CN105489213A - 用于车辆头枕的噪音消除装置 - Google Patents

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林赛·什奇盖乌
竹内克彦
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Abstract

本发明提供了一种用于车辆的噪音消除头枕，其包括：位于头枕的侧部上的可滑动的侧翼；多个传声器，所述多个传声器配置成用以检测音频噪音信号并输出多个第一电信号；多个扬声器，所述多个扬声器配置成用以接收多个第二电信号并输出声信号；以及噪音消除电路，该噪音消除电路配置成用以接收多个第一电信号并输出多个第二电信号。

Description

用于车辆头枕的噪音消除装置
技术领域
本公开内容涉及头枕中的噪音消除，并且更特别地涉及位于车辆的头枕的内部空间中的噪音消除装置。
背景技术
在一些情况下，可能需要通过防止噪音进入空间(即，被动噪音消除)或者通过主动地消除出现在空间中的噪音(即，主动噪音消除)来降低空间中的噪音水平。
被动噪音消除可能是有效的和廉价的(例如，通过安装声屏障或通过使用吸音材料)，但是通常被动噪音消除经常对给定的空间的美观性、功能性和安全性造成了很大的障碍，从而使得被动的解决方案是不可行的或不期望的。此外，吸音材料和声屏障可能是大体积的并且可能在某些音频频率是无效的。
与被动噪音消除相比，主动噪音消除不一定需要大体积或占据了空间的缺乏美感的障碍物。主动噪音消除主动地产生具有与令人不愉快的噪音相等且振幅相反的消除波，使得遍布空间的消除波与噪音波的叠加的总和为零或近似为零(即，消除波是主动地构造成用以消除噪音)。在实践中，传声器通常检测噪音信号。接着，传声器信号在馈送至扬声器之前被处理(例如，传声器信号可被放大、反相、频谱滤波以及延迟)以产生消除声波。在具有多个扬声器和传声器的多通道系统中，相控阵原理可以通过调谐馈送相应的扬声器的处理电路的数值来在与扬声器相距预定距离处的特定的空间上进行噪音消除。
对于车辆头枕，在常规的主动噪音消除装置中的许多不期望的特征的示例包括：具有大体积的和/或美学上的令人不愉快的形状(例如，由于使用多个和/或需要大的功率供给的功率密集型电子器件)，缺少舒适感(例如，由于扬声器振动经由头枕框架被传递至头部或由于头枕需要在很可能被头部压缩的位置处设置不舒适的材料)以及头枕需要以直线对传的方式接近使用者的耳朵，这些特征限制了实际的应用。因此，需要紧凑而结实的主动噪音消除头枕，其使用具有舒适且美观的布置的低功率电子器件。
发明内容
用于车辆的噪音消除头枕包括：位于头枕的侧部上的可滑动侧翼；多个传声器，所述多个传声器配置成用以检测音频噪音信号并输出多个第一电信号；多个扬声器，所述多个扬声器配置成用以接收多个第二电信号并输出声信号；以及噪音消除电路，该噪音消除电路配置成用以接收多个第一电信号并输出多个第二电信号。
附图说明
当结合附图考虑时通过参考以下详细描述，提供了本公开内容的更完整的理解，在附图中：
图1A示出了具有在头枕的内部空间中的主动噪音消除装置的头枕的实施例的截面图，其中，侧翼扬声器与侧翼的表面齐平；
图1B示出了具有在头枕的内部空间中的主动噪音消除装置的头枕的实施例的截面图，其中，侧翼扬声器凹入侧翼内侧；
图2示出了头枕的覆盖材料和穿过覆盖材料的孔的结构的实施例的截面图；
图3A示出了具有主动噪音消除装置的头枕的实施例的前视图，其中，头枕的侧翼位于向前位置并且侧翼扬声器与侧翼的表面齐平；
图3B示出了具有主动噪音消除装置的头枕的实施例的前视图，其中，头枕的侧翼位于向前位置并且侧翼扬声器凹入侧翼内侧；
图4示出了具有两个并排的扬声器的主动噪音消除头枕的另一实施例的截面图；
