CN108472686B - 用于声音的音频-触觉空间化和低音的感知的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的设备和方法提供安静、紧凑、坚固的硬件，其可以以感知上恒定的强度准确地产生宽范围的触觉频率。为了更好的表现力，还公开了用于在多个轴中移动皮肤的一些设备。提出了信号处理方法以增强对音频空间化的用户体验。方法将音频信号转换成与皮肤的时间分辨率匹配并利用定向触觉幻觉的定向触觉提示。

Description

用于声音的音频-触觉空间化和低音的感知的设备和方法
背景技术
许多耳机用户对于音频空间化很感兴趣，例如，玩家(我的对手在哪里？)、发烧友(大提琴在哪里？)和飞行员(地面控制在哪里？)。可以通过传统耳机呈现位置提示，以例如在视频游戏中示意对手脚步的位置。正常人类的两只耳朵的排列、耳廓的复杂形状以及其它听觉系统的计算能力为声音定位提供复杂的工具。
这些工具包括：头部相关变换函数(HRTF)，其描述在声音到达鼓膜和内耳的转换机器之前，给定的声波输入(参数化为频率和源位置)如何通过头部、耳廓和躯干的衍射和反射特性来过滤；耳间时间差(ITD)(当一只耳朵比另一只耳朵更靠近声波源时，声音会比距离声源较远的耳朵更快到达距离声源较近的耳朵)；以及耳间水平差(ILD)(因为声压随着距离而下降，距离较近的耳朵会比距离较远的耳朵接收更强的信号)。这些提示一起允许人类和其它动物在现实世界中快速定位可能表示危险和其它重要情况的声音。然而，在再现声音的人造环境中，尤其是通过耳机再现声音时，定位可能更具挑战性。
利用接触提供额外的信息可以提供增强对声音位置的感知的另一种手段。
发明内容
公开了用于声音的音频-触觉空间化和低音的感知的设备和方法。本发明的设备和方法提供安静、紧凑、坚固的硬件，其可以以感知上恒定的强度准确地产生宽范围的触觉频率。为了更好的表现力，还公开了用于在多个轴中移动皮肤的一些设备。提出了信号处理方法以增强对音频空间化的用户体验。方法将音频信号转换成与皮肤的时间分辨率匹配并利用定向触觉幻觉的定向触觉提示。
在一些实施例中，提供了用于通过电磁致动运动向用户生成触觉定向提示的设备。设备包括第一耳罩和第二耳罩，第一耳罩被配置为位于用户的第一个耳朵附近，第二耳罩被配置为位于用户的第二个耳朵附近。每个耳罩包括：振动模块，其在基本上平行于用户的头部的矢状面(sagittal plane)的平面内产生运动；以及垫，其与振动模块物理接触。每个耳罩的振动模块可独立寻址，并且同时传送到每个振动模块的电信号在每个振动模块中产生独立的振动模式。当独立的振动模式被施加到用户的皮肤时，该独立的振动模式产生定向指示的触感。在一些实施例中，每个耳罩可以包括两个或更多个可独立寻址的振动模块，以提供更精细的定向指示的触感。在另外的实施例中，传递到每个振动模块的电信号在时间上彼此偏移，优选地，至少20ms。在另外的实施例中，电信号可以在波形正在一个方向上移动时较快速地加速振动模块中的至少一个并且在波形正在相反方向上移动时较缓慢地加速振动模块中的至少一个。
在一些实施例中，提供了一种设备，其包括用于再现作为声音的音频波形的电声驱动器和用于产生电磁致动运动的触觉器(tactor)。设备进一步包括一个或多个耳罩或框架。每个耳罩或框架将电声驱动器定位在用户的耳道附近并且将触觉器定位成与用户的皮肤直接或间接接触。每个触觉器能够沿着至少一个轴线产生运动，并且两个或更多个触觉器位于所述用户头部的同一侧附近。优选地，每个触觉器都是独立可寻址的并且在与用户的矢状面平行的平面内产生运动。在一些实施例中，耳罩或框架相对于用户的耳朵在前方方向上定位一个或多个触觉器，并且相对于用户的耳朵在后方方向上定位一个或多个振动模块。在这些和其它实施例中，耳罩或框架相对于用户的耳朵在向上方向上定位一个或多个触觉器，并且相对于用户的耳朵在向下方向上定位一个或多个振动模块。
在一些实施例中，提供振动模块，其沿第一轴线和第二轴线产生电磁致动运动，其中第一和第二轴线位于基本上相同的平面中。振动模块包括第一导电线圈和第二导电线圈，其中所述第一线圈被配置为产生与由所述第二线圈产生的磁场的方位基本上正交的磁场。振动模块还包括与由所述第一导电线圈产生的磁场对准的一对磁体和与由所述第二导电线圈产生的磁场对准的一对磁体。此外，振动模块包括：可移动构件，其由至少磁体或所述导电线圈形成；悬架，其相对于所述磁体或所述导电线圈中的另一个引导所述可移动构件；以及至少一个阻尼构件，其与所述可动构件连通。所述触觉器中的至少一个可以独立于位于所述用户头部的同一侧附近的触觉器中的至少另一个而被驱动。
在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施方式的细节。从说明书和附图中，其它特征和优点将显而易见。
