测结果和/或根据规则基础。

通过不时地重复至少步骤a)至d)，可以识别在声响响应中以及在预定的声波标记图组中的改变，所述预定的声波标记图组对于识别由用户在物体的触感表面(其因而可以用作触敏界面)上施加的冲击的位置是必需的。通过根据权利要求1中的步骤a)至c)简单地重新确定换能器位置与第二位置之间的声响响应，所述方法允许再校准表面上的所有位置上的声响响应，并且类似于磨损、划伤、老化、温度等效果都被考虑进去。由于再校准在重新运行校准的时刻考虑了物体的那些特性，因此更新后的声响响应的精度比通过使用修正因数修正数据库要好得多。例如当用户意识到确定的位置与真实位置不同时，再校准可以自动地或根据需求执行。

有利地，该方法还包括步骤m)：将声响响应与先前确定的与表面上的位置对应的声响响应作比较，尤其是与查找表中的表面上的位置相对应的声响响应。通过保留改变的痕迹，可以确定声响响应的改变的源。

优选地，可以选择第二位置，从而两个相邻第二位置之间的间距λ满足关系式λ≤1.2A，其中A是

ω是声响信号的角频率，尤其是所关心的来自换能器的声响信号的最大频率；E、v、p和h是物体的特性，分别是弹性模量、泊松比、密度和厚度。进一步优选地，可以设定第二位置，使得间距λ满足关系式0.5A≤λ≤1.2A，特别地，满足0.9A≤λ≤1.0A。在这一范围内，可以实现与性能有关因此与在步骤d)中确定的声响响应的精度和获取的时间周期有关的最优化的结果。

优选地，可以设置第二位置使得在每个声响信号的波长中，尤其是所关心的最小波长中，在不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)的数目为多于一个，尤其是三至六个。在该范围内，可以实现与性能有关因此与在步骤d)中确定的声响响应的精度和获取的时间周期有关的最优化的结果。这里，最小长度当然与以上限定的所关心的最大频率有关联。

在本发明的文本中，“所关心的最高频率”被关联到接触事件的能力，以向触感物体输入振动能量。用户未施加能量的那些接触事件的频率在构建查找表时不需要被考虑。通常，该频率限制被设定为20kHz。然而，为了进一步改进结果，甚至可以考虑高达40kHz或甚至高达100kHz的频率。

根据优选实施例，至少一个换能器可被定位在物体的表面的对称轴上。特别地，在表面被形成为矩形的情况下，至少一个换能器被定位在矩形表面的至少一条对称轴上，并且第二位置被设置在矩形表面的每个第二象限的位置。藉此，可以利用物体的特性并且在步骤b)中必须执行测量的位置的数目可以被减少。因此，获取相关声响响应所需的时间量可减少。对于其他形状，其情形是类似的。需要为每个对称轴线提供至少一个换能器和需要确定刺激或测量的量，为此可以使在步骤d)中确定的声响响应具有理想的解析度。

有利地，不同于换能器位置的表面上的第二位置是随机排布的。通过打破执行测量的位置的规则组织，可以克服在数据的数字分析过程中产生的虚拟共振。

有利地，不同于换能器位置的表面上的第二位置被形成为至少两排，特别地，使得第一排中的位置之间间距与第二排中的位置之间的间距不同。优选地，对于关心的表面，较小的间距位于外排。更优选地，外排具有至少四倍以上的施加刺激的位置。这同样具有避免虚拟共振的优点。

本发明的目的也是通过一种计算机可读取的介质实现的，该介质包括储存在该介质上的计算机可执行的指令，用于前述的方法。通过这种介质，可以实现上文的相同的优点。

本发明还涉及一种触感装置，包括交互表面；至少一个换能器；和用于执行上述方法的控制装置。因此，通过使用该装置，获得导言部分中提及的预定声波标记图组所需的特定位置的声响响应可通过与其他不同位置相关的重建数据确定出。这样极大地简化了物体的触敏表面的校准，因为校准过程中表面上测量数目可以被减少。

优选地，控制装置可以被构造成用至少两个换能器发射声响信号并且可根据表面上的至少一个第二位置上测量值确定声响信号，或者控制装备被构造成用至少一个换能器发射声响信号，并且在表面上的至少两个第二位置处执行测量。

