CN104581526B - 传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于便携式电子器件的声耦合传感器，包括声波发射器，耦合到该声波发射器的参考信号发生器，声波传感器，在操作中，参考信号发生器被操作为传输参考信号到声波发射器，声波发射器被操作为传输该参考信号，检测经由声波传感器传输的参考信号的声级，其中检测到的参考信号的声级对应于声波发射器和声波传感器之间的声耦合的值。该声耦合传感器可能是用于移动式电话的一个例子，为了适配移动式电话使用期间的声级，来检测声泄漏。

Description

传感器
发明领域
本发明涉及一种用于便携式电子器件的声耦合传感器。
背景技术
手机移动电话或头戴耳机播放要求扬声器被放置到接近于(或者内部)听者的外耳。这会导致扬声器与耳朵之间的声耦合，它强烈的影响鼓膜的声压和感觉上的声音质量。
在手机移动式电话的具体的情况下，声耦合的数值不是固定的，它随着用户对着耳朵人工施加于移动式电话的力而改变。当施加的力变强时，到耳朵的扬声器的封接(sealing)或拟合(fit)改善，从而导致减少或降低声泄漏，从而改善低频放声声音重放。
图1示出了现有的移动式电话扬声器的在头部与躯干模拟器(HATS)测量的传递函数100。Y轴显示了相关的声压级的分贝，X轴显示了从100Hz到10000Hz的频率。该扬声器的传递函数的波形线10、12、14和16分别代表了四个条件。随着到听者的耳朵的扬声器的拟合变得更紧密，频率响应的级在低频区增加。图中线16显示了到听众的耳朵的扬声器的拟合相对宽松的情况，线10的频率响应显示了扬声器紧密拟合的情况。
移动电话在使用中的声泄漏的变化会对用户感知的声音质量产生不好的影响。
有两种主要的技术可以最小化响应于扬声器的声泄漏的影响。第一，如专利US6658110B1和US6788798B1描述的泄漏容许音频设计。泄漏容许音质设计可以通过引入控制声学的路径来最小化扬声器总的声负载上的泄漏的影响。然而它们要求复杂的扬声器屏蔽套来减少声泄漏的有害影响。第二，如专利US6639987B2中描述的在极接近于扬声器处的专用传感器，它可以用于检测移动电话使用中的声泄漏的量，然后相应的补偿音频信号。
发明内容
在多个权利要求中定义了本发明的多个方面。根据本发明的一个方面，一种用于移动装置的声耦合传感器，包括声波发射器，耦合到该声波发射器的参考信号发生器，声波传感器，耦合到声波的传感器的级检测器，在操作中，参考信号发生器被操作为传输参考信号到声波发射器，声波发射器被操作为传输该参考信号，声波传感器被操作为检测所传输的参考信号的声级。
通过使用参考信号，准确的追踪声波发射器和声波传感器之间的声波路径，从而确定声耦合或者声泄漏情况。关于声波发射器和声波传感器的位置不是决定性的，而给定的位置在传感器操作过程中保持固定。
实施例中声耦合传感器，进一步包括耦合到麦克风的级检测器，级检测器被操作为通过声波传感器检测被传输的参考信号的声级，其中检测到的参考信号的声级对应于声波发射器和声波传感器之间的声耦合的值。
级检测器可以从由声波传感器检测的其他的信号中摘取参考信号，例如，通过滤波或其他信号处理运算。
实施例中，参考信号发生器被配置为产生带限信号，该带限信号的频率高于声波发射器共振频率一倍频程以上的频率。参考信号的频率值大大高于声波发射器的共振频率值的得限制可以在检测过程中消除声波发射器和声波传感器之间的机械耦合的影响。
实施例中，参考信号发生器被配置为产生带限超声波信号。在音频应用中，超声波信号的使用避免了用户体验的音频上的任何影响。
实施例中，声波传感器包括压电换能器。
实施例的声耦合传感器具有扬声器，该扬声器可能包括音频装置，该音频装置可以包括耦合到处理器和参考信号发生器的混合器，该处理器进一步被操作为输出音频信号，音频装置被操作为通过扬声器输出音频信号与参考信号的混合信号。
实施例的音频处理器被配置为响应于声耦合的值的改变，适配声频信号的增益、均衡、动态范围压缩(DRC)中的至少一个。
该音频装置可以动态地匹配该声频信号增益和/或均衡，来使得用户经历的声输出更少的依赖于声泄漏。
实施例的声耦合传感器可能在便携式电子器件中，例如移动式电话的话音通信运行方式，扬声器被操作为接收器扬声器，麦克风被操作为用于语音输入。