附图说明
为了更充分地理解本发明的实施例，参考结合附图的以下描述，其中：
图1a和图1b分别示出根据本发明的现有技术和实施例的脚步感知的图形表示；
图2示出根据各个实施例的佩戴输送位置信息的触觉增强型耳机的人的俯视平面图；
图3示出用于触摸的等感觉曲线的现有技术图；
图4a至图4c示出根据现有技术(图4a)和本发明的实施例(图4b和图4c)的用于触摸的等感觉曲线的图；
图5示出根据各个实施例的针对恒定皮肤速度输出而优化的接触触觉(taction)模块的系统动力学模型；
图6示出根据各个实施例的对触觉器施加阻尼的频率响应的影响的图；
图7示出根据各个实施例的被配置为基于频率衰减触觉换能器和原音的交叉电路(crossover circuit)的频率响应的图；
图8示出根据一些实施例的包括交叉电路、接触触觉驱动器和传统驱动器的音频-触觉系统的示意图；
图9示出根据一些实施例的包括交叉电路、接触触觉驱动器和传统驱动器的可选音频-触觉系统的示意图；
图10a和图10b示出根据一些实施例的另一音频-触觉系统的示意图；
图11示出根据一些实施例的又一音频-触觉系统1100的示意图；
图12示出根据一些实施例的包括设置有前触觉器和后触觉器的耳机罩组件的简化的耳机的立体图和截面细节；
图13a示出现有技术杜比7.1环绕声格式的声道的图形表示；
图13b示出根据各个实施例的使用多个触觉器来编码多声道空间信息的图形表示；
图14示出根据各个实施例的由7.1编码程序与由两个音频驱动器和四个触觉器构成的耳机系统的示例性映射的示意图；
图15示出根据各个实施例的低频效果(LFE)通道到触觉器的示例性映射的示意图；
图16a和图16b示出根据各个实施例的经由触觉提供定向力的感觉的图形示图；
图17示出产生定向力的感觉的波形的现有技术图示；
图18示出根据各个实施例的产生定向力的感觉的波形的图；
图19示出根据各个实施例的用于将非定向波形处理成产生定向力的感觉的波形的示例性方法的图形示图；
图20示出根据各个实施例的用于将非定向正弦波变换为定向正弦波的代码；
图21a至图21d示出根据各个实施例的将正弦波变换为定向正弦波的效果信号处理的示例性图；
图22示出根据各个实施例的用于将非定向正弦波变换为定向正弦波的另一示例性方法的图；
图23示出了根据各个实施例的用于将非定向正弦波变换为定向正弦波的示例性伪代码；
图24至图26示出根据各个实施例的提供基于时间的触感的图形表示；
图27a和图28b分别示出根据各个实施例的可以用于独立于具有触觉的耳机壳体而移动垫的部件的简化局部平面图和分解剖视图；
图28示出根据各个实施例的悬架系统的立体图，该悬架系统包括搁置在第一板上并且支撑具有部分地使圆顶变形的突出的凸台的第二板的弹性圆顶；
图29a和图29b示出根据一些实施例的悬架的可选立体图；
图30a和图30b示出根据各个实施例的悬架系统部件的立体分解图和立体图；
图30c和图30d示出根据各个实施例的图30a和图30b的悬架系统部件的平面图和截面图；
图31示出根据各个实施例的具有提供有界相对运动的三个系绳滚珠轴承的耳罩的分解图；
图32示出根据各个实施例的挡板的简化平面图，在该挡板上安装有用于两个触觉器的导电线圈；
图33a和图33b分别示出根据各个实施例的图33a的简化平面图，其示出如何利用具有三个触觉器的阵列和四个触觉器的阵列来实现运动的各种矢量；
图34a示出根据各个实施例的安装在分离的板上的触觉器的局部平面图；
图34b示出根据各个实施例的位于耳机弧部中的触觉器的立体图；
图35a和图35b分别示出现有技术中已知的耳机和低型(low-profile)垫支撑件中常见的泡沫的截面图；
图35c示出根据各个实施例的将各向异性结构结合到耳罩中的分解图；
图36示出根据各个实施例的示出各向异性材料可以如何增强耳机的触觉能力的示例性图；
图37a示出根据各个实施例的用作冲击装置操作的触觉器的图；
图37b示出根据各个实施例的无可折叠弹性元件的触觉器的机械部件的简化分解图；
图37c示出根据各个实施例的示例性可折叠弹性元件的立体图；
图37d和图37e示出根据各个实施例的可折叠元件定位并悬挂框架内的移动物体的触觉器的截面图；
图38a和图38b示出根据一些实施例的触觉器的详细截面图和分解图。
具体实施方式
低于200赫兹的频率可以通过声音和触摸感受到，这是任何一个在胸部已经“感受到强烈舞曲音乐的节拍”或者将他们的手放在钢琴上的人都很熟悉的事实。因此，当提供适当的设备和信号时，触觉对于听者提供很大帮助。加入适当处理的声音衍生的触觉刺激可以改善声音定位的感觉。加入触觉刺激(“接触触觉”)对于那些喜欢响亮音乐的人也很感兴趣，因为它可以在减小的原音音量下为听者提供增强的强度，从而避免听力受损。