优选地，控制装置可以被构造成基于接收的声响响应确定在表面上的多个位置处的声响响应，所述多个位置与不同于换能器位置的表面上的至少一个第二位置不同。因此，整个物体，或其至少应设置触敏界面的部分可以被分析，并且可以通过使用模拟在物体表面上某处的某些真实刺激的重建的数据提供声响响应数据。

根据一个有利的实施例，控制装置可以被构造成收集在与不同于换能器位置的表面上第二位置不同的多个位置确定的声响响应，以形成与表面上的这些位置对应的查找表。用于执行分析的输入数据涉及被发射并被测量的波特性的实验数据。通过使用该数据，可以确定装置及其触敏表面执行应用所必要的多个位置的声响响应。特别地，可以通过在方法的步骤c)中简单地计算用于多个位置的声响响应来调整解析度(resolution)。这仅需要额外的计算时间而无需新的实验数据。

优选地，装置可进一步包括再校准单元，用于再次确定声响响应，尤其是根据要求和/或响应特定环境的检测结果和/或根据规则基础。再校准单元因此被构造成不时地重复执行方法中的至少步骤a)至d)以确定声响响应中的变化。因此，预定的声波标记图组也将被更新。因此，类似于划伤、磨损、老化、温度等负面因素可以被有效地考虑，使得触敏装置的寿命可以被延长。

根据优选实施例，再校准单元可被构造成将与表面上的位置对应的查找表中的声响响应与最新确定的声响响应之一进行比较。因此，包括声波标记图的整个查找表可根据声响特性的变化而被修正，但同时，改变的痕迹被保留，以便能够确定任何更新的源，例如它们是全局的还是仅仅局部的。

更优选地，再校准单元可包括位于一个第二位置的至少一个传感器，特别是振动计或压电换能器，从而在使用换能器发射弯曲波之后，可以在不同于换能器位置的表面上的第二位置确定波参数。

优选地，至少一个传感器被设置在物体的表面的关心的区域的边界上。通常位于物体的将被用作触敏输入区域(例如，手持式电子装置的屏幕部分)的部分上。在这种情况下，传感器可以被设置成：远离关心的区域，例如隐藏在屏幕的框架区域中，以便不损害装置的用户友好性。另一优点是至少一个传感器可实际地保留在物体内，并且可用于校准，以建立初始查找表的声响响应并且随后可用于预定的声波标记图组的再校准。

附图说明

本发明方法和装置的有利实施例将参照下面的附图加以描述：

图1描绘了现有技术已知的包括交互表面触敏装置的二维示意图，其中(以点的形式)示出触敏装置表面上的已经获得声响响应的位置；

图2描绘了根据本发明第一实施例的包括交互表面的触敏装置的二维示意图，其中(以点的形式)示出触敏装置表面上的通过实验获得声响响应的的位置；

图3描绘了用于确定由图2的第一实施例的触敏装置的表面上的冲击位置引起的声响响应的方法所包含的主要步骤；

图4描绘了在确定声响响应的方法中起作用的本发明的触敏装置的表面上的不同类型的位置；

图5a描绘了表面上的次要位置的随机布置，以及

图5b描绘了与形成在行列中的换能器位置不同的表面上的位置；

图6a描绘了定位在触敏装置的表面对称轴上的换能器，以及

图6b描绘了偏离触敏装置的表面对称轴定位的换能器；

图7描绘了与换能器位置不同的表面上位置处的声响响应插值；

图8描绘了根据本发明第三实施例用于矫正触敏装置的系统；和

图9描绘了根据本发明第四实施例的另一触敏装置。

具体实施方式

下面将详细地描述根据本发明的方法和装置的特征和有利的实施例。

图2描绘了使用了根据本发明的用于确定表面上冲击的位置处的声响响应的方法的触敏装置1的二维示意图。触敏装置1包括交互表面3和至少一个换能器5。在该实施例中，装置包括两个换能器5a，5b，例如压电换能器、电容式压电换能器、磁致伸缩式压电换能器、电磁式压电换能器、声速计、加速计、光学传感器、微型机电系统(MEMs)传感器或能够将声响信号转化为电信号的任意类型的装置。换能器5与交互表面3之间的连接可通过紧固装置实现，紧固装置可以是带子、胶水等。触敏装置被构造成能够确定表面上的接触事件、冲击、拖动的位置，并提供上述信息以控制向电子装置(例如手持式电子装置、计算机或具有接触感应界面的任意类型的机器)的输入。这一功能可由控制装置7提供。