图5示出了具有主动噪音消除装置的头枕的实施例的顶视图，其中，头枕的侧翼位于向前位置，噪音消除区域的位置用于主动噪音消除头枕的不同的实施例；
图6示出了主动噪音消除装置的实施例的信号流程图；以及
图7示出了主动噪音消除装置的模拟电路实施例的原理图。
具体实施方式
现参考附图，其中，贯穿若干附图，同样的附图标记指代相同或相应的部件。此外，如在本文中使用的，术语“一”、“一个”等通常具有“一个或更多个”的含义，除非另有呈述。
图1A示出了具有噪音消除装置的头枕的顶视截面图。图1A示出了车辆头枕100的内部结构，其中，噪音消除装置集成在车辆头枕100的内部空间中。声信号行进通过多个前孔口104以到达配装至内部结构160中的多个前传声器106。在集成式头枕和噪音消除装置100的一种替代性的实施例中，前传声器106设置在头枕100的外表面上。与该替代性的实施例相反，如在图1A中示出的，将前传声器106放置在头枕的内侧，提供了改善的舒适性和美观性。该“外表面”被限定为可以与使用者接触的任何表面。在图1A中示出的实施例中，每个前孔口104具有伴随且相邻的前传声器106。在替代性的实施例中，仅部分而非全部的前孔口104伴随有相邻的前传声器106。在另一实施例中，前传声器106未设置在孔口104处。在一种实施例中，前传声器106的数量小于四个，只要存在至少一个前传声器106即可。在另一实施例中，前传声器106的数量大于四个。
除了前传声器106之外，还可以通过位于侧翼120和122中的传声器108、110、116和118以及位于结构130中的传声器112和114来检测声信号，该结构130位于头枕100的主体102的后侧处。优选地是将传声器关键性地定位成靠近使用者，在使用者的两侧，并且在使用者的后方，使得噪音的声信号最好围绕使用者和车辆头枕100周围的整个环境，并且用以提供关于声信号的方向信息以更好地消除紧围绕使用者的空间中的声噪音。
侧翼120和122能够向前和向后平移，使得当他们处于向前位置中时为使用者提供了私密且舒适的空间。当侧翼平移至向前位置中时，锁定机构132离开通道134并且进入通道136。在一种实施例中，当锁定机构132位于通道136中时，锁定机构132接触开关138，从而允许电力被供给至噪音消除装置。在该实施例中，噪音消除装置仅在侧翼120和122处于向前位置中时启用，从而为使用者产生私密的环境。
如在图1A、图1B、图3A和图3B中示出的，下面讨论的侧翼120和122在具体结构方面不同。在图1A和图1B中示出了两种类型的侧翼。本领域的技术人员将会意识到，扬声器和传声器在侧翼中的位置可以改变。侧翼120和122包括与侧翼120和122的外部表面相邻设置的扬声器142。侧翼120和122允许存在由侧翼120和122及车辆头枕100的本体102以及噪音消除装置产生的私密环境。
在图1A中的侧翼120和122可以被挑选用于对使用者而言不需要舒适的休息空间而仅需要私密空间的应用中。在一种实施例中，扬声器142安装至侧翼结构，其中，在扬声器142与侧翼结构之间包括减振材料以减弱由扬声器142传递通过侧翼和通过头枕100的主体102的振动。在一种实施例中，减振材料为在另一实施例中，减振材料为薄的柔性膜。本领域的技术人员将会意识到，头枕、扬声器、传声器和侧翼的特征和其间的关系不限于在图1A中示出的形状和式样。
尽管应当意识到具有滑动侧翼以产生私密的环境的优点，但是集成在头枕中的噪音消除装置的实施方式不限于在图1A中示出的主体102或侧翼120和122的形状、式样和功能。滑动翼由于其不与车辆的任何周围的柱或部件相干涉而是有利的。