通过增强具有接触触觉的声音中已经存在的方向提示，可以实现许多优点。本发明的一些实施例旨在传递触觉耳间水平差异(TILD)。由本发明提供的增强可以利用简单的示例来理解：观察者目睹另一个人在谐振地板上行走，如图1a和图1b所示。例如，在虚拟现实环境中，或者在玩家试图在对手找到她之前寻找对手的视频游戏中，该信息可能是相关的。在现有技术中，关于事件(撞击地板104的脚102)的信息经由到达观察者108的耳朵的声波106传送。当观察者与发生事件的声音处于相同房间时，声波通过空气传播到观察者的耳朵；当事件已经被记录并通过耳机110回放时，通常将其作为由耳机中的驱动器转换成声音的电信号来传送。
图1b示出本发明的实施例提供的触觉增强的图形表示。如果楼层122上的脚步120具有(或者被人为地增强以包括)在触觉范围(～5-200Hz)内的音频内容，则声学ILD也可以被表现为(除了传统音频之外)对具有两个或更多个触觉器的阵列的头部的皮肤的物理振动，使得较靠近声源的一侧上的触感更强。这种类型的触觉信号可以类似于具有将声源连接到用户的耳罩128的虚拟杆124，其中杆仅传递脚部撞击地板的机械振动126。第二虚拟杆130可以被认为是将脚步的物理振动传输到远侧(未示出)的耳朵，但是具有相对衰减。观察者很可能处理接触触觉的幅度的差异作为在信号较强的一侧上的信号的起源的指示。
经由使用接触触觉的相对幅度差异传送空间信息的信号的传输可以利用两个触觉器来实现——每个位于头部的一侧。触觉器可以被用于传送更加复杂的信号。例如，如果耳机的耳罩或其一部分可以可选地向前、向后或向上或向下推动，则可以传达更多的信息，包括物体移动的方向，诸如在空中的对手的脚。通过这个比喻和其它，人们可以想象适当表现的耳机如何自然地增加空间音频的提示。
使用低保真致动器在头部和躯干的皮肤上播放音调的研究已经表明，触觉提示可以单独加速音频反应时间，并且可以帮助用户辨别方向(由J.B.F.van Erp和B.P.Self于2008年在北约科学和技术组织发表的用于空气、海洋和陆地环境中的定位、导航和通信的RTO-TR-HFM-122-触觉显示器)。
因此，发明人在左/右辨别任务中进行反应时间的测量，以查看从音频导出的低频振动是否可以在向接触耳机垫的皮肤上显示时提供类似的益处。耳机在矢状面中产生阻尼的电磁致动运动，如先前在申请号为14/864,278中公开的，现在公布号为US9,430,921，其公开通过引用整体并入本文。测试中三名受试者的改进的平均响应时间为60毫秒，表明增加的触觉信号使用户能够更快速地响应左侧刺激或右侧刺激。
在由发明人和同事进行的另一初步研究中，研究了音频衍生的触觉刺激对用户的偏好听力水平的影响，以查明增加皮肤振动是否将降低用户的优选声学音量(由Schweitzer,H.C.和Biggs,J.于2014年在佛罗里达州的奥兰多举办的美国听力学会年会上发表的多感官耳机创新的听力保护前景)。平均而言，发明人的研究中的5名受试者在增加皮肤振动时将其优选的声学音量降低了4dB。由于NIOSH听力安全指南显示，4dB的降低相当于将声音暴露时间缩短一半以上，因此在听力保存方面，该音量减少并非微不足道。因此，接触可以提供长期的听力保护效益。
上述的方向提示的感知增强可以被应用于许多附加的情况中。例如，许多听力障碍的人在很大程度上依赖视觉输入，但是人类的视野范围至多约为半球；深度听力障碍的人可能无法发现该范围以外的事件。通常，这样的人可能至少和听力完备的人一样对接触触觉敏感。对于具有听力障碍的那些人来说，具有可以使人们视野外发生的发声事件可以经由触觉器传达的装置将是非常有帮助的，例如，这种信息可以通过TILD编码，以便提示佩戴者关于信号源的方向。因此，如果听力障碍的人正在穿过街道而没有看到正在接近的汽车，则那个人将收到表明喇叭在附近鸣响的触觉提示。但是如果没有方向提示，它可能使佩戴者花费宝贵的时间以在视觉上找到源头。使用触觉器传达方向信息将更加有用(并且可能挽救生命)。虽然这样的触觉器可以被合并到通过声波传送信息的耳机中，但是一些听力障碍的用户可能偏好仅传送触觉信号的系统。
除了辅助听力障碍的人之外，当他们在正常听力受损的情况下操作时，本发明的这个方面可以被用于增强具有正常听力的人的感觉。例如，在非常吵闹的工业环境(例如，钢铁厂和其它重工业)中的工人经常佩戴(并且可能需要佩戴)听力保护装置。虽然耳塞或耳挂式听力保护器可以保持听力免于长时间暴露于高声级，但是它们也阻挡工人可能非常想要接收的可听提示，诸如从后面靠近的叉车的声音或同事的声音。接触触觉可以提供用于向佩戴听力保护装置的工人提示在她的视野外的声源的位置的装置。