为此，控制装置7分析接收自换能器5a、5b的声响信号并确定声波标记图。通过将该标记图与存储在查找表中的预定的一组标记图作比较，从而获得交互表面3上的冲击位置。

本发明克服了导言部分中所描述的现有技术中与生成预定声波标记图有关的问题，并且该问题主要涉及如下事实：交互表面3上的每个位置都必须通过在遍布交接表面3的多个位置9处对交互表面施加刺激以进行特征化。

在本发明中，控制装置7被构造成基于与位置9不同的第二位置11处的至少一个测量E，确定位置9处的确定声波标记图所必需的声响响应。为此，控制装置7指示换能器5a或5b发射弯曲波进入交互表面3并接受来自振动测量装置12(例如，用作振动计的非接触式激光干涉仪，或原子力显微镜)的测量信号。基于测得的数据和发射的弯曲波互易原理的已知特性，可以有效地重建声响信号S，就好像声响信号S响应睛在位置11处的刺激E从换能器5a、5b接收到的一样。基于此，控制单元被构造成用于确定当外部刺激被施加于位置11时代表界面3的声响特性的、与第一换能器5a相关的声响响应A和与第二换能器5b相关的声响响应B。从而，在确定这些声响响应时，与测量数据时的情形相比，发射器和传感器的角色互换了。

在只有一个换能器的实施例中，需要在与图2所示的第二位置11不同的第二位置11b处执行第二测量，以获得关于物体1的足够的信息。当然，为了提高精度，可以在位置9外侧的不同的第二位置处(如图2中的点所示)执行更多个测量。

图3描绘了根据第一实施例的确定触敏装置的交互表面3上的冲击位置9引起的声响响应的相应方法的概念。

图3描绘了基于声响响应A和B使用换能器确定归因于位置9的声响响应的过程。

在步骤S10中，控制单元7向换能器5a提供驱动或致动信号，以发射具有频率ω的弯曲波进入交互表面3。接下来，在步骤S11中，例如振动计的振动测量装置测量在位置11处产生的震动，例如可以产生的物体1的表面高度偏差。

步骤S10和S11在预定的频率范围内(尤其是100kHz以内，优选地40kHz以内，更进一步优选地20kHz以内)重复执行多个频率。此外，步骤S10和S11重复用于不同的换能器位置和不同的第二位置。当已完成预定数量的测量之后(见步骤S12中所做出的决定)，程序继续确定声响响应。

根据一种变型，作为重复执行的替代，信号可以从多个换能器同时发射，以防被发射的信号彼此不相关。

基于测得的一组信号以及上述互易原理，第二位置11与换能器位置5a、5b之间的声响响应被确定，仿佛发射器本已经在位置11处和仿佛接收器本已经在换能器位置处。这里，术语声响响应涉及由刺激力(法向力或弯矩力)所产生的表面振动(位移、速度、加速度)。因此，基于被发射的波的已知特性和测得的特性，声响响应或传递函数在步骤S13被确定。

随后，步骤S14在于基于在步骤S13中确定的声响响应确定表面3上与第二位置11不同的每个位置9的声响响应。表面3上的与第二位置11不同的多个位置9处的声响响应随后被采集并存储在查找表中，以形成用于在装置的正常操作期间确定接触位置的预定的声波标记图组。

下面，将描述执行本发明方法的一种实际的方式。该实施例基于所谓的波叠加法(WSM)，波叠加法(WSM)是一种在辐射和散射问题中用于声场重建的数字技术。波叠加法(WSM)主要思想在于，声腔(acoustic cavity)可被有限数目的基本刺激源替代。如果要表现的声畴(acoustic domain)位于外侧，则这些源位于腔内，如果要表现的声畴位于内侧，则这些源位于腔外。因此，通过将每个基本源的场叠加起来即可获得所需的声场。

WSM的起点为下述方程：

$p\left(r\right)=\mathrm{j\ρ\ω}\underset{E}{\∫}q\left(r_s\right)G(r,r_s)\mathrm{de}\left(r_s\right)---\left(1\right)$

其中，ρ是传播介质的密度，ω是角频率。源用q表示，其位置r_s是声畴E的一部分。G是自由场格林(Green)的函数，其在当前情形中可被表示成如下形式：

$G\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{x}}{e}^{\mathrm{ikx}}---\left(2\right)$

为了将上面的分析方程转为为其数字形式，源被分布在薄壳(3D)或连续的轮廓(2D)中。通过将该几何实体离散成N个小片段，可在腔的表面上估算法向速度：

$u_n\left(r\right)\≈\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i{\▿}_{n}G(r_s,r)---\left(\text{3}\right)$