扬声器142将降噪信号直接传递进入使用者的头部周围的空间中，如在图1A中图示的。降噪信号与声信号相消干涉以减小车辆头枕100附近并且特别是使用者的头部附近的噪音。包括扬声器142、146和148使得在使用者的头部周围提供了大的噪音消除区域，从而产生了安静的和可使用的工作或休息环境。本领域的技术人员将会意识到，扬声器可以设置在头枕和侧翼的内部空间中的不同的位置中。而且，本领域的技术人员还将意识到，不同数量的扬声器可以被用于提供噪音消除声信号。在一些实施例中，遍布于更多数量的位置的更多数量的扬声器可以更有效地消除在距离扬声器一定距离的位置处的噪音。
例如，图1B示出了噪音消除头枕的实施例，其中，扬声器144定位在侧翼120和122中。这与在图1A中示出的实施例形成对比，在图1A中，扬声器142各自与侧翼120和122的表面齐平。在图1B中，声音从扬声器144传递通过侧孔口150并且进入使用者空间。此外，衬垫140对使用者提供了用于头部休息的舒适表面。侧翼120和122允许存在通过车辆头枕100的侧翼120和122以及噪音消除装置产生的私密的环境以及舒适的休息空间。
在一种实施例中，扬声器144安装至侧翼结构，其中，在扬声器144与侧翼结构之间包括有减振材料以减弱由扬声器144传递通过侧翼和通过头枕100的主体102的振动。在一种实施例中，减振材料为在另一实施例中，减振材料为薄的柔性膜。本领域的技术人员将会意识到，头枕、扬声器、传声器和侧翼的特征和其间的关系不限于在图1A中示出的形状和式样。
在一种实施例中，扬声器146和148使用位于扬声器146和148与头枕100的主体102的结构之间的减振材料而安装至头枕100的主体102，以便减弱由扬声器146和148传递通过头枕100的主体102的振动。
扬声器144将降噪信号传递通过侧孔口150并传递进入使用者的头部周围的空间中，如在图1B中图示的。降噪信号与声信号相消干涉以减少车辆头枕100附近的噪音并且特别是减少使用者的头部附近的噪音。包括扬声器142、146和148使得在使用者的头部周围提供了大的噪音消除区域，从而产生了安静和可使用的工作或休息环境。本领域的技术人员将会意识到，扬声器可以设置在头枕和侧翼的内部空间中的不同位置中。本领域的技术人员还将意识到，不同数量的扬声器可以被用于提供噪音消除声信号。在一些实施例中，遍布于更多数量的位置的更多数量的扬声器可以更有效地消除在距离扬声器一定距离的位置处的噪音。
图2示出了车辆头枕100的容纳前孔口104和前传声器106的部分的侧视截面图。提供了两排前孔口104，但本领域的技术人员将会意识到，前孔口104的不同的实施例也是可能的，其中，前孔口104的排数和其取向不限于在图2中图示的孔口104的布置。例如，前孔口104和侧孔口105可以设置为呈方形阵列图案、菱形阵列图案、五边形图案、六边形图案、或其它图案。孔口的大小在直径方面可以为数毫米(例如，10毫米或20毫米)，或孔口在直径方面可以是较小的(例如，一毫米或零点几毫米)。
在图2中，每个前孔口104伴随有相邻的前传声器106使得行进通过前孔口104的声音可以到达前传声器106。前孔口104行进通过覆盖材料202，通过衬垫204和206并且通过内部结构208。在图2中示出的实施例中，前传声器106配装至内部结构208中。
图3A示出了图1A的具有噪音消除装置的车辆头枕100的前视图，该噪音消除装置具有两组302和304且每组四个的前孔口104使得声信号可以进入主体102的左侧或右侧，且甚至在使用者的头部可能阻挡一些前孔口104时声信号仍然能够进入多个前孔口104。本领域的技术人员将意识到的是，也可以使用孔口104的取向的其他布置。
图3A中的侧翼120和122被示出为处于与在图1A中示出的侧翼的缩回位置相反的向前位置中。图3A图示了扬声器142在侧翼120和122中的布置。这种布置使得扬声器142安装成使得扬声器142的声音发射端与侧翼120的表面齐平。本领域的技术人员将意识到的是，扬声器142的端部也可以相对于侧翼120的表面突出或凹入。