该声耦合传感器可能是在便携式电子器件例如移动式电话、智能手机、台式计算机无绳电话或者耳机中实现的，这些电子器件不使用专用传感器元件。
实施例中，声耦合传感器可以包含一个或多个另外的扩音器。另外的扩音器可能用来改善声耦合的检测的可靠性。
根据发明的第二方面，提供一种用于便携式电子器件的检测声耦合的方法，该方法包括步骤：生成参考信号，通过声波发射器传输参考信号，通过声波传感器检测参考信号的级，其中检测到的参考信号的声级对应于声波发射器和声波传感器之间的声耦合的值。
附图说明
图1示出了现有移动电话接收扬声器的在头部与躯干模拟器(HATS)测量的不同应用力下的传递函数100；
图2显示了根据实施例的声耦合传感器；
图3示出了根据实施例的声耦合传感器；
图4示出了图2的实施例的麦克风和扬声器之间的耦合的变化的图，用于组成白噪声的参考信号；
图5示出了用于图2的传感器的参考信号为20KHz的声耦合的变化的图；
图6示出了根据实施例的音频系统；
图7显示了根据实施例的便携式电子器件；
图8示出了根据实施例的便携式电子器件；
图9显示了根据实施例的检测声泄漏和适应声频输出的方法。
具体实施例
图2显示了根据实施例的声耦合传感器200。参考信号发生器20可能连接到声波发射器22。声波发射器22和声波传感器24可能是设置在外壳26上。声波传感器24可能是设置在相对于声波发射器22的固定的位置中。声波发射器22和声波传感器24之间的距离可能是固定的距离，以便该声波传感器24可以检测从22输出的声输出。声波发射器22和声波传感器之间的位置不是重要的，给定的位置在传感器200在操作过程中保持固定。
操作中，当声耦合传感器200的声波发射器22被放置在用户的耳朵34的时候，声波容量32可能被形成，并且依赖于施加在该装置的力和听者个人耳朵形状的泄漏通道36也被形成。声波发射器22和声波传感器24之间的声学的传递函数Ca可能变化，从而反映由于位于声波发射器22上的耳朵的屏蔽效应引起的耦合的变化。该声耦合的值的改变可以通过声波传感器24来检测。参考信号发生器20可以在硬件上实现，也可以在软件上实现，例如在数字信号处理器上执行，或者硬件软件结合实现。
通过使用特征已知的参考信号，相对于声波发射器22的声波传感器24的位置不是决定性的，给定的位置在使用过程中保持固定。本领域技术人员应理解声波传感器24的位置相对于声波发射器22是可以移动的，声波传感器24和声波发射器22的相对位置在操作期间可保持固定。参考信号发生器可以产生单一频率或者频带限制范围的频率。参考信号可能是连续不断的或者是传输间断的。参考信号可以包含单一控制音调或者多个控制音调或者带限噪声信号。该参考信号可能是固定幅度的。
本领域技术人员应理解传感器24的位置相对于声波发射器22是可以移动的，声波传感器24和声波发射器22的相对位置在操作期间是保持固定的。声波发射器可能是例如扬声器或者压电式换能器。声波传感器可能是例如麦克风或者压电式换能器。
图3显示了根据实施例的声耦合传感器300。参考信号发生器20可能连接到声波发射器22，声波传感器可能连接到级检测器28。声波发射器22和声波传感器24可能设置在外壳26上。声波传感器24可能是设置在相对于声波发射器22的固定的位置上。声波发射器22和声波传感器24之间的距离可能是固定的距离，以便该声波传感器24可以检测从22输出的声输出。声波发射器22和声波传感器之间的位置不是重要的，给定的位置在传感器200在操作过程中保持固定。
操作中，当声耦合传感器200的声波发射器22被放置在用户的耳朵34的时候，声波容量32可能被形成，并且依赖于施加在该装置的力和听者个人耳朵形状的泄漏信道36也被形成。声波发射器22和声波传感器24之间的声学的传递函数Ca可能变化，从而反映由于位于声波发射器22上的耳朵的屏蔽效应引起的耦合的变化。该声耦合的值的改变可以通过声波传感器24来检测。参考信号发生器20可以在硬件上实现，也可以在软件上实现，例如在数字信号处理器上执行，或者硬件软件结合实现。
本领域技术人员应理解声级检测器28可能被校准，来确定与声波发射器22和声波传感器24之间最大的声耦合相当的级别，当声波传感器24和声波发射器22的相对位置被设置为它们的工作位置的时候。声波传感器24的位置在使用时位于形成于声波发射器和外表面之间的声波容量32的外面。