其中Q_i是基本源的体积速度。由于u_n是已知的，因此Q_i可写成如下的矩阵形式：

Q＝[D]^-1u_n      (4)

其中D对应于纳布拉算子G(nabla G)。我们最终获得了声场的表达式：

$p\left(r\right)=\mathrm{j\ω\ρ}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}G(r_s,r)Q_i---\left(5\right)$

基于此，可以依照图3中的方法步骤尤其是在步骤S14中，确定与第二测量位置不同的位置9处的声响响应。

为此，该方法首先需要下面的输入参数：交互表面3上声响响应的位置9，并且随后声波标记图被储存在查找表或数据库中。为清楚起见，这些位置9将在下文中被称为数据库位置。优选地，它们基本上覆盖整个交互表面3。

此外，还需要第二位置11和它们相应的声响响应A、B。它们将在下文中被称为刺激位置11，如在换能器与处于工作位置的测量装置之间互换角色之后，这些第二位置11被考虑，好像它们就是外部刺激的位置。刺激位置11是一组点，在实验条件下通过步骤S10和S11以及S13获得那里的声响响应。根据优选的变型，如图2中描绘的那样，这些第二位置11位于交互表面的边界区域或者紧靠着交互表面的外侧。通过最优化第二位置之间的间距以及它们彼此之间的布置，该方法的性能(例如精度和计算能力(caIculation power)的降低)可以被最优化，这将在更往后的部分中加以描述。

此外，在执行步骤S14时，额外的所谓的辅助位置13是执行方法所需要的。这些辅助位置13围绕数据库位置9和刺激位置11，如图4所示。优选地，这些位置13位于表面3外侧并远离刺激位置11以及与刺激位置11不同的表面3上的数据库位置9。

步骤S10和S11以及S13用于提供每个刺激位置11与传递函数相对应的声响响应并且表现“虚拟的”机械刺激E(输入)与测量过程中基于互易原理的换能器5a、5b响应(输出)之间的关系，弯曲波被换能器发射并且在第二位置11处实现测量。

接下来，刺激的波数k需要被提供。该值可或者通过触感型物体的几何形状(例如板形物体)估算，或者对于更复杂的几何形状而言，可通过实验方法确定。最终，该估算可由一实验部分完成。波数的整体表述可如下所示：

$k=\frac{\mathrm{\ω}}{c}---\left(6\right)$

其中ω＝2πf是角频率，而f是频率。c是波在装置1的交互表面3的材料中传播的速度。在触感界面可以被认为是薄板(即，侧面长度与厚度之比远大于1)的情况下，波数可表述如下：

$k=\sqrt{\mathrm{\ω}}{\left[\frac{12(1-{\mathrm{\υ}}^2)\mathrm{\ρ}}{E{h}^2}\right]}^{1/4}---\left(7\right)$

其中E，υ和ρ是板的材料特性，分别表示弹性模量、泊松比和密度。h为板的厚度。

接下来，在确定应用于刺激位置11的声响响应的WSM因数Q时，需要知道u_n(见方程4)。这些数值u_n是在上文定义的辅助位置13处计算的。因此，在步骤S14中，在数据库位置9和辅助位置13之间计算格林函数(见方程2)，这些值就是u_n。

WSM因数的计算可被归纳为以下步骤：

重复每个频率

重复每个数据库位置9

重复每个辅助位置13

确定辅助位置13与数据库位置11之间的距离

计算该距离的格林函数[P]

重复每个刺激位置11

确定辅助位置13与刺激位置11之间的第二距离

计算第二距离的隔离函数[D]

计算WSM因数[B]＝[D]^-1[P]

接下来，通过将WSM因数应用到刺激位置11的声响响应中，计算数据库位置9的声响响应。

最后，先前在步骤S3和S4中计算的声响响应被转为每个数据库点独有的声波标记图。与所有数据库位置对应的所有的声波标记图被收集以形成查找表。声波标记图可表现多个声音影响和/或两个换能器之间的相差值。

在确定数据库位置11处的声响响应之前，作为该实施例的变型，可执行只选择相关频率的额外步骤。在步骤S13中获得的刺激位置的声响响应是频率的函数。根据获得的参数(采样频率、帧尺寸)、材料性能和交互表面3的尺寸，由于例如信噪比差等原因，某些频率下的声响响应可能是不相关的。

