CN107431426A - 用于远程提供来自振动换能器的振动的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于在距离振动换能器一定距离处提供机械振动的系统以及相应方法，所述系统用于连接到所述振动换能器的壳体，包括：至少一个远程振动单元，所述远程振动单元包括通过振动传导元件可操作地连接到振动换能器的振动垫，以及设置在振动垫与换能器之间的路径中的可选择性切换连接器，用以选择性地断开振动传导元件。

Description

用于远程提供来自振动换能器的振动的系统

背景技术

动物主要通过耳朵感知振动。人类的耳朵能够在宽广的频率范围内感知振动作为可听见的声音。

在可听见的范围内，听觉振动被体验为声音。要想高质量地还原音乐需要优质的扬声器。为了在低音部提供可听见的感知，需要非常大的扬声器。个人耳机不能有效地在可听频谱的低音区，即＜250Hz的范围内提供深沉音。耳机只能微弱地拾取低音信号，这也是人们通过耳机听音乐时倾向于使用高音量的一个原因，尽管这通常对耳朵有害。在音乐厅里，一些低音通过脚感知地板的振动以及身体感知座椅的振动而被感知。

类似地，为了使个人能够体验低音，例如当用耳机收听DVD、MP3、MP4或者智能手机时，可以将机械振动器与身体接触。优选的位置是在听觉经络上，例如靠近胸骨的部位和脊柱的底部，或者在腿或脚上。这样可以提供感觉到的而不是听到的感知，并且这样可以提供或者有助于身临其境的效果，特别是当通过耳机和屏幕提供听觉和视觉并与其同步时。因此，可以通过向身体提供低频信号来增强音乐、电子游戏和电影的体验。

能够提供低频振动的机电振动器可以包括由螺线管和通过螺线管中的交流电吸引和排斥的磁体组成的偏心马达或者活塞。

在先前提交的专利申请中，WO2012/028973“个人媒体播放系统”和题为“可穿戴式振动设备”的WO2012/029009讨论了振动设备及其增强媒体体验的用途。

所述设备用于接收低频电子信号和产生低频振动，特别是用于增强穿戴者对音乐、游戏和电影的乐趣。

所述设备可以被固定到身体上，并可以以低频率振荡，从而提供可以给予低音信号感知的低频振动。信号在设备所在的位置被感知。如果设备放置在刚性基座上，可能会在该基座的任何位置感觉到振动。如果设备被连接到柔性织物上，例如一件衣服，则信号通常是阻尼的并且仅在设备的紧邻处可以被感知，所述装备通常需要对着身体。

能够在一定频率范围内提供大振幅振动的高品质振动设备是昂贵的。有些时候人们希望能够选择性地向不同的位置提供信号。然而，每个单独的高品质振动换能器都是昂贵的。

发明内容

第一方面涉及一种用于在与振动换能器相距一定距离处提供机械振动的系统，所述系统连接到振动换能器的壳体，并且包括：

至少一个远程振动单元，

所述远程振动单元包括通过振动传导元件可操作地连接到振动换能器的振动垫，以及位于振动垫与换能器之间的路径中的可选择性切换连接器，用以选择性地断开振动传导元件。

通常地，所述振动传导元件是线。

任选地，所述振动传导元件选自吉他线或者钢琴线。

在一些实施方案中，所述线穿过空气或者穿过织物的编织物。

在一些实施方案中，所述可切换连接器包括可滑动地插入螺线管线圈的金属块和配置为将金属块保持在不传递振动的位置的弹簧，而向螺线管施加信号可迫使金属块成为闭合系统，使得振动从换能器传递到振动垫。

在一些实施方案中，所述可切换连接器连接到选自以下的位置：

(i)振动传导元件的端部和换能器壳体；

(ii)振动传导元件的端部和振动垫，以及

(iii)串联设置在可切换连接器周围的两段振动传导元件。

在一些实施方案中，所述可切换连接器安装在减震材料上，使得能够穿过处于断开状态的可切换连接器的信号被显著衰减。

在一些实施方案中，所述振动换能器可调地在一定频率范围内提供振动。

在一些实施方案中，所述振动换能器包括具有大直径圆角的基本对称的梯形金属框架、固定连接到一个平行侧边的一对磁体以及连接到相对的另一平行侧边的线圈，使得线圈的对称轴位于梯形框架的对称轴上，使得施加到线圈的电信号促使磁体垂直于对称轴转移，并且使得梯形框架在其平面内振动。

