CN104604249B - 用于麦克风应用的骨传导拾取换能器 - Google Patents

用于麦克风应用的骨传导拾取换能器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种个人音频设备，该个人音频设备具有骨传导拾取换能器，该骨传导拾取换能器具有外壳，该外壳的刚性外壁具有形成于其中的开口。一定体积的软材料填充刚性外壁中的开口。电子振动感测元件被嵌入该一定体积的软材料中。外壳被成形并且开口被定位，使得该一定体积的软材料与正使用个人音频设备的使用者的耳朵或脸颊接触。

Description

用于麦克风应用的骨传导拾取换能器
相关内容
本专利申请要求于2012年9月10日提交的标题为“Bone-Conduction PickupTransducer for Microphonic Applications”的临时专利申请61/698,978的早前提交日期的权益。
技术领域
本发明的一个实施例是被设计用于麦克风应用(诸如语音活动检测、语音增强)以及其他非麦克风应用的骨传导拾取或振动换能器。还描述了其它实施例。
背景技术
语音通信系统和语音识别系统通常使用声学麦克风来经由通过用户讲话所产生的声波拾取用户的语音。语音然后被转换为数字形式并且被用于各种类型的数字信号处理应用中，该各种类型的数字信号处理应用包括语音增强、用于噪声抑制目的的语音活动检测、以及基于语音识别输入的用户界面。
已经提出了一种入耳式麦克风系统，该入耳式麦克风系统同时使用耳道内的骨和组织振动感测换能器(对骨传导的较低语音频率语音声音作出响应)以及限制频带的声学麦克风(检测较弱空气传播的较高语音频率声音)两者。此类技术据称改善了语音清晰度，这对于语音识别系统尤其有用。振动感测换能器可以是可通过适当的粘固剂或胶、或者通过摩擦配合被稳固地安装到耳机外壳的内壁的加速度计。
发明内容
本专利申请描述了一种具有骨传导拾取换能器的个人音频设备。该换能器具有外壳，该外壳的刚性外壁具有形成于其中的开口。一定体积的柔软或软材料填充刚性外壁中的开口。电子振动感测元件诸如加速度计被嵌入该一定体积的软材料中。外壳被成形并且开口被定位，使得该一定体积的软材料与正在使用该个人音频设备的使用者的耳朵或脸颊接触。在此类布置中，振动感测元件可通过感测已通过使用者的耳朵或脸颊被传输并被传输到软材料中的骨传导振动来提供指示用户语音的输出信号。该输出信号然后可由电话或多媒体回放期间的数字音频处理功能使用，该数字音频处理功能诸如语音活动检测、语音识别、有源噪声控制和噪声抑制。
附图说明
本发明的实施例以举例的方式进行说明，而不仅限于各个附图的图示，在附图中类似的附图标号指示类似的元件。应当指出，本公开中提到“一”或“一个”实施例未必是同一实施例，并且它们表示至少一个。
图1A示出了其中已安装有骨传导拾取换能器的个人音频设备的一部分的横截面正视图。
图1B示出了另一骨传导拾取换能器。
图2是骨传导拾取换能器的麦克风应用的框图。
图3示出了其中可使用骨传导拾取换能器的个人收听设备的实例。
具体实施方式
现在将参考所附附图来解释本发明的若干实施例。无论何时实施例中所描述的部件的形状、相对位置和其他方面未被明确限定，本发明的范围都不只限于仅旨在用于说明的目的所示出的部件。另外，尽管阐述了许多细节，但应当理解，本发明的一些实施例可在没有这些细节的情况下被实施。在其他情况下，未详细示出熟知的电路、结构和技术，以免模糊对本具体实施方式的理解。