类似地，接触触觉可以为士兵提供几乎无声的提示机制，以告知他们友善(或不友善)行为者的位置，并可以帮助消防员在燃烧的建筑物内定位彼此。态势感知在这些和其它高风险情况下至关重要。战场可能非常吵闹，并且士兵的听力损失是严重的问题。听力保护装置减少态势感知。当诸如夜视镜的其它设备减小视野时，问题可能加剧。但是基于接触的系统可以保护听力，同时保持态势感知。信号处理可以将相关的音频和其它信息转换为特定类型的接触触觉(tactive)信号。例如，如果四人巡逻队在低能见度的环境中工作，则提供可以通过其每个士兵可以感知其他队员中的每一个的位置的装置将是有用的。
确定多个人或物体之间的空间关系存在多种方式。一种这样的方法在AshodDonikian的申请号为US20150316383A1的美国专利申请和WO2012167301A1中被描述，其使用来自诸如移动装置中常见的加速度计和陀螺仪的惯性传感器的数据来提供3D信息。位置信息的获取超出本发明的范围。然而，有可能经由传统方法(手持显示器、平视显示器或者甚至传统音频提示器)呈现空间信息的背景都不切实际或无效。本发明可以减轻来自视觉通信信道和听觉通信信道的信息过载，这既可以降低用户的认知负荷，又可以为大脑的决策区域提供更短的“信号路径”。
图2示出根据各个实施例的佩戴输送位置信息的触觉增强型耳机的人的俯视平面图。左耳罩202包含前触觉器204和后触觉器206。它还包含前麦克风208和后麦克风210。右耳罩220包含前触觉器222和后触觉器224，以及前麦克风226和后麦克风228。(应当注意的是，在一些应用中，可以省略耳罩、和/或甚至传统的耳机驱动器。)
当在佩戴耳机的人的前方和右侧产生音频信号230时，右前麦克风226捕获强信号232，而右后麦克风228捕获较弱信号234。来自这两个麦克风的信号被传输到数字信号处理器(“DSP”)250。DSP 250可以分析相对响度、到达时间和其它参数以便确定声音的原始矢量。然后，DSP 250生成信号252以发送到适当的一个或多个触觉器。在该情况下，信号252可以单独被发送到触觉器222，被发送到每个触觉器(或所有触觉器的子集)，并且幅度相对于从原始矢量到各个触觉器的相对距离而变化。
即使由麦克风接收的原始声音可能超出那些范围中的一个或多个，发送到触觉器的信号也必须与触觉器的频率响应和皮肤的感知范围相匹配。因此，由DSP 250生成的信号可以与原始信号谐波相关(如当原始信号通过分频器网络而被处理时)。或者它可能与源信号无关，而是基于受试者的最大灵敏度或基于其它而选择。
当采用接触触觉来增强耳机的低音响应时，确保由直接在皮肤上而不是通过空气产生振动的传统的发声装置(在驱动器和耳膜之间的空气中产生声波的一个或多个换能器)和触觉器产生的感知音量水平的良好匹配可能是重要的。在多驱动扬声器(以及最近的耳机)中类似的问题已经解决了数十年，其可以使用交叉网络(传统上由电容器、电感器和电阻器组成)向一个驱动器发送低频并且向另一个发送高频。在这样的系统中，通常需要衰减至少一个驱动器的输出，以便向听者呈现期望的整体频率响应。
部分地由于两个不同的驱动因素通过两个不同的感知通道呈现信息，大脑将其有效地重新组装成期望的结果，因此当将触觉器与传统驱动器组合时，呈现期望的整体频率响应更为复杂。在校准的麦克风可以对多驱动器扬声器系统进行单次测量的情况下(不考虑定位、房间效应等问题)，麦克风无法将由传统驱动器产生的声压级与由触觉器产生的振动相集成。如本文所使用的，术语“传统驱动器”和“音频驱动器”可互换使用，并且涵盖各种技术，其包括运动线圈驱动器、静电驱动器、平衡电枢、平面驱动器和其它设计。如本文所使用的，术语“传统驱动器”是指通过压缩和空化空气产生声音的驱动器，从而产生主要通过听觉检测到的声波。
相对于头戴式显示器以及其它可穿戴技术，耳机存在不同的目标触觉频率响应也是可能的情况。最后，存在至少三种方式来量化对“听者”的接触触觉效果的大小：加速度(以例如米/秒/秒为单位测量)；速度(例如以米/秒为单位测量)；以及位移(例如，以米为单位测量)。先前的研究开发了图3中所示的用于触摸的等感觉曲线。(由Verillo-RT、Fraioli-AJ、Smith-RL于1960年在知觉和精神物理学的第61期第300-372页上发表的振动触觉刺激的感觉大小)。
以前试图通过接触触觉来呈现音频信息已经趋向于基于在位移(即，在产生振动时由触觉器行进的距离)和/或加速度(其运动的变化率)方面的它们的特性来设计和测量那些系统。由于可以直接测量那些参数的工具(例如，线性可变位移传感器、加速度计)的常见且便宜的可用性，因此这些测量可能是有利的。这项基于位移测量的先前工作在20至150Hz的范围内不会产生主观上均匀(flat)的频率响应。