通常地，所述振动换能器的振动器金属框架包括钢。

在一些实施方案中，所述振动器金属框架具有恒定的厚度和在平行侧边恒定但沿两个非平行侧边变化的宽度。

在一些实施方案中，非平行侧边具有平稳变化的宽度，并且在腰部变窄。

在一些实施方案中，所述换能器能够在低音频率范围内以高振幅振动。

在一些实施方案中，所述换能器配置为在超低频率范围内以高振幅振动。

在一些实施方案中，所述换能器配置为当提供非对称波形信号以提供方向性感知时，提供力反馈。

在一些实施方案中，所述换能器可连接到信号发生器。

在一些实施方案中，所述换能器可连接到电源。

在一些实施方案中，所述换能器由电池供能。

在一些实施方案中，至少一个振动垫可连接到对象上的某个位置，以提供局部振动刺激。

在一些实施方案中，至少一个振动垫可插入到体腔中。

在一些实施方案中，振动能够从一个振动垫切换到另一个振动垫，使得感知从一个位置移动到另一个位置。

在一些实施方案中，振动垫具有足够的动量，使得在不施加振动的情况下，其能够非常快速地停止振动。

附图说明

为了更好地理解本发明并示出如何实施本发明，现在将仅通过示例的方式参考附图。

现在具体参考详细的附图，应当强调的是，所示的细节仅通过示例的方式并且仅为了解释性地讨论本发明的优选实施例，并且所示的细节被呈现是为了提供被认为是对本发明的原理和概念方面最有用和最容易理解的描述。考虑到这方面，不致力于显示比基本理解本发明所必须的更详细的本发明的结构细节；用附图进行描述本发明的几种形式如何在实践中具体化，对于本领技术人员来说是显而易见的。在附图中：

图1是根据本发明的一个实施方案的方法的流程图；

图2是根据本发明的一个实施方案的触觉换能器的示意图；

图3是根据本发明的另一个实施方案的附加了连接在重心附近的锚状物的触觉换能器的示意图；

图4是为图3的换能器设计的用于提供定向拖曳的特定波形；

图5是现有技术的三角波形，其具有陡峭的冲击频率和平缓的衰减频率；

图6是现有技术的一系列三角波形，其特征在于陡峭的冲击频率和平缓的衰减频率；

图7是现有技术的一系列三角波形；

图8是本发明的一个实施方案，其中连接器通过开关连接到触觉换能器的静态元件；

图9更详细地示出了连接器和开关；

图10示出了第二实施方案，其中连接器连接到包围换能器的壳体，并将开关配置为可以选择性地将连接器与振动垫连接和断开，以及

图11示出了第三实施方案，其中第一连接器连接到包围换能器的壳体，并通过开关连接到第二连接器，所述开关配置为可以选择性地连接和断开两个连接器，从而选择性地将振动垫与振动器连接和断开。

具体实施方式

优选实施方案的目的是向人提供低频的触觉。

在一些实施方案中，共同提供触觉、听觉和视觉，以提供身临其境的体验。

低于约20Hz的极低振动称为次声，其无法被耳朵听到或者被有意识地探测到，但是可以被潜意识地感知到。有大量证据表明，次声可以被身体感知到，而且可能是不安或者焦虑的情绪的诱因。