图1A示出了在其中已形成骨传导拾取换能器的个人音频设备的横截面正视图。该换能器具有刚性外壳或者可构建在该刚性外壳内，示出了刚性外壳的刚性外壁2。外壳壁可以是耳机外壳(参见图3)或另一个个人收听设备的外壳壁。如图所示，在外壳壁中形成开口，其中这个开口被填充以一定体积的柔软或软材料3。该外壳被成形，使其允许其中的所述一定体积的软材料3与该设备的佩戴者或使用者的耳道壁5接触。如图1A中所示，所述一定体积的软材料3可填充外壳壁2内的整个孔洞或开口。在这里提及的一般性地被称为加速度计6的电子振动感测元件被嵌入软材料中；其或者可以是另一合适的惯性传感器。加速度计可以是测量线性加速度并输出可以是表示加速度计6内的检验质量块(未示出)的所检测到的加速度的模拟信号的电信号的设备。常规加速度计用于检测重力(单位为g，其中1g＝9.8米/秒2)。在这种情况下，加速度计可被优化或定制，以经由感测通过与如图所示的耳道壁5接触的骨传导振动来生成指示用户语音的输出信号。更具体地，骨传导振动通过耳道壁5被传输并被传输到软材料3中，该软材料3将振动传送到加速度计6，在这里这些振动被感测到。
如图2中所示，骨传导拾取换能器所提供的输出信号(其初始可假定为是由加速度计6所生成的模拟信号)可被A/D转换器8采样，并且然后被转换为数字形式。加速度计电路可被结合在加速度计封装其自身内，或者其可位于独立的电子器件外壳中(例如，在软材料外但是在耳机外壳内，或者在包含数字处理器10并且被附接到沿被插入到便携式音频主机设备12的附件缆线的某个点的外壳中-参见图3)。这个数字比特流然后可被若干不同的音频处理功能(也被称为更高层音频处理功能)中的任何一个音频处理功能使用，该不同的音频处理功能诸如语音活动检测、语音识别、有源噪声控制和噪声抑制。这些音频处理功能继而可被更高层功能使用，即电话或多媒体应用，其包括语音和视频电话呼叫、音频记录和回放、以及语音识别驱动的用户界面。更高层音频处理功能通常由位于主机音频设备12的外壳内的数字处理器来执行。
还应当指出的是，虽然图2示出只有骨传导拾取换能器的输出被馈送到各个音频处理块，但是附加信息可伴随着骨传导比特流，包括来自一个或多个声学麦克风和其他传感器(包括例如接近传感器和环境光传感器)的输出信号。在各个音频处理块中，个人收听设备诸如智能电话和平板电脑具有多个此类传感器，其输出可与骨传导拾取换能器的输出组合。例如，可响应于通过骨传导拾取换能器检测到佩戴者的语音而确定是要开启还是要关闭(静音)集成在头戴式耳机内的声学麦克风。这个选通功能允许系统在用户未正在说话时静音或减弱来自声学麦克风的信号，从而减少声学麦克风所拾取的背景噪声。
如上所述，加速度计6被用作为骨传导拾取设备的一部分，使得用户的声带产生的通过颅骨传导并使耳道壁颤动的振动可被加速度计感测到。同时，加速度计、以及换能器封装整体应该被设计为拒绝通过空气所传输的环境声学噪声(这在图1A中被表示为声波)。除了拒绝环境声学或声音噪声之外，拾取换能器还应被设计为拒绝外壳壁的振动或颤动。因此，加速度计6自身应当通过被嵌入如图所示的软材料3内而被牢靠地安装到外壳，而软材料3可足够柔韧以便抑制通过外壳壁2传来的颤动或振动。同时，材料3应当能够通过其与耳道壁5接触来增强来自骨传导的振动传输。为了满足这两个相互矛盾的要求，即对通过外壳壁的振动进行解耦但增强通过耳道壁的振动的耦合，应当选择将加速度计嵌入其中的合适的软材料。例如，为了与耳道壁实现指标匹配或阻抗匹配，期望非常柔软的材料(与人体肌肤类似或与人体组织类似的硬度和质地)。作为一个实例，可使用表现出小于10肖氏硬度A的硬度等级的适当的有机硅材料，或者例如硬度小于20肖氏硬度00的另外的软材料。其他可能的材料包括氯丁橡胶、腈和胶乳。
骨传导拾取换能器的另一考虑因素是加速度计6将具有可能具有重要温度系数(温度波动)的灵敏度和偏移。因此，加速度计6应当以提供相对良好的热传导的方式被安装以便能够散热，例如通过外壳壁2散热或者直接散热到耳道壁5。