因此，该额外但非强制性的步骤在于通过应用基于例如测量相干性的准则选择那些被认为是相关的频率。从而消除了噪声频率，避免方法的性能降低。

下面将描述根据本发明各种变型的表面3上的第二位置11的各种布置可能性。测量位置的定位在本发明的方法的性能中起着重要的作用。

主要参数为几何形状、由此是如果布置第二位置以及进行测量的第二位置11的适当数目。通过最优化这些参数，能够实现以下目的：使用尽可能少的测量位置，因此在减少计算能力的情况下，在最终数据库上具有足够的精度，以运行具有与接触传感界面3相关的理想的分辨率的触敏装置1。

通过应用下面的规则和方法，根据本发明，可以实现性能与测量位置11的数目之间的良好的折衷。

由第二或刺激位置11形成的几何形状可导致在数字数据处理过程中出现虚拟共振(fictive resonances)。这些共振不具有物理意义并且与数字公式完全相关。本发明的解决方案在于：通过沿轮廓线15随机地定位它们，“打破”位置11的规则排列，如图5a所示。特别地，相邻位置11之间的距离和定向关系都是随机的或无序的。

本发明的另一种解决方案是：在双层的网状结构中组织刺激位置11，如图5b所示。图5b示出了形成为至少两排的第二位置11，特别地，第一排中的位置11a之间的间距与第二排中的位置11b之间的间距不同。第一排中的位置11a以彼此均匀间隔的方式排列，并且第二排中的位置11b以彼此均匀地间隔的方式排列。优选地，具有更多重建的刺激位置排11a的排被设置成朝向数据库位置9。

不仅几何形状本身需要被考虑，而且两个相邻刺激位置11之间的间距也需要被选择。为了满足方法的性能，间距的选择优选地遵循如下准则：基于所关注的最高频率下的波长。如果间距太大，则在S14中只能很差地预期声响响应。如果间距太小，将不会对方法的性能产生效果，只会产生更多数目的刺激位置11，并且因此需要更长的获取时间并且需要更多的计算能力。

与所关注的最高频率相对应的最小波长被表述如下：

${\mathrm{\λ}}_{\min }=\frac{2\mathrm{\π}}{k_{\max }}---\left(8\right)$

其中k_max是所关注的最高频率下的波数(参见方程6)。

已经发现，每个波长范围内具有三至六个刺激位置11将使方法具有良好的性能。低于每个波长三个刺激位置将导致性能急剧下降。在如图5b所示的刺激位置11b的双层构造的情况下，该准则应当优选地应用于外刺激位置11b。而对于内刺激位置11a而言，已经发现每四个外点对应一个内点将使方法产生良好的性能。

进一步提高方法的性能的可能包括考虑对称性。图6a和6b描绘了在存在对称轴的情况下，换能器5在触敏装置1的表面3上的多种可能的布置之中的两种。图6a和6b示出了包括换能器5的矩形表面3。图6a的换能器5被定位在远离表面3的对称轴17的位置。图6b的换能器被定位在表面3的对称轴17上。当换能器5被定为在表面3的对称轴17上时，特别是每个对称轴上设有一个时，只需要在由表面的两条对称轴17界定的每个第二象限内的刺激位置11处执行测量。

因此，通过利用表面3的对称性优点，可以减少需要执行测量的刺激位置11的数目，因此可以减少在步骤S13中需要确定的声响响应的数目。因此，在步骤S14中确定与第二位置11不同的表面上的位置9处的声响响应所需的时间减少。

在该例子中，可通过因素2减少刺激位置11的数目，因此能够显著地减少获取相关声响响应所需的时间。然而，该方法假定了触感界面的边界条件也是对称的。根据交互表面的形状和装置1本身，也可以应用其他对称性规则，从而根据换能器的位置，可以在刺激位置11的数目方面获得类似的效果。

最优化方法的性能的其他方式为利用插值法的优点。它们存在于计算在某些刺激位置11本身的声响响应，如图7所示。例如，在除了两个点11a，11b之间之外，根据上述频率准则建立起了由N-1个刺激位置11构成的组(即，在轮廓中存在一个“空位”)，以可接受的精度估算该缺失的点11c的声响响应是可能的。在方法不仅被用于生成查找表而且被用于基于轮廓点位置处的声响响应组的更新执行再校准程序的情况下，该变型可起到重要的作用。仅对于刺激位置声响响应的一半而言，这种方式实际上还可能必须被首先获取以执行部分更新。接下来，插值法可通过依次地替换已废弃的声响响应完成更新，而无需执行这些位置的实验室测量。