地震会产生次声。已经发现这种低频振动带来了焦虑和压力的情绪。闹鬼的房屋和超自然现象已经归因于这种低频振动。

已经发现大量的正弦次声振动会影响人的情绪。如果这些信号与适当的听觉和视觉刺激一起提供，则会感觉到特定的情绪，例如紧张、不安和焦虑。

当观看刻画恐怖、悬疑或者困扰的电影场景时，适当的低频信号可以增强悬念的感觉，并为听觉和视觉刺激提供额外的感官知觉水平。

地震会产生次声。已经发现这种低频振动带来了焦虑和压力的情绪。闹鬼的房屋和超自然现象已经归因于这种低频振动。

出乎意料地发现，机械换能器包括通过钢带连接到磁性阵列的螺线管线圈，使得磁体围绕线圈的轴线排列，并且与线圈稍微分离，所述机械换能器能够将非常低频的电信号变成磁性阵列相对于线圈轴线的侧向运动。

当换能器通过围绕身体部分的带子(例如腰带或者项链)连接到人时，或者通过夹具连接到人的服饰上时，穿戴者能够感觉到换能器的运动。

需要注意的是，可以通过位于单个位置的单个换能器来检测和感知这种低频振动。然而，优选地，将相同或者稍微不同的信号施加到两个手腕或者两只脚或者位于背部的换能器，而将第二换能器置于胸部，以增强效果。

实现此目的的一种方法是施加多个换能器，在每个感兴趣的位置施加一个换能器。然而，高品质的换能器是昂贵的。

本发明通过提供一种包括单个换能器的系统来解决这个问题，所述换能器配置为刺激对象上的多个独立的位置。

参考图1，向人提供个人体验的方法包括以下步骤：(a)提供触觉换能器；(b)将触觉换能器连接到锚状物；(c)向振动换能器提供超低频电信号，以及(d)在所述锚状物中产生振动，以被人感知。

参考图2，在一个实施方案中，触觉换能器10包括钢制闭合回路12，在近端处连接到闭合回路12并通过近端加强板16加固的螺线管14，以及在远端处连接到闭合回路12的磁性阵列18，其通过与螺线管14相对的远端板20加固，磁性阵列18围绕着螺线管14的轴线X-X对称设置，从而在螺线管14中的电流改变使得磁性阵列18沿着与螺线管14的轴线X-X大致垂直的路径从一侧移动到另一侧L-R，钢制闭合回路12使得磁体18与螺线管14保持分离，但使得它们能够从一侧到另一侧振动。

在一个实施方案中，磁性阵列18包括一对反向设置的按钮磁体18a、18b，使得一个磁体18a设置为指南端朝向螺线管14，另一个磁体18b设置为指北端朝向螺线管14。在这种结构中，当交流电流流过围绕在螺线管14上的导线时，螺线管14朝向磁性阵列18的端部被交替地磁化指北和指南(根据右手定则)。当上表面15被磁化指北时，磁体18a的指南面被吸引，而磁体18b的指北面被排斥，换能器10的远端移向右边，回路12的柔性允许侧向移动，但是防止磁体朝着靠近或者远离螺线管14的方向移动。相反地，当上表面15被磁化指南时，磁体18b的指北面被吸引，磁体18a的指南面被排斥，换能器10的远端移向左边。

如果换能器的杆或锚状物22连接到服饰或者绑在身体上，那么身体可以通过锚状物22感觉到左右移动。

在一个实施方案中，闭合回路12包括S1010钢，磁体18是铌磁体。闭合回路12的刚性和弹性用于使磁性阵列18返回到其静止位置，即围绕螺线管14的轴线X-X对称设置的位置。

低频的对称波形被感知为低频振动，例如正弦波形。当信号的频率小于约20Hz时，换能器可以提供情绪的感觉。

当超低频信号是非对称信号时，触觉换能器10的运动引起提供方向感觉的拉拽效应。因此，诸如图4所示的非正弦信号，甚至是锯齿信号，可以向换能器提供定向运动，其被感知为拖曳。

参考图3，在一个优选实施方案中，锚状物24连接到触觉换能器100的重心附近，例如可以通过连接到螺线管14的非导电夹具26连接。

通过将锚状物24连接到重心位置，能够增强由非对称波形产生的定向拖曳。

在一些实施方案中，触觉换能器100穿戴在身体上，并直接向身体提供触感。这对于低频情绪诱发感觉是特别有效的。

可选地，触觉换能器连接到诸如座椅的接口，或者连接到用于游戏控制台(例如任天堂Wii、微软Xbox 360或者索尼PlayStation 3)的控制接口。控制接口可以是用于玩一般游戏的操纵杆、用于控制汽车或自行车的方向盘或车把、用于玩魔术幻想游戏的魔杖或者用于感知身体运动的平台，用以模拟呼啦圈、滑雪和类似应用。