理想地，加速度计6应直接接触耳道5。但是这在实践意义上可能不能实现，并且因此在这里描述了对特定体积的软材料3的使用，而加速度计6被嵌入其中。虽然软材料3应当抑制例如由外壳颤动所导致的任何振动，同时提供与耳道壁的人体组织或肌肤的良好指标匹配，但是其还应当被设计为抑制可能将出现在如图所示的外壳的一侧或两侧上的声音或声波。具体地，外壳的外侧接收环境声学噪声，而外壳的内部可接收由近旁发声换能器(即听筒扬声器驱动器或接收器15-参见图3)所生成的声波。期望一定体积的软材料3能够使由驱动器15所生成的声波的任何耦合最小化。同样，还期望加速度计6被定位，并且具体地，如图1A所示软材料3形成于其中的开口应当被定位，以便实现与佩戴者的耳道壁5相对强的接触。
此外，接收器或驱动器15(图3)应在声学上与加速度计6隔离。声学隔离悬架应被用于将驱动器15安装到耳机外壳的内部，并且加速度计6还应与驱动器15机械隔离。此外，加速度计6与空气或耳机外壳内部区域之间的声学失配也应被最大化。这可通过在加速度计与扬声器驱动器15之间(并且具体地是在加速度计6被嵌入其中的软材料之间)添加适当的阻尼材料来实现。作为另一实例，或许除了软材料之外，可构造声屏障(诸如角状物)来隔离加速度计，在这种情况下，此类声屏障还帮助将由扬声器驱动器15所生成的声音通过主声学端口开口引导出。
在一个实施例中，加速度计应充分小，使其可被定位在外壳壁2的开口内(参见图1A)，其中这可以是耳塞型耳机的外壳-参见图3。此类定位还允许与耳道壁5良好接触(一旦耳机已被插入到佩戴者的耳朵内)。目前，常规的加速度计具体实施是微机电系统(MEMS)质量弹簧阻尼系统。
在一个实施例中，质量弹簧阻尼系统应被设计为使得任何谐振都在加速度计的预期工作范围之外。对于这里设想的麦克风应用，加速度计被期望生成高达3kHz并且可能高达4kHz的有意义的输出信号，因此谐振应远高于该范围。这还意味着，由A/D转换器进行的采样应当是以足够高的频率进行的，从而减小混叠效应。因此，期望A/D转换采样频率应高于8kHz。
图1B示出了加速度计被嵌入其中的所述一定体积的软材料可具有不同区段的情况，其中一个区段是由被设计为对耦合到耳道壁的机械振动进行增强的材料形成，而另一区段被设计为抑制即吸收或反射通过空气传来的声波和通过外壳壁传来的振动两者。也可存在形成在区段之间的分隔壁(未示出)。
虽然在附图中已描述并且示出了某些实施例，但应当理解，此类实施例仅仅是为了说明广义的发明而非对其进行限制，并且本发明并不限于所示和所述的特定构造和布置，因为对于本领域普通技术人员而言可想到各种其他修改。例如，虽然图3中所示的收听设备是头戴式耳机与主机音频设备的组合，但是骨传导拾取换能器也可在智能电话或蜂窝电话手机的外壳壁中实现。然而，在这种情况下，加速度计被嵌入其中的所述一定体积的软材料将被定位以用于接触使用者的外耳区域或颊骨区域(或脸颊)，而不是接触耳道壁。因此要将描述视为例示性的而非限制性的。

Claims (20)

1.一种个人音频设备，包括：
外壳，所述外壳的刚性外壁具有形成于其中的开口，所述开口从该壁的一个面延伸通过该壁并延伸出该壁的相反面；
骨传导拾取换能器，所述骨传导拾取换能器具有：
一定体积的软材料，所述一定体积的软材料填充所述刚性外壁中的所述开口；以及
电子振动感测元件，所述电子振动感测元件被嵌入所述一定体积的软材料中，所述电子振动感测元件包括加速度计，其中所述外壳被成形并且所述开口被定位，使得所述一定体积的软材料与正使用所述个人音频设备的使用者的耳朵或脸颊接触。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述外壳是入耳式耳机外壳，所述振动感测元件和所述一定体积的软材料被保持在所述入耳式耳机外壳中，所述设备还包括被保持在所述外壳内部的发声换能器和声学麦克风。