类似地，图3B图示了与图1B对应的扬声器144的在侧翼120和122内的布置。声音通过侧孔口150在侧翼122的内部空间与外部空间之间传递，因此允许位于侧翼120和122中的传声器获得噪音信号并且允许来自位于侧翼120和122中的扬声器的降噪信号被传递至外部空间。在示出的实施方式中，侧孔口150以一列两个孔口的形式设置在侧翼120和122中。本领域的技术人员将意识到的是，侧孔口150也可以以其他构型设置。
图4示出了用于车辆头枕的噪音消除装置的替代的非限制性实施方式。本实施方式与在图1、图2和图3中示出的那些实施方式的区别在于前孔口、传声器以及扬声器402和404的选择位置。在本实施方式的一种实施例中，在不需要使侧翼420和422处于完全向前位置的情况下为使用者产生了安静和私密的休息环境。在一种实施例中，噪音消除装置将总是启用的，甚至在侧翼处于缩回位置中时也是启用的。声信号行进通过前孔口406并行进至配装至内部结构430中的传声器408。声信号还可以到达位于侧翼420和422中的传声器410、412、416和418以及到达位于车辆头枕400的后部的结构440中的传声器442和444。该信号在模拟电路或数字信号处理器中被处理并且发送至扬声器402和404。接着，降噪信号通过前孔口406被发送出以产生围绕使用者的耳朵的噪音消除区域。扬声器402和404安装有减振材料450以减小传递通过车辆头枕400的振动量。使用减振材料450有助于使使用者保持舒适。
图5图示了围绕使用者510的耳朵512的噪音消除区域532、534和536。使用者510的头部的大小被假定为美国男性头部大小的百分之95。在与如在图1A和图1B中示出的构型对应的实施例中，即在每个侧翼中定位有一个扬声器并且在头枕结构的内部定位有两个中央扬声器，与侧部扬声器对应的噪音消除区域分别由线534和536划边界。类似地，由中央扬声器产生的噪音消除区域的边界由线532给定。当侧翼520和522处于向前且可用的位置时，为使用者510提供了噪音减小的私密区域。消除区域可以通过调节来自各个扬声器的噪音消除信号的幅度、相位和延迟被定制成给定量。例如，在一种实施例中，噪音消除信号的延迟大于使声音从车辆头枕500的前表面和侧表面行进至使用者510的耳朵512所花费的时间，从而允许噪音消除区域532、534和536延伸通过使用者510的耳朵512，从而保证在使用者510周围的噪音或声音的声信号被视为更安静。
图6是描述了噪音消除装置600的信号流的图表，其中，由传声器610传导的噪音信号沿着在箭头612的方向上的线行进。在本示例中的系统的两侧是相同的，但每侧可以具有不同数量的传声器610或扬声器620。此处，对扬声器620提供的左信号和右信号都是强的，甚至在声音不能到达一个或更多个传声器610的情况下亦是如此。靠近使用者或头枕的噪音614通过传声器610感测并行进至与电源632连接的数字/模拟信号处理电路630。电源632可以采取电池的形式或者，在替代性的实施例中，电力供给可以是由车辆供给的电力。本领域的技术人员将会意识到的是可以使用不同的电力供给。
开关634是常开的，从而使得电力不接通至任何信号处理电路630。当车辆头枕的侧翼移动至向前位置中时，开关634被移动进入闭合位置，以将电力从电源632供给至任何信号处理电路630，从而为使用者产生私密的环境。在替代性的实施例中，如果希望噪音消除装置始终是启用的，那么可以省略开关634。
在一种实施例中，信号处理器630被选择为模拟信号处理电路。模拟信号处理电路630使噪音信号反相以产生相对于噪音614是反相位的降噪信号。模拟信号处理电路630还放大该信号使得扬声器610可以产生在幅度方面足够高的以与环境中的噪音614的幅度相等的信号。模拟信号处理电路630还将对信号进行适当的延迟使得在任何使用者的耳朵附近的噪音614被减小。