如图3所示，这是从Verillo等的论文转载的，在该频率范围内的等感觉表现出强烈的频率依赖性：对于给定量的位移，感知机制对100Hz信号比对20Hz信号敏感得多。例如，40db等感觉曲线302显示在200Hz处约10微米的位移304产生40db的感觉水平，而同一曲线表明在20Hz处超过100微米的位移306需要产生相同的感觉水平。因此，针对给定输入信号级别而设计用于在相关频率范围上的恒定位移的测量器将不会在期望的频率范围上提供相等的感觉强度。
与感知强度的这种基于位移的描述相反，扬声器已经使用能够绘制各种频率处的声压级的麦克风和相关设备测量了数十年。由于SPL＝Apv，其中A是面积，p是压力，v是扬声器锥体速度，因此根据声功率级别测量扬声器与测量它们的速度是可以互换的(通过调整驱动器的相对表面积)。
在Verillo等的论文中呈现充足的位移数据，先前被引用来除了为位移提供的等感觉之外还导出速度和加速度的等感觉。这是由于对于正弦运动，位移、加速度和频率如等式1-3相关，其中A是位移幅度，并且ω是以弧度/秒为单位的频率。
x＝A sin(ωt) (等式1)
v＝ωA cos(ωt) (等式2)
a＝-ω2A sin(ωt) (等式3)
图4a、图4b和图4c示出限于相关频率范围的这三个等感觉图中的每一个。
图4a示出如上所述由Verillo测量的等感觉曲线，(即，比较感知强度与位移)但将曲线限制为触觉低音(大约20-100Hz)的最相关频率范围。由于“听者”将对100Hz处的给定级别的位移比同样的听者将对20Hz处的相同级别的位移要敏感得多，因此它表明，对于恒定位移优化的触觉器系统将不被用户认为具有均匀的频率响应。
图4b示出假设触觉器系统被优化以提供恒定加速度幅度的情况下等感觉的相同的范围。该图显示相反的缺点：由于“听者”将对100Hz处的给定级别的加速度比同样的听者将对20Hz处的相同级别的加速度要敏感得多，因此它表明，对于恒定加速度优化的触觉器将不被用户认为具有均匀的频率响应。
图4c示出假设触觉器系统被优化以提供恒定速度幅度的情况下等感觉的相同的范围。在相关的频率和幅度范围内，恒定的速度在相关的频率和幅度区域上提供相对一致的感觉。发明人因此发现，在感兴趣的强度和频率范围内，通过将佩戴触觉器的人视为速度传感器来获得最佳结果。即，当振动以速度表示时，触觉等感觉曲线在10-150Hz的范围内是最均匀的，并且因此速度对于该范围内的感觉强度是具有良好的物理相关性的。
实际上，在耳机中用触觉器提供一致的速度作为频率的函数是复杂的工作。将影响接触系统和佩戴者之间的接口处呈现的速度的一些因素包括：(l)触觉器本身的机械特性，其包括触觉器的往复运动部分的惯性质量、为触觉器的往复运动部分提供恢复力的弹簧的特性以及施加于系统的阻尼；(2)耳罩或其它触觉器壳体的有效质量；(3)耳机弧部的刚度和阻尼或通过其使触觉器抵靠皮肤的其它装置；(4)如果有的话，用于将触觉器与皮肤连接的垫或其它可压缩材料的剪切刚度和阻尼；以及(5)耳部周围或触觉器抵靠皮肤的其它位置的头皮的剪切刚度和阻尼。
图5示出根据各个实施例的针对恒定皮肤速度输出而优化的接触模块502的系统动力学模型。接触触觉模块502的各种物理部件可以由以下表示：质量块504、在质量块移动时存储和释放能量的弹簧506、作为将电能转换成动能的马达的能量源508以及可以是铁磁流体或用于将动能转化为热能的其它装置的阻尼构件510。模块502可以被安装在耳罩512中，耳罩512可以被视为纯粹被动的并且因此由用于本公开的这部分的目的的质量块组成。
耳罩512通常经由两种结构接触佩戴者的头部：垫516以及弧部517，弧部517通常连接左耳罩和右耳罩，并提供一定的夹紧力，同时将耳机的一些重量从垫分配到佩戴者头顶。有些耳机使用非接触弧部；这些耳机的重量通常较轻。在概念上垫516可以被理解为包括弹簧516.1和阻尼器516.2，其被典型地设置成具有两种性质的泡沫构件的形式。弧部517也可以被缓冲以提供弹簧517.1和阻尼器517.2两者的特性。(如果接触佩戴者头部的弧部不包括泡沫或类似泡沫的垫，则弧部可能不展现这些性质。)
接触触觉模块502的目标是使佩戴者的皮肤524相对于下面的刚性结构移动：颅骨530。皮肤具有其自身的弹性特性，因此可以被视为包括弹簧526和阻尼器528。
由于首先增加第一位置中的接触触觉的点会在垫和皮肤的界合部532处产生适当量的移动，因此必须考虑整个系统以在该点处产生恰当的速度。因此，调整整个系统的行为以在给定水平的输入对界合部532处提供恒定速度输出是至关重要的。改变听者的皮肤的属性是最不切实际的，并且在向现有系统添加触觉器时，大多数关键参数难以显著改变。设计的接触触觉的最容易获得的性质中的一个是触觉器502内的阻尼510。