当然，上文的各种实施例可以任意组合，以进一步最优化本发明的方法。

图8描绘了根据本发明第二实施例的触敏装置校准系统21的总体结构，其可以加速查找表/数据库的生成过程，以获得预定的声波标记图组。可用系统21校准的触敏装置23可以是图2中所描绘的那种，因此其具有用于建立查找表的控制系统，但它也可能是具有与上述触敏装置具有相同特性的交互表面23和换能器27、29的任意其他类型的触敏装置。

系统21包括具有输入/输出单元31的前端装置，尤其是模拟输入/输出单元23。输入/输出单元31与换能器27、29直接或通过控制单元7(见图2)通信并从而提供与步骤S10中换能器27或29发射的声响信号有关的驱动或致动输入。它可以执行如下动作：模拟输入的信号调节，例如放大、过滤、自动增益控制、模拟输入的模数转换、模拟输出的数模转换、模拟输出的信号调节，例如放大和过滤。单元31此外还与分析装置33(这里为计算机)连接，用于数据传递并可提供交互以构成系统21。

驱动或致动输入被设定为：基于声响信号的检测，在宽的频率范围、至少在对于接触传感应用感兴趣的范围内，发射机械刺激。优选地频率范围是约0至约20kHz的声频，然而根据情形，高达40kHz或甚100kHz的频率也是可以考虑的。

系统21还包括传感装置37，类似于振动计，例如非接触式激光干涉仪或原子力显微镜，以用于检测在交互表面25的第二位置37(对应于图2的实施例中的第二位置11)处产生的振动。

此外，提供了移动装置41用于使传感装置39移动到将刺激发射至交互表面25的刺激位置37。该装置42被设定为可从一个位置37向另一位置快速移动，并具有高定位精度。这可具有至少三轴平移或扫描振动计的自动机械实现。

输入/输出单元31和刺激装置39与控制系统21的分析装置33(这里为计算机)连接。分析系统33执行下述活动的至少一个：它提供与前端装置、输入/输出单元31的交互，以设定和收集来自发射器(也就是换能器27、29)的数据而且也收集来自传感装置39的数据，和向移动装置41传递指令以驱动移动装置至正确的位置。

分析装置33的主要任务是应用上述方法以建立查找表。计算机使用存在于该文档中的方法，其中该方法能够通过从该区域的边界上获取的一组声响响应确定交互表面的整个区域上的任一点处的声波标记图，其中刺激基于被检测信号的时间反转原则和所发射的弯曲波被重建。

图9描绘了第三发明实施例的总体结构。它描绘了具有与第一或第二实施例中的交互表面具有相同性能的交互表面53的另一触敏装置51和换能器55、57。除了上述与第一和第二实施例相同的特征(同样见图2)之外，该装置还包括再校准单元或自动适应单元59。

第三实施例的触敏装置51还包括前端装置61，其是与权利要求12对应的控制装置并且提供对于接收自换能器55、57的信号的处理，例如放大、过滤、自动增益控制、模数转换。输出界面向自动适应单元59和后端装置63提供数字化的数据。前端装置的其他特征可以是配置界面和能力管理。

后端装置63被构造成用于获取不用于先前获得的信号的本地化的用户事件，例如接触、拖放等等，其中信号是由前端装置61通过使用类似于前文的技术获得的并且因而以与储存在查找表或数据库中的预定的声波标记图组相比较的接收到的声响信号为基础。

再校准单元或自动适应单元59实现了该实施例的两项功能：首先，在第一次使用时，执行自动校准以产生具有声波标记图的查找表。这一过程可通过第一次初始化实现或后端装置63在任意时间指令自动适应单元59去这样做而实现。其次，构件被设定为根据变化(例如由于老化、特定温度范围、随后将该装置与另一装置或任意其他装置集成起来从而可能影响机械结构并从而影响交互表面53的声响特性)的识别自动地校准交互表面53的查找表。装置51还可以被设定为根据用户或后端装置的请求执行再校准。它也可以例如按照周期性计划规律地执行。