在一种实施例中，信号处理器630被选择为数字信号处理单元而不是模拟信号处理电路。数字信号处理单元630包括：用以接收来自传声器610的信号的模数转换器；用以将信号发送至扬声器620的数模转换器；和数字信号处理器630，该数字信号处理器630被编程为用于适当地反相、放大和延迟信号。
图7图示了噪音消除装置的基本电路的实施例的电路示意图，其中，信号处理器630被选择为模拟信号处理电路。一些元件由于其依赖于所选择的特定部件或其额定电功率而未示出，并且本领域的技术人员将会容易地理解和获得这些元件。示出的电路元件为：传声器735；模拟信号处理电路736；集成接地部750；双输入通用运算放大器(运算放大器)748；扬声器753；电源754；以及开关758，其中，该模拟信号处理电路736包括电阻器738、739和751以及电容器752。
电源754采取了可以向电路供给电力的设备的任何形式比如但是不限于集成电池或车辆电池。传声器735中的信号在将信号引导至模拟数字处理电路736的线771和772处汇合。基于测试而选择电阻器R1739和R2738的电阻以保证信号通过反馈回路737放大至用于扬声器753的合适的水平。
反馈回路737通过运算放大器748的第一(左)反相输入740、运算放大器748的第一(左)输出741以及电阻器R1739和R2738形成。类似的反馈回路通过运算放大器748的第二(右)反相输入745和第二(右)输出746连同位于电路的第二(右)侧的电阻器R1和R2形成。这些反馈回路连同运算放大器748给噪音信号提供了放大和反相功能。盒749中的电路的部分给噪音信号提供了延迟。电阻器R3751连接至地线750和运算放大器748的第二(右)非反相输入744。电容器C752也连接至运算放大器748的第二(右)非反相输入744。电容器C752和电阻器R3751的特定参数被选择成用以给信号提供所需的延迟，该所需的延迟扩大了经过百分之95的男性头部的耳朵的噪音消除区域。
类似地，运算放大器748的第一(左)非反相输入742、相同的电容器C、相同的电阻器R3以及电气接地部为电路的左侧提供了延迟。左侧的信号沿着线776从运算放大器748的第一(左)输出741移动，随后沿着线779和780分开传送以将信号发送至每个扬声器753的左输入。在第二(右)侧的其他信号沿着线775从运算放大器748的第二(右)输出746移动，随后沿着线777和778分开传送以将信号发送至每个扬声器的左输入。
通过这样的设计，在左侧和右侧的传声器735都将信号发送至每个扬声器使得即使扬声器中的一个扬声器没有输出或损坏时噪音仍然可以被适当地消除。考虑到下述事实，扬声器和传声器的数量应当不限于本实施方式：这样的电路可以从任何数量的传声器获得输入并且输出至任何数量的扬声器。通过连接至负接口743和正接口747，电源754将电力提供至运算放大器748使得运算放大器可以在电路中合适地运作。
在图7中示出的一种实施例中，仅在开关758闭合时电力被供给至噪音消除装置的运算放大器748。开关758为常开的。在车辆头枕的侧翼处于向前位置中时开关758移动至闭合位置。如果希望噪音消除装置始终启动，则开关758是不必需的。如果选择了有源扬声器，则电源754也将电力提供至传声器735和扬声器753。
为了降低电力消耗，推荐无源扬声器，尽管应当注意的是，使用无源扬声器需要进一步放大信号，这可以通过适当地选择电阻器R1738和R2739的值来实现。本领域的技术人员将会意识到的是，可以使用用于噪音消除装置的信号处理电路630的多种构型——信号处理电路630的构型的选择基于应用需求、来自传声器的可用的输入信号、幅度和待发送至系统中的特定扬声器的延迟。