声波发射器22和声波传感器24之间的耦合可以由声学元件(Ca)和机械元件(Cm)组成。机械耦合元件归因于通过声波发射器的运动部件触发的内部的机械振动，可能在低频区特别的重要，在低频区声波发射器的运动部件的移动可能是大量的。
图4显示了通过声波传感器24捕捉的频谱图，当在把白噪声应用在用于自由场的声波发射器22上时，或者无耦合条件40和紧密耦合条件42时。X轴从0Hz到23kHz的改变，y轴用分贝显示了相关的声压级。可以知道频率超过3kHz是强衰减的，此时机械耦合(Cm)与声耦合(Ca)相比变得微不足道。对于具有大于3kHz频率的的带限参考信号，声波发射器在声波传感器24上的机械耦合的效果可能被认为是微不足道的。因此，被检测的参考信号频率的变化超过3kHz可能仅认为是声耦合元件Ca，如声波发射器22。
一般地说，对于超过声波发射器共振频率一倍或多倍频程的频率的机械耦合是微不足道的。因此对于一些声波发射器，机械耦合的效果在低于3KHz的频率时开始变的微不足道。
图5显示了表示在20kHz的音调通过声波发射器情况时，且在不渗漏条件下，声波传感器输入的频谱的图500。该频率显示x轴上从19.8kHz到20.2kHz之间变化，y轴以分贝显示相关的声压级。线54显示了响应于声波发射器和人耳朵之间的过盈配合。线52和54显示了声波发射器22和声波传感器24之间的声耦合随着泄漏增加而增加。声波发射器和声波传感器之间的声耦合的值因此可被认为是测量声波发射器和声学耦合到声波发射器的表面之间的声泄漏的量的尺度。
图6示出了根据实施例的包括声耦合传感器的音频系统600。参考信号发生器可能连接到混合器60的第一输入。音频处理器64可能连接到音频输入62。音频处理器64的输出可能连接到混合器60的第二输入。混合器的输出可能连接到扬声器66。麦克风68可能连接到声级检测器28的输入。级检测器30的输出可能连接到音频处理器64的输入。扬声器66和麦克风68可能是固定在外壳26上。麦克风66可能相对于扬声器68处于一个已知的位置。扬声器66和麦克风68之间的距离可能是固定的，以便该麦克风可以检测来自扬声器66的声输出。扬声器66和麦克风68之间的位置不是重要的，给定的距离在音频系统600的操作过程中保持常数。
在操作中，声频信号可以例如包含语音或者音乐，音频信号可能通过混合器60与参考信号混合。传送结合的音频和参考信号的混合器的输出可能由扬声器66声学的传输。包括传输的参考信号的扬声器66的声输出可能由麦克风68和级检测器28检测。声级检测器28可以把从来自麦克风68的模拟信号转换成数字信号，并通过数字滤波器或者其他的本领域技术人员已知的运算来提取参考信号的特征，例如频率与和/或振幅等。级检测器28可以只是扬声器66和麦克风68之间的声耦合的值。例如通过扬声器用户耳朵接触到的声耦合值的变化如图3和图4所式。参考信号可以象征性的是超声波频带限制信号，例如超过20KHz，因为超过20KHz的参考信号不是音频系统500的用户所希望听到的。
声耦合或者声泄漏的值可能用于通过级检测器控制器的输出30控制声频信号的均衡。音频处理器64可以匹配来自音频输入62的音频信号来匹配该均衡，或者响应于检测的接收器扬声器22和麦克风24之间的声耦合的改变来匹配扬声器输出的的音量级。因为它们之间的声耦合的值可以相当于用户的耳朵与扬声器22之间的声泄漏的数量。本领域技术人员应当理解音频系统可以适配声频信号，以使用户耳膜的声压与声泄漏的量无关。声频信号的匹配可能是增益的增加或减少。声频信号的适配也可能是与增益相关的均衡或者频率的匹配。
图7显示了按照实施例的移动电话700。参考信号发生器20可能连接到混合器60的第一输入。音频处理器70可能连接到音频输入72。音频处理器70的输出可能连接到混合器60的第二输入。混合器的输出可能连接到接收扬声器74。手机麦克风76可能连接到级检测器28的输入。声级检测器28的控制输出可能连接到音频处理器70的输入。接收器扬声器74和麦克风76可能被放在移动式电话700中以便接收扬声器74相对于麦克风76处于一个固定的位置。麦克风76可能连接到音频编解码器用于语音输入处理(未显示)。音频处理器70可能具有另外的音频输入72。