例如，本发明的换能器10(100)可以连接到用于在计算机游戏中驾驶车辆的方向盘。换能器可以向玩家提供转向阻力，该阻力可以与正在导航的虚拟地形图同步，以向玩家提供例如离心力的感觉。

类似地，换能器可以连接到摩托车的把手或者街机游戏的水上自行车，以提供转向阻力。一个或多个换能器可以连接到电子街机游戏中的摩托车或水上自行车的脚踏板和/或座椅，以提供低频振动，该低频振动提供跨坐在强劲的发动机上的感觉以及指示地形的叠加振动。

通过提供设置在不同方向的多个触觉换能器，可以产生加速、减速、左转、右转、向上拉、向下拉、向前拉和向后拉。

而且，称为次声的低于约20Hz的极低频振动无法被耳朵听到，或者被有意识地检测到，但是可以被潜意识地感知到。有大量证据表明，次声可以被身体感知到，而且可能是不安或者焦虑、压力、恐慌或者普遍不安的情绪的诱因。

无论是连接到身体，还是连接到魔杖、控制台或座椅，换能器可以提供产生或增强情绪的低频振动。如果人还暴露于与触觉频率同步的声音或者视觉刺激中，情绪的感觉会被增强。

例如，在电影或者游戏中，玩家可以暴露于声音或视觉刺激中，也可以暴露于次声振动中，以提供困扰的情绪。例如，对于幻想应用，这可以提供非常好的身临其境的体验，增强神奇的体验。还有包括次声振动在内的自然现象。例如，这些现象包括崩解形成冰山的冰川。值得注意的是，老虎的吼声包括约18Hz的次声振动，这有助于吼声引起的惊恐感觉。应当理解的是，次声信号可以与可听见的声音和/或图像耦合，以提供这种自然现象增强的感觉和改进的身临其境的体验。

应当理解的是，对于电影和游戏应用，本发明的触觉换能器可以与投射到屏幕、特殊眼镜或者人的视网膜上的图像以及通过耳机或扬声器产生的声音进行组合。触觉换能器可以与加速计以及其他触觉传感器一起作为控制台、智能手机等的一部分

低频和定向振动的应用不仅仅适用于娱乐。应当理解的是，对特定身体部位的低频振动也可以提供治疗的效果。非对称信号的应用可以提供产生健康感觉的定向刺激和刺激血液循环、缓解肌肉痉挛并具有其他有益效果。

参考图4，示出了用于向图3的换能器提供定向效果的示例性波形。信号的结构是200Hz正弦波的冲击信号与具有50Hz频率的维持、衰减&释放信号的组合。波的振幅为+4dB，信号的释放以-22dB的单一强度结束。应当理解的是，已经为如图3所示的特定换能器开发了这种波，各种参数的变化都可以影响最佳信号的形状，例如螺线管的圈数，磁体的尺寸和强度，弹性系数和钢带12的尺寸。

为了理解图4的信号如何与本发明的换能器10(100)相互作用，现在解释一系列更加简单的波。

参考图5，示出了锯齿状波形。锯齿波导致突然的向左拖曳。衰减到右边需要6倍的时间，因此没有真正的感觉。

参考图6，图5的一系列锯齿状波形随着逐渐增加的振幅，提供向左的连续拉力，而不是突然的拖曳。

图7示出了与图6一起的一系列锯齿波形，其提供了向左的稳定的拉力，之后是第二系列锯齿状波形，该波形具有向右侧的急剧上升，之后是相对较长时间的衰减。接收图7的波形的换能器经历向左的稳定的拉力，然后平稳地向右拉动。