所有模拟处理电路630的优点——比如在图7中示出的一种优点——是可以避免高功率消耗电子器件比如数字信号处理器、混音器、模数转换器、数模转换器、动态噪音控制器等。通过在信号处理电路630中使用较少的高功率消耗电子器件，可以在要求更小体积的包装的情况下使用更小和更轻的电源。
尽管已经描述了特定的实施例，但这些实施例仅通过示例来呈现，并且不意在限制本公开内容的教示。实际上，本文描述的新颖的方法、装置和系统可以以各种其他的形式来体现；此外，可以在不背离本公开内容的精神的情况下对本文描述的方法、装置和系统的形式作出各种省略、替换和变化。

Claims (15)

1.一种用于车辆的噪音消除头枕，包括：
位于头枕的侧部上的可滑动的侧翼；
多个传声器，所述多个传声器配置成检测音频噪音信号并输出多个第一电信号；
多个扬声器，所述多个扬声器配置成接收多个第二电信号并输出声信号；以及
噪音消除电路，所述噪音消除电路配置成接收所述多个第一电信号并输出所述多个第二电信号。
2.根据权利要求1所述的噪音消除头枕，还包括：
多个第一孔，所述多个第一孔设置成穿过所述头枕的外部层，其中，所述声信号从所述多个扬声器通过位于所述头枕中的所述多个第一孔传递至所述头枕的外部。
3.根据权利要求2所述的噪音消除头枕，其中，
位于所述头枕中的所述多个第一孔为位于所述头枕的覆盖材料和衬垫材料中的孔口。
4.根据权利要求1所述的噪音消除头枕，其中，
所述噪音消除电路配置成使所述多个第一电信号放大和反相以获得所述多个第二电信号，以及
所述噪音消除电路为包括反相放大器的模拟电路。
5.根据权利要求1所述的噪音消除头枕，其中，
所述噪音消除电路包括数字信号处理器、模数转换器以及数模转换器。
6.根据权利要求1所述的噪音消除头枕，其中，
所述多个扬声器中的每个扬声器通过使用减振材料固定至所述头枕的内部结构。
7.根据权利要求1所述的噪音消除头枕，其中，
所述侧翼能够相对于所述头枕的主体滑动，并且所述侧翼能够固定在缩回位置或向前位置中。
8.根据权利要求7所述的噪音消除头枕，其中，
所述多个扬声器包括固定至所述侧翼的内部结构的扬声器，并且所述多个传声器包括固定至所述侧翼的所述内部结构的传声器。
9.根据权利要求8所述的噪音消除头枕，还包括：
电源，所述电源具有将所述电源与所述噪音消除电路连接和断开连接的开关，其中，
当所述侧翼处于所述缩回位置中时，所述电源与所述噪音消除电路断开连接，以及
当所述侧翼处于所述向前位置中时，所述电源连接至所述噪音消除电路。
10.根据权利要求9所述的噪音消除头枕，还包括：
多个第二孔，所述多个第二孔设置成穿过所述侧翼的外部层，其中，来自位于所述侧翼内的所述多个扬声器的所述声信号通过所述多个第二孔传递至所述侧翼的外部。
11.根据权利要求10所述的噪音消除头枕，其中，
位于所述侧翼中的所述多个第二孔为位于所述侧翼的覆盖材料和衬垫材料中的孔口。
12.根据权利要求7所述的噪音消除头枕，还包括：
锁定机构，所述锁定机构用于将所述侧翼固定在所述向前位置或所述缩回位置中，当所述锁定机构接合时，所述锁定机构防止所述侧翼滑动，而当所述锁定机构断开接合时，所述锁定机构允许所述侧翼相对于所述头枕的所述主体滑动。
13.根据权利要求8所述的噪音消除头枕，其中，
当所述侧翼处于所述向前位置中时，固定至所述侧翼的所述内部结构的所述扬声器与所述侧翼的外部直接地相连接。
14.根据权利要求3所述的噪音消除头枕，其中，
所述多个传声器包括前传声器，所述前传声器各自设置成与所述多个第一孔中的相应的孔相邻。
15.根据权利要求4所述的噪音消除头枕，其中，
所述噪音消除电路包括多个运算放大器，每个运算放大器配置成对所述多个扬声器中的每个扬声器上的相应的输入进行驱动。
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