能够以低至5z或10z的频率产生重要输出的机械系统需要可移动地悬挂重要的质量块。在运动中，这种质量块存储大量的动能，并且如果没有提供合适的装置来消散该能量，这种换能器将在共振时展现高度欠阻尼运动，这与均匀速度响应的目标不一致。在用于听音乐的耳机的背景中，欠阻尼的触觉传感器提供“单音低音”，这大大减少低频音乐中的音高信息。在其它情况中，它可能干扰与不同频率相关的其它形式的信号。
为了使系统更加复杂，模块本身的谐振成为上面讨论的复杂谐振系统的一部分。如果系统响应一旦被添加到安装在人的头部上的耳机后就变得不均匀，则在空闲空间中悬挂时，提供具有均匀频率响应的模块存在有限的价值。因此，本发明的目的在于提供一种接触触觉模块的阻尼方法，该接触触觉模块被特别地调节以在它们驱动像剪切(shear)佩戴者耳朵周围的皮肤的缓冲耳罩的负载时，提供具有均匀速度响应的耳机触觉器。
图6示出对触觉器施加阻尼的频率响应的影响。响应曲线602给出具有不足阻尼的触觉器的系统内速度响应的示例。该系统可以被用户感知为提供以40Hz的谐振频率为中心的“单音”低音。另一方面，响应曲线604呈现更均匀的输出。然而，应当注意的是，阻尼的代价是：由于阻尼装置将更多的输入信号直接转换成热能，因此给定输入的整体输出大大减少。超阻尼系统在给定输出电平时需要更多的功率，这对放大器、电池等提出更高的要求。因此，在适当地施加阻尼的情况下，向触觉模块施加诸如1伏峰-峰的信号产生相同量强度的振动，而不管正在再现的频率是20Hz还是100Hz。
使用触觉器提供深沉低音的潜在后果在于触觉器的动作不仅仅是通过对听者皮肤的剪切来感知：触觉器也可以产生经由传统听觉通路感知的音频输出。当耳罩振动时，在耳机中保持期望的声学频率响应需要考虑传统驱动器和触觉器的组合音频作用。虽然平行于头部的一侧移动耳罩(如在本发明和申请号为14/864,278中公开的，现在作为专利号为9,430,921的美国专利公布，并且其通过引用整体并入本文)比将它们移向头部并远离头部要安静得多(如现有技术中所实施的那样)，但是产生的多余声音可能不被忽略，并且能够自身产生90dB或更响亮的低音音频。该输出本身可能并不令人反感，但是当添加到传统驱动器的输出(或从中减去，取决于相位)时可能产生不期望的效果。补偿这种多余声学低音的一种方式是在触觉振动已经提供低音声音时衰减声学驱动器。
因此，公开了用于实现这种衰减的若干方法。一种方法是将触觉传感器视为超低音扬声器，并使用如图7所示基于频率衰减声学驱动器的交叉电路。在该方法中，触觉器702的响应从交叉频率704起衰减(roll off)(斜率706)，并且主要音频驱动器708的响应在交叉频率处衰减(斜率710)。正如本领域所理解的，交叉点的斜率可以具有各种类型：从一阶(6dB/倍频程)到具有高达每倍频程48dB或更多的斜率的更复杂的交叉点。
保持相位是从驱动器声学切换到触觉器声学效果的期望方面。这可以通过适当地匹配高通滤波器和低通滤波器的顺序来实现，如纯音频交叉电路领域所理解的那样。由于无源高通滤波通常需要物理上大的(并且昂贵的)电感器，因此也优选地利用低电平信号(即，在放大之前)执行这种交叉功能。
图8示出根据一些实施例的包括交叉电路801、接触触觉驱动器808和传统驱动器814的音频-触觉系统800的示意图。电路801可以包括缓冲器802以防止交叉电路和这些交叉电路的上游的电路之间的交互作用。在缓冲器802之后，信号可以馈送对于两个驱动器中的每一个特定的电路元件。低通分频网络804将旨在用于触觉器的频率馈送到增益级806。如现有技术中已知的，增益级806可以调节增益或衰减信号，以便考虑所提供的低音增强量的听者偏好。信号然后传递到接触驱动器808。同时，来自缓冲器的信号被传递到高通滤波器810，进而将信号传递到增益级812，然后传递到传统驱动器814。
图9示出根据一些实施例的包括交叉电路901、接触触觉驱动器908和传统驱动器914的可选音频-触觉系统900的示意图。在接触触觉系统900中，一些触觉换能器信号被向前馈送，使得它可以从提供给传统驱动器914的信号中被减去。如图8所示，缓冲器902将网络与上游电路隔离。缓冲器902馈送低通网络904，低通网络904进而馈送可以是可调整的增益级906。除了馈送驱动器908之外，增益级908的输出还馈送反相器/缩放器910。该模块反转来自增益级908的输出信号，并且(如果需要)调整信号的电平，以便提供相对于缓冲器902的输出的适当水平的抵消，如呈现给进而驱动传统驱动器914的求和增益级912。