自动适应装置59使用与第一实施例相对应的上述方法，并且方法能够确定声响响应并利用一组通过实验方法在交互表面53的区域边界67上获得的重建的声响响应从而能够获得交互表面53整个区域上的任意位置的标记图。为了能够测量第二位置69处的振动，至少一个传感器71(在该实施例中为四个传感器)被连接到交互表面53的背面。这些传感器用于检测上文的由换能器55和57发射的信号所产生的振动。自动适应装置可以是标准的微控制器并且最终被集成到前端装置61、后端装置63或集成有上述三种功能的ASIC芯片上。

最后，触敏装置51可被连接到计算机73或任意其他适当的电子装置(例如手持式电子装置)，其中该电子装置能够接收接触事件或来自触敏装置的冲击的位置作为可用于控制计算机73的应用的输入值。

触敏装置51的自动校准特性按照下述方式起作用：首先启动系统，自动适应装置59负责建立查找表以将物体的表面转变为触敏交互表面53。这一过程如下：a)前端装置59重复地向每个换能器57、59发送信号使物体振动，b)被传感器71检测到的基于信号的声响响应经由自动适应单元59被重复地获取，基于此，c)自动适应装置59通过使用互易原理建立起与传感器71位置相对应的声波标记图子集，d)自动适应装置59通过使用为所有传感器位置71确定的声波标记图子集建立用于位置65的查找表，和e)后端装置63将它储存到其存储器中，最后f)自动适应装置59通知后端装置63系统已准备就绪。

根据一种变型，可以从换能器同时发射信号，替代前述重复获取的方式，以防止被发射的信号不相关。

触敏装置51的再校准特性按照下述方式起作用。在系统的整个寿命期间，自动适应装置59负责监控交互表面53的完整性，以确定由于环境条件和使用的变化导致的潜在的偏差。由于后端装置63永久地等待用户事件，一次你再校准过程可优选地在后台中运行，以使识别过程的中断最小化。例如，在检测到偏差或经过了预定的再校准周期之后，再校准程序被触发。触发之后，后端装置63停止并且自动适应装置59可向前端装置61发送信号以驱动换能器55和57发射弯曲波。事实上，再校准和更新查找表的程序不需要实时进行，它可以在后台执行而不必打断用户。因此，后端装置63可在任何时候(例如，突发用户事件时)中断信号发射，并随后继续进行，而不会损失在中断之前已经完成的再校准计算。在再校准过程中，执行与初始化过程基本相同的步骤。为了更新查找表，旧的标记图被新的标记图改写。最终，可保留这些变化的痕迹，以分析这些变化，例如用于确定查找表中的变化的来源。

本发明的实施例提供了一种方法，其可通过在其他位置、尤其是被转变为触敏物体的区域的边界上获取较小的一组声响响应，来确定区域中任一点的声波标记图。通过这一创造性概念，与现有技术相比可以获得下述优点：它能够减少获取声波标记图所需的声响响应的数目，即，通常几百个或更少而不是数千个；它能够快速地获得查找表，即在数分钟之内而非数个小时；它还能够为每个部分提供专用的查找表并且可作用于各种类型的材料(玻璃、塑料、木材、金属等)和形状(扁平和弯曲的面板、复杂3D的表面)。此外，通过使用该方法，集成约束条件可以被降低(由于每个部分具有其专用的查找表，对于集成约束条件的敏感度较低)。另一个主要的优点在于，它使得执行自动校准(即，它能够构件自己的查找表)和再校准(即，它能够在需要的情况下调整其自己的查找表，以补偿例如磨损、划伤、老化、温度、集成偏差)称为可能。通过应用互易原理，不需要在装置的表面上提供外加刺激，但可以执行非接触的测量以获得理想的波参数，波的发射由换能器执行，通常用于检测声响信号。

第二和第三实施例是结合两个换能器加以说明的，尽管如此，本发明也可以仅用一个或两个以上的换能器实现。

Claims (21)

1.一种用于确定声响响应的方法，其中所述声响响应是由包括至少一个换能器的物体的表面上的冲击的位置引起的，尤其是由接触事件的位置引起的，所述方法包括以下步骤：

a)在换能器位置(5a，5b)处通过所述换能器发射预定的声响弯曲波，

b)在与所述换能器位置不同的表面上的第二位置(11)处检测弯曲波参数，

c)基于检测到的弯曲波参数和预定的声响弯曲波特性有效地确定所述声响响应，仿佛所述发射发生在与所述换能器位置不同的表面上的至少一个第二位置(11)处并且所述检测基于互易原理发生在所述换能器位置处；

d)基于在步骤c)中确定的至少两个不同的声响响应，确定所述声响响应是由在不同于与所述换能器位置不同的表面上的第二位置(11)的至少一个的表面上的至少一个位置(9)引起的。