3.根据权利要求2所述的设备，还包括电子器件附件缆线，所述电子器件附件缆线耦接到所述振动感测元件以将振动信号传输到音频源设备，并且耦接到所述发声换能器以递送来自所述音频源设备的音频信号。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述外壳是移动电话手机外壳，所述振动感测元件与所述一定体积的软材料被保持在所述移动电话手机外壳中，所述设备还包括被保持在所述外壳内部的发声换能器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述一定体积的软材料包括不同材料的两个区段，其中一个区段向外壳壁的内部延伸，而另一区段位于所述外壳壁的外部。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述一定体积的软材料的所述两个区段中的一个区段由对耦合到所述使用者的耳朵或脸颊的机械振动进行增强的材料形成，而另一区段由吸收或反射通过空气传来的声波和通过所述外壳壁传来的振动的材料形成。
7.根据权利要求2所述的设备，还包括声学隔离悬架，所述声学隔离悬架用于将所述发声换能器安装到所述外壳的内部。
8.一种个人音频设备，包括：
头戴式耳机，所述头戴式耳机具有头戴式耳机外壳和骨传导拾取换能器，所述骨传导拾取换能器包括：
对形成于所述头戴式耳机外壳的刚性外壁中的开口进行填充的一定体积的软材料，所述开口从该壁的一个面延伸通过该壁并延伸出该壁的相反面，以及
被嵌入所述一定体积的软材料中的包括加速度计的电子振动感测元件，其中所述头戴式耳机外壳被成形并且所述开口被定位，使得所述一定体积的软材料与佩戴所述头戴式耳机的使用者的耳朵接触。
9.根据权利要求8所述的个人音频设备，还包括在一端处连接到所述头戴式耳机外壳的附件缆线，其中所述缆线在另一端处待连接到主机音频设备。
10.根据权利要求8所述的个人音频设备，进一步包括声学麦克风，其中所述头戴式耳机外壳是所述声学麦克风被保持在其中的耳塞型耳机的外壳。
11.根据权利要求8所述的个人音频设备，其中所述电子振动感测元件包括MEMS弹簧阻尼系统，所述MEMS弹簧阻尼系统的谐振频率在所述骨传导拾取换能器的工作范围之外。
12.根据权利要求11所述的个人音频设备，其中所述谐振频率高于3kHz。
13.根据权利要求8所述的个人音频设备，其中所述一定体积的软材料包括不同材料的两个区段，其中一个区段向外壳壁的内部延伸，而另一区段向所述外壳壁的外部延伸。
14.根据权利要求13所述的个人音频设备，其中所述一定体积的软材料的所述两个区段中的一个区段由对耦合到所述使用者的耳朵的机械振动进行增强的材料形成，而另一区段由吸收或反射通过空气传来的声波和通过所述外壳壁传来的振动的材料形成。
15.根据权利要求8所述的个人音频设备，还包括：
发声换能器，所述发声换能器被保持在所述头戴式耳机外壳内部；以及
声学隔离悬架，所述声学隔离悬架用于将所述发声换能器安装到所述外壳的内部。
16.一种个人音频设备，包括：
骨传导音频拾取换能器，所述骨传导音频拾取换能器具有
外壳，所述外壳的刚性外壁具有形成于其中的开口，
填充刚性外壁中的所述开口的一定体积的软材料、以及
被嵌入所述一定体积的软材料中的电子振动感测元件，
其中所述外壳被成形并且所述开口被定位，使得所述一定体积的软材料与正使用所述个人音频设备的使用者的耳道壁接触，并且所述软材料能够对来自外壳壁的振动进行解耦，同时增强来自所述耳道壁的振动的耦合。
17.根据权利要求16所述的个人音频设备，其中所述软材料具有与所述耳道壁更好地阻抗匹配的、与人体肌肤类似或与人体组织类似的硬度和质地。
18.根据权利要求17所述的个人音频设备，其中所述软材料具有小于10肖氏硬度A的硬度等级。
19.根据权利要求18所述的个人音频设备，其中所述软材料具有小于20肖氏硬度00的硬度等级。
20.根据权利要求16所述的个人音频设备，其中所述软材料具有小于10肖氏硬度A的硬度等级。
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