图10a示出根据一些实施例的包括交叉电路1001a、接触触觉驱动器1008a和传统驱动器1014a的另一音频-触觉系统1000a的示意图。在接触触觉系统1000a中，使用基于传感器的反馈来衰减声学驱动器1014a。特别地，缓冲器1002a再次隔离网络，并且低通滤波器1004a馈送增益级1006a，增益级1006a进而将信号馈送到接触触觉驱动器1008a。由加速度计1010a测量由接触触觉驱动器1008a产生的物理运动1009a。由于没有像将用于麦克风那样的声音传输延迟，因此使用加速度计来测量耳罩的运动是反馈信号的便利来源。然后，加速度计1010a输出成比例的电信号，成比例的电信号进而被馈送到反相增益级1014a。增益级1014a反转该信号并且将其缩放以在其与缓冲器1002a的输出混合时适当的消除。该求和信号最终被提供给驱动传统换能器1014a的增益级1016a。
图10b示出了根据各种实施例的调节音频-触觉系统1000a以改善跨频率范围的消除的均匀性的接触触觉系统1000b的示意图。特别地，在接触触觉系统1000b中，加速度计1010b的信号可以由泄漏积分器1012b修改。在该实施例中，在进行到反相增益级1014b之前，由于声压级独立于频率而与发射器的速度成比例，因此加速度计信号通过泄漏积分器1012b以将加速度计信号转换成与耳罩速度成比例的信号。
图10a和图10b所示的方法可能具有若干优点。由于加速度计对运动反应，并且理想地物理联接到触觉器本身，因此系统的响应时间很快。并且由于加速度计对运动而不是声音敏感，由于它对传统驱动器的输出相对不敏感，因此它很容易将触觉器的输出隔离开。
图11示出根据一些实施例的包括交叉电路1101、接触触觉驱动器1108和传统驱动器1116的另一音频-触觉系统1100的示意图。缓冲器1102再次隔离网络；低通滤波器1104馈送增益级1106，增益级1106进而将信号馈送到触觉器1108。当触觉器物理地移动耳罩时，通过位于由耳机抵靠头部形成的腔室内的麦克风1110测量气压的变化。如本领域所知，麦克风1110的输出被馈送到噪声消除电路1112。噪声消除电路1112将其输出馈送到增益级1114，增益级1114进而馈送传统驱动器1116。该方法的优点可以是用于提供主动噪声消除的麦克风也可以用于相对于触觉器1110调节驱动器1116的输出。实际上，系统可能将触觉器的输出视为不期望的噪声源(至少在触觉器与传统驱动器重叠的范围内)。
通过交叉设计或如上所述的反馈机制，通过衰减所关心的频率范围内的触觉器的输出，也可以减少或消除由于触觉器和传统驱动器之间的重叠覆盖而导致的不期望的影响。
如前所讨论的，本发明的一个益处是能够使用接触触觉来传送复杂的空间信息。出于多种原因，期望解决本发明的实施例如何能够与当前音频标准集成。由于已经存在声音创作工具，并且像游戏、电影和虚拟环境的音效设计师的专业人员已经具备应用它们的能力，因此利用现有音频工具的触觉技术具有更好的成功机会。因此，本发明考虑扩展现有的音频编辑工具，使得作者可以将有用的触觉内容嵌入到现有的音频流中。本发明还设想了能够从传统音频流提取触觉内容并将该内容传送给用户的硬件的创建。因此，诸如虚拟演播室技术(“VST”)和音频单元的音频编辑器的插件是明确设想的。
VST是将软件音频合成器与具有音频编辑器和录制系统的效果插件相集成的软件界面。VST和类似技术使用数字信号处理来模拟软件中的传统演播室硬件。音频单元是由核心音频(Core Audio)在苹果公司(Apple)的OS X和iOS操作系统中提供的数字音频插件。AU是由操作系统提供的一组应用程序编程接口(API)服务，用于以最小的延迟生成、处理、接收或以其它方式处理音频流。视频游戏引擎的音频API也有大量的现有库。期望提供用于传递与用于传递音频内容的现有技术和协议兼容的空间提示的装置。
在硬件方面，当触觉内容主要是为了加强音频信号时，事情可能很简单。由于触觉内容通常与较高频率的音频信号同时发生，因此低通滤波足以提取它。
如以上所讨论的，如果耳机在每个耳罩中设置有至少两个触觉器，则可以做的不仅仅是增强深沉低音的音频内容：如果在头部每侧设置两个触觉器，则除左右信息之外，接触触觉可以提供关于声源的前对后位置的提示。例如，可以提供四个触觉器的阵列，使得一个位于左耳前方，第二个位于左耳后方，第三个位于右耳前方，并且第四个位于右耳后方。例如，如下面更全面讨论的那样，这种布置可以例如通过将多个触觉器放置在分段式耳机垫中来实现。利用这样的布置，音频衍生的触觉振动可以被发送到最靠近声源的触觉器。还应当注意的是，可以使用相同的概念将第三维集成到触觉空间信号中。即，如果额外的触觉器被提供并布置成使得一些位于用户头部上的较高处而一些位于用户头部上的较低处，则不仅可以用信号发送前后信息，还可以用信号发送上下信息。