2.根据权利要求1所述的方法，其中发射弯曲波的步骤包括提供具有在预定频率范围内的不同频率的多个弯曲波并检测用于具有不同频率的弯曲波的每一个的信号。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中步骤b)包括在与所述换能器位置不同的第二位置(11)处使用振动测量装置检测，尤其是使用振动计(12)检测。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中定位在不同换能器位置处的两个或更多换能器执行步骤a)至步骤c)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中换能器相继地或同时执行步骤a)至c)。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中在所述表面上的至少两个第二位置执行步骤a)至c)。

7.根据权利要求1-6中至少一项所述的方法，其中定位在物体的表面的边界区域中的第二位置执行步骤a)至c)，尤其是在物体的表面的用作触敏输入区的部分的边界区域中或甚至在所述触敏输入区之外的第二位置执行步骤a)至c)。

8.根据权利要求1-7中至少一项所述的方法，还包括步骤f)：仅选择在步骤c)过程中确定用于执行步骤d)的满足预定准则的声响响应，特别地，所述预定准则涉及信噪比和/或测量相干性中的至少一个。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

g)基于辅助位置和在不同于与所述换能器位置不同的表面上的第二位置的表面上的位置之间的距离确定第一代表函数，其中所述辅助位置被定位成远离不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)和不同于所述第二位置(11)的表面上的位置；

h)基于所述辅助位置与不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)之间的距离确定第二代表函数；

i)计算在步骤g)中确定的第一代表函数与在步骤h)中确定的第二代表函数之比；

j)为不同于与所述换能器位置不同的表面上的第二位置(11)的表面上的每个位置和为每个辅助位置重复执行步骤g)；和

k)为在不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)的每个重复执行步骤h)。

10.根据权利要求1-9中至少一项所述的方法，其中所述辅助位置位于所述表面之外并远离在不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)的每个，并且远离在不同于与所述换能器位置不同的表面上的每个第二位置(11)的表面上的每个位置。

11.根据权利要求1-10中至少一项所述的方法，其中在不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)设置为使得两个相邻位置之间的间距λ满足关系式λ≤1.2A，尤其是0.5Aλ≤1.2A，并且更尤其是0.9λ≤1.0A；其中A与

成比例，ω是角频率，尤其是所关心的来自换能器的声响信号的最大频率；E、v、ρ和h是物体的特性，分别是弹性模量、泊松比、密度和厚度。

12.据权利要求11所述的方法，其中在不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)设置为使得所述间距λ满足关系式0.5A≤λ≤1.2A，尤其是0.9A≤λ≤1.0A。

13.根据权利要求1-12中至少一项所述的方法，其中在每个声响信号的波长中，尤其是所关心的最小波长中，在不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)的数目为多于一个，尤其是三至六个。

14.根据权利要求1-13中至少一项所述的方法，其中所述至少一个换能器定位在所述物体的表面的对称轴上。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述表面被形成为矩形，所述至少一个换能器被定位在所述矩形表面的至少一条对称轴上，并且在所述矩形表面的每个第二象限的位置处设置重建的预定刺激。

16.根据权利要求1-15中至少一项所述的方法，其中不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)是随机排布的。

17.根据权利要求1-16中至少一项所述的方法，其中在不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)形成在至少两排中，特别地，使得在第一排中的位置之间的间距与在第二排中的位置之间的间距不同。

18.一种计算机可读取的介质，包括储存在该介质上的计算机可执行的指令，用于执行权利要求1-17中至少一项所述的方法。

19.一种触感装置校准系统，包括：

具有交互表面和至少一个换能器的触感装置；和

构造成执行根据权利要求1-18中任一项所述方法的控制装置。

20.根据权利要求19所述的装置，其中所述控制装置包括用于指令所述换能器以发射弯曲波的输出单元和被连接到振动计的用于接收检测到的弯曲波参数的输入单元，所述振动计被构造成在不同于所述换能器位置的表面上的第二位置(11)处检测弯曲波参数。

21.根据权利要求20所述的装置，其中所述控制装置被构造成指令所述换能器以发射具有在预定频率范围内的不同频率的多个弯曲波，并且被构造成从所述振动计接收用于具有不同频率的弯曲波的每个的、检测到的信号。

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