到目前为止描述的换能器10的限制是其将信号施加到特定的位置。例如，为了提供优质的游戏体验，或者在音乐、游戏或电影中的身临其境的体验，向多个位置提供无论是音乐的还是体验的刺激是有用的。

如前文所述，可以提供多个换能器10，每个换能器10分别位于不同的特定位置，以刺激身体的不同部位，无论是否穿戴，或者无论是否在用于计算机模拟的控制台的不同部分、电影院座椅的不同区域等中，以通过座椅向每只手、盆骨、背部等提供刺激。

然而，这样做是昂贵的，特别是在换能器的品质非常高，因此成本也很高的情况下。

参考图8，示出了用于在距离振动换能器100一定距离处提供机械振动的系统。所述系统包括远离换能器100的振动垫60。所述振动垫60通过传导元件50连接至换能器，传导元件50通常是线，例如吉他弦或者钢琴线。通常来说，所述传导元件连接至锚状物24，所述锚状物24通过在振动垫60和换能器100之间的路径中的可选择性切换连接器30连接至触觉换能器的重心附近或者振动换能器的壳体，以实现选择性地断开振动传导元件。

所述传导元件50可以穿过空气或者穿过导管或者管子，例如自行车的刹车线缆的外壳。如果被设计为穿戴式，则传导元件50可以穿过服饰的织物。

尽管图8示出了仅通过一个开关连接到一个振动垫60的一个传导元件50，但是应当理解的是，可以将多个这种系统连接至单个换能器100，从而向多个位置提供刺激。

通常，所述振动垫60被设计为具有足够的动量，使得在不施加振动的情况下，振动垫60能够非常快速地停止振动。

现在参考图9，可切换连接器30包括壳体34和可滑动地定位在其中的铁块40，所述铁块40能够在提供给螺线管线圈38的信号驱动下而在壳体内往复运动。提供弹簧36，所述弹簧配置为将铁块40保持在不传递振动(处于自然断开时)的位置，而向螺线管线圈38施加的信号迫使铁块40处于闭合接通位置，从而通过传导元件50将振动从换能器100传递至振动垫60。在壳体34与换能器100之间设置有诸如橡胶垫圈的减震器32，使得当可切换连接器30处于断开位置时，振动不会通过壳体34明显地传递至传导元件50。当处于接通位置时，换能器100的振动通过铁块40并经过传导元件50传递至振动垫60。

参考图10，在第二实施方案中，可切换连接器130可以连接在振动传导元件150与振动垫160之间的振动传导元件150的端部。

参考图11，在第三实施方案中，可切换连接器130可以连接在振动传导元件的两段250、255之间，其中一个传导元件连接到换能器的壳体210，另一个传导元件连接到振动垫260。

在三个实施方案中，当处于接通位置时，振动传导元件通过可切换连接器将振动从换能器传递至振动垫，当处于断开位置时不传输信号，从而能够选择性地激活振动垫。在不同的位置使用不同的振动垫，可以增强用户体验。

远程振动垫被设计为用于增强音乐和游戏，但是应当理解的是，他们可以替代地或者额外地用于向一个或者多个对象的体腔或者体腔中的一个或者多个位置提供色情刺激。

根据权利要求1所述的系统，其中所述振动换能器包括具有大直径圆角的大致对称的梯形金属框架，固定连接到一平行侧边的一对磁体，以及连接到相对的另一平行侧边的线圈，使得线圈的对称轴位于梯形框架的对称轴上，使得施加到线圈的电信号促使磁体垂直于对称轴移动，并且使得梯形框架在其平面内振动。