操作中，当移动式电话700的接收扬声器74被放置在用户的耳朵34的时候，声波容量32可能被形成，并且依赖于施加在该装置的力和听者个人耳朵形状的泄漏通道36也被形成。传递函数Ca可以改变，以便反映由于耳朵34位于接收扬声器74的叫做屏蔽效应所引起的声耦合的改变。声耦合的值的改变可以通过麦克风76检测到，级检测器28比较参考信号的级与相对的已知的级的变化，从而确定声耦合的值，从而确定泄漏通道36的声泄漏的值。
音频信号可以例如包含语音或者音乐，音频信号可能通过混合器60与参考信号混合。传送结合的音频和参考信号的混合器的输出可能由接收扬声器74改变成声输出。通过接收扬声器74传输的声输出可能被麦克风76和级检测器28检测。级检测器28可以从将来自麦克风76的模拟信号转换成数字信号，并通过数字滤波器或者其他的本领域技术人员已知的运算来提取参考信号的特征，例如频率与和/或振幅等。级检测器28的输出30指示了接收扬声器74和手机麦克风76之间的声耦合的值。参考信号可以象征性的是超声限带信号，例如超过20KHz，以使参考信号不能被移动式电话700的用户所听到。本领域技术人员应理解音频处理器70可以匹配该均衡到声输出，以使用户体验的声音与声泄漏无关。合乎逻辑的，移动式电话700的用户可能不得不使用到该手机对着耳朵的恒压，以体验恒定的声音质量。
本领域技术人员应理解当移动式电话700被用作传统的的电话时，麦克风76可能是用于移动式电话的干线语音输入设备。合乎逻辑的，声泄漏传感器通过对常见的不被需要的在接收扬声器74和语音输入麦克风76之间的声耦合的利用来实现的，而不需要另外的专门的传感器元件。对于音频重放状态的操作，麦克风76可能是被单独使用来检测通过接收扬声器74传输的参考信号。
图8显示了移动式电话800。参考信号发生器20可能连接到混合器60的第一输入。音频处理器70可能连接到音频输入72。音频处理器70的输出可能连接到混合器60的第二输入。混合器的输出可能连接到接收扬声器74。手机麦克风76可能连接到级检测器80的输入。级检测器80的控制输出30可能连接到音频处理器70的输入。接收扬声器74和麦克风76可能被放在移动式电话800中以便接收扬声器74相对于麦克风76处于一个固定的位置。音频处理器70也许具有另外的音频输入72。另外的麦克风82可能连接到级检测器80的第二输入。该移动式电话800的操作可能是类似于移动式电话700。另外的麦克风82也可以声学的耦合到接收扬声器74。级检测器80可以结合麦克风76和另外的麦克风82的输入信号，并提取指示接收扬声器74、麦克风76和该另外的麦克风82之间的声耦合的测量的参数。使用另外的麦克风82可以给更好给出在使用中扬声器和用户的耳朵之间的声泄漏的指示。
本领域技术人员应理解另外的麦克风82可被用做移动式电话内部其他的功能，如有效噪声消除等。声耦合传感器可以在没有其他专门的传感器元件的情况下实现。
图9显示了用于便携式电子器件900的检测声泄漏的方法的示例。在步骤910中产生参考信号。在步骤912中，参考信号可能是与音频信号混合的。在步骤914中，混合音频和参考信号可能是通过扬声器输出的。在步骤916中，通过扬声器传输的参考信号可能是通过麦克风检测的。在步骤918中，分析参考信号，并提取声泄漏或者声耦合参数。在步骤920中，把该泄漏参数与早先的样本的泄漏参数做比较。如果在步骤920中，该声泄漏增加超过预定阈值，那么可能增加该声频信号增益和/或均衡，以补偿步骤924中增加的泄漏。该方法然后返回到步骤916，该探测和参数提取周期可能是重复的。如果步骤920的检查指出该声泄漏并未增加，然后在步骤922中做检查来决定泄漏减少的量是否大于阈值。如果该声泄漏减少的量超过阈值，然后在步骤926减少声频信号的增益和/或均衡。该方法然后返回到步骤916，该探测和参数提取周期可能是重复的。如果该声泄漏并未减少，然后在步骤928中保持增益的设置。该方法然后返回到步骤916，该探测和参数提取周期可能是重复的。
便携式电子器件可能是无绳电话、移动电话、智能手机、耳机、或笔记本电脑。
虽然已经描述了本发明的特定实施例，可以理解的是，在本发明要求的保护范围内可以进行许多修改/添加和/或取代。

Claims (14)

1.一种用于便携式电子器件的声耦合传感器，其特征在于，该声耦合传感器包括:
声波发射器，
耦合到该声波发射器的参考信号发生器，
声波传感器，
耦合到声波传感器的级检测器，
至少一个另外的声波传感器，
处理器，
其中参考信号发生器被配置为在操作中产生带限超声参考信号，并且在操作中，参考信号发生器被操作为传输产生的超声参考信号到声波发射器，声波发射器被操作为传输该超声参考信号，声波传感器被操作为检测被传输的超声参考信号的声级，
所述级检测器被操作为结合由声波传感器和至少另一个声波传感器收到的被检测的超声参考信号并输出控制信号，其中该控制信号对应于声波发射器、声波传感器和至少一个另外的声波传感器之间的声耦合的值，所述级检测器还被操作为检测通过声波传感器接收的被传输的超声参考信号的声级，其中检测到的超声参考信号的声级对应于声波发射器和声波传感器之间的声耦合的值，
处理器被配置为响应于输出控制信号来适配声频信号，当所述声耦合的值增加的量超过阈值时，增加声频信号的增益，当所述声耦合的值减少的量超过阈值时，减少声频信号的增益。
2.如权利要求1所述的声耦合传感器，其特征在于，所述声波传感器位于与声波发射器相对固定的位置。
3.如权利要求1或2所述的声耦合传感器，其特征在于，所述参考信号发生器被配置为产生带限信号，该带限信号的频率高于声波传感器共振频率一倍频程以上的频率。
4.如权利要求1或2所述的声耦合传感器，其特征在于，带限超声参考信号有固定的幅度。
5.如权利要求1或2所述的声耦合传感器，其特征在于，所述声波传感器包括麦克风。
6.如权利要求1或2所述的声耦合传感器，其特征在于，所述声波传感器包括扬声器。
7.如权利要求1或2所述的声耦合传感器，其特征在于，声波传感器和声波发射器中至少有一个包括压电换能器。
8.如权利要求7所述的声耦合传感器，其特征在于，处理器被配置为响应于声耦合的值，适配声频信号的增益、均衡、动态范围压缩中的至少一个。
9.一种包括权利要求6的声耦合传感器的音频装置，其特征在于，进一步包括耦合到处理器和参考信号发生器的混合器，该处理器进一步被操作为输出声频信号，音频装置被操作为通过扬声器输出声频信号与参考信号的混合信号。
10.一种手提式电子器件，其特征在于，包括如权利要求1到7中任一项所述的声耦合传感器。
11.一种便携式电子器件，其特征在于，包括如权利要求9所述的音频装置。
12.如权利要求11所述的便携式的电子器件，其特征在于，在话音通信运行方式中，接收器扬声器被操作为声波发射器，用于语音输入的麦克风可被操作为声波传感器。
13.如权利要求12所述的便携式电子器件，其特征在于，进一步地包括至少一个另外的耦合到级检测器的麦克风，其中级检测器被配置为结合由所述麦克风和至少一个另外的麦克风收到的被检测的参考信号并输出控制信号，其中该控制信号对应于扬声器与麦克风和至少一个另外的麦克风之间的声耦合的值。
14.一种用于便携式电子器件的检测声耦合的方法，其特征在于，该方法包括步骤:
生成带限超声参考信号；
通过声波发射器传输带限超声参考信号；
通过声波传感器检测带限超声参考信号的声级；
通过级检测器结合由声波传感器和至少另一个声波传感器收到的被检测的超声参考信号并输出控制信号，其中该控制信号对应于声波发射器、声波传感器和至少一个另外的声波传感器之间的声耦合的值；通过级检测器检测通过声波传感器接收的被传输的超声参考信号的声级，其中检测到的超声参考信号的声级对应于声波发射器和声波传感器之间的声耦合的值；
通过处理器响应于输出控制信号来适配声频信号，当所述声耦合的值增加的量超过阈值时，增加声频信号的增益，当所述声耦合的值减少的量超过阈值时，减少声频信号的增益。
CN201410559759.3A 2013-10-18 2014-10-20 传感器 Active CN104581526B (zh)

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EP13189373.7 2013-10-18
EP20130189373 EP2863651A1 (en) 2013-10-18 2013-10-18 Acoustic coupling sensor for mobile device

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