根据权利要求1所述的系统，其中所述振动换能器的振动器的金属框架包括钢。

根据权利要求9所述的系统，其中所述振动器的金属框架具有恒定的厚度和在平行侧边处恒定但沿两个非平行侧边变化的宽度。

根据权利要求11所述的系统，其中非平行侧边具有平稳变化的宽度并在腰部变窄。

根据权利要求11所述的系统，其中所述换能器能够在低音频率范围内以高振幅振动。

根据权利要求11所述的系统，其中所述换能器配置为在超低频率范围内以高振幅振动。

根据权利要求11所述的系统，其中所述换能器配置为当提供非对称波形信号以提供方向性感知时，提供强制反馈。

参考图12，从单个换能器向一个或者多个远程位置提供振动的方法包括：通过振动传导元件将每个远程位置的振动垫连接到换能器，将可切换连接器切换到接通位置，施加信号。

换能器自身连接到信号发生器，所述信号发生器向换能器的螺线管提供信号以产生期望的振动，所述信号可以是各种频率、振幅和波形中的任何一种。换能器可连接到电源或者由电池供电。

通过向一个振动垫提供信号，然后向另一个振动垫提供信号，以提供从一个位置到另一个位置的移动感。

上文已经描述了本发明的几个实施方案。然而，应当理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施例在所附权利要求的范围内。

因此，本领域技术人员应当理解的是，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反地，本发明的范围由所附权利要求限定，并且包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及本发明的变化和修改，这将发生在本领域技术人员阅读前文的描述之后。

在权利要求中，词语“包括”及其变形体，例如“包含”、“包括”等，表示包括所列出的部件，但通常不排除其他部件。

Claims (23)

1.一种用于在与振动换能器相距一定距离处提供机械振动的系统，所述系统连接到所述振动换能器的壳体，所述系统包括：

至少一个远程振动单元，

所述远程振动单元包括振动垫和可选择性切换连接器，所述振动垫通过振动传导元件可操作地连接到所述振动换能器，所述可选择性切换连接器设置在所述振动垫与所述振动换能器之间的路径中以选择性地断开所述振动传导元件。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动传导元件是线。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动传导元件选自吉他线或者钢琴线。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动传导元件包括线，所述线包含选自金属、合金、塑料和玻璃的材料。

5.根据权利要求2所述的系统，其中所述线穿过空气或者穿过织物的编织物。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述可切换连接器包括可滑动地插入螺线管线圈的金属块和配置为将所述金属块保持在不传递振动的位置的弹簧，而向所述螺线管施加信号迫使金属块形成闭合系统，使得振动从所述振动换能器传递到所述振动垫。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述可切换连接器连接到选自以下的位置：

(i)所述振动传导元件的端部和所述振动换能器的壳体；

(ii)所述振动传导元件的端部和所述振动垫，以及

(iii)串联设置在所述可切换连接器周围的两段振动传导元件。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述可切换连接器安装在减震材料上，使得能够穿过处于断开状态的所述可切换连接器的信号被显著衰减。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动换能器可调地在一定频率范围内提供振动。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动换能器包括具有大直径圆角的基本对称的梯形金属框架、固定连接到一个平行侧边的一对磁体，以及连接到相对的另一平行侧边的线圈，使得线圈的对称轴位于梯形框架的对称轴上，使得施加到线圈的电信号促使磁体垂直于对称轴转移，并且使得梯形框架在其平面内振动。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动换能器的振动器金属框架包括钢。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述振动器金属框架具有恒定的厚度以及在平行侧边处恒定但沿两个非平行侧边变化的宽度。

13.根据权利要求12所述的系统，其中非平行侧边具有平稳变化的宽度，并且在腰部变窄。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述振动换能器能够在低音频率范围内以高振幅振动。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述振动换能器配置为在超低频率范围内以高振幅振动。

16.根据权利要求12所述的系统，其中所述振动换能器配置为当提供非对称波形信号以提供方向性感知时，提供力反馈。

17.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动换能器可连接到信号发生器。

18.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动换能器可连接到电源。

19.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动换能器由电池供能。

20.根据权利要求1所述的系统，其中至少一个振动垫可连接到对象上的某个位置以提供局部振动刺激。

21.根据权利要求1所述的系统，其中至少一个振动垫可插入到体腔中。

22.根据权利要求1所述的系统，其中振动能够从一个振动垫切换到另一个振动垫，使得感知从一个位置移动到另一个位置。

23.根据权利要求1所述的系统，其中所述振动垫具有足够的动量，使得在不施加振动的情况下，其能够非常快速地停止振动。