图12组合根据一些实施例的包括设置有前触觉器和后触觉器的耳机罩组件1202的简化的耳机1204的立体图和截面细节。耳罩组件1202包括传统驱动器1208以及物理上分开的前垫1210和后垫1212。前垫包含右前触觉器1214；后垫包含右后触觉器1216。
当呈现从耳机佩戴者的后方到右方的诸如脚步1218的声音时，相应的信号1220(表示为随时间的波形)可以被发送到右后触觉器1216，同时没有信号(由扁平线1222表示)被发送到右前触觉器1214。类似地，左后触觉器(未示出)将接收空信号1224，并且左前触觉器将接收空信号1226。为了呈现来自右前方的声音，触觉器1214将接收信号，而其他三个将不接收信号。
在最简单的情况下，触觉信号只能传送到一个触觉器。然而，还可以用传送到一个以上的触觉器的加权信号表示中间向量。因此，向左后方发送75％的信号并且向左前方发送25％的信号表明信号源位于左侧并且稍向后方；向左后方发送50％并且向右后方发送50％则表示源位于用户的正后方等。
广泛使用的空间编码系统的一个示例是杜比7.1，其被用于包括用于个人计算机和家庭影院接收机和处理器的声卡的各种设备。如图13a所示，除了用于左(前)1302和右(前)1304的传统立体声声道之外，杜比7.1呈现旨在提供空间提示的另外5个声道：中央声道1306、右侧声道1308、左侧声道1310、右后方声道1312和左后方声道1314。最后，还提供低频声道1316。一般认为单个低频声道是足够的，原因包括(a)低音炮往往很大且昂贵，使得在大多数房间中放置多个低音炮是不切实际的，以及(b)由于在房间中以声波形式呈现时，低频是相对无定向的，因此相对于成本而言，多个空间分散的低音炮的附加价值可能产生有限的益处。
其它环绕标准包括杜比5.1和DTS。本领域的普通技术人员将理解，本文中讨论的技术也可以应用于那些以及其它类似的情况中。
已经有多种商业产品试图通过使用耳机来提供“环绕声”体验。其中许多涉及在每个耳罩内提供相对大量的传统驱动器。耳罩内有限的空间通常要求那些传统驱动器比典型的立体声耳机中的驱动器更小，这会损害音频质量。此外，驱动器的近距离以及将这些驱动器彼此隔离的困难使得提供令人信服的体验具有挑战性。另一方面，提供用于将以杜比7.1编码的信息映射到设置有四个触觉器的立体声耳机的方法呈现空间信息，而不损害音频质量。
本发明的一个方面是一种使用多个触觉器以利用传统的立体声耳机来编码多声道空间信息的装置。图13b中示出这个概念的简化概念版本。为左前扬声器1302编码的信息被发送到左前触觉器1320；为右前方扬声器1304编码的信息被发送到右前触觉器1322；为左后扬声器1314编码的信息被发送到左后触觉器1324；为右后扬声器1312编码的信息被发送到右后触觉器1326。
这种简化方法的一个缺点是在于对于低频率，接触触觉是最有效的，并且触觉器可能与低通滤波一起使用，使得环绕声道中的高频内容将被滤除，从而降低环绕效果。虽然单独的触觉器不能完全实现环绕效果，但是本发明的方面呈现更复杂的矩阵方法，尽管有这些限制，其可以提供显著的环绕效果。
图14中示出将7.1编码的节目的8个声道映射到由两个音频驱动器和四个触觉器组成的耳机系统的一种方法。用于生成触觉器输出的信号包括右前部1402、中央声道1404、左前部1406、右侧1408、右后部1410、左侧1412和左后部1414。除了被处理用于接触触觉之外，右前声道1402还被传输到右耳罩1416的主音频驱动器；左前声道1404被传输到接触触觉处理和用于左侧的主音频驱动器1418。发送到右前触觉器1420的信号通过对来自右前声道1402和中央声道1406的信号求和1422而产生；将该信号传递通过低通滤波器1424，然后将该信号通过适当的放大等(未示出)传递给触觉器1420。发送到左前触觉器1430的信号通过对来自左前声道1404和中央声道1406的信号求和1432而产生；将该信号传递通过低通滤波器1434，然后将该信号通过适当的放大等(未示出)传递给触觉器1430。发送到右后触觉器1440的信号通过对来自右侧声道1408和右后声道1412的信号求和1442而产生；将该信号传递通过低通滤波器1444，然后将该信号通过适当的放大等(未示出)传递给触觉器1440。发送到左后触觉器1450的信号通过对来自左侧声道1410和左后声道1414的信号求和1452而产生；将该信号传递通过低通滤波器1454，然后将该信号通过适当的放大等(未示出)传递给触觉器1450。
为了实现这些效果，完整的多声道信号集合有必要到达执行上述步骤的处理器。因此，结果可以通过提供连接在信号源和耳机之间的单独模块来实现。信号源可以是游戏机、家庭影院接收机或处理器、计算机、能够输出多声道音频的便携式设备或其它兼容设备。可选地，处理器可以位于耳机本身内，但该方法要求每个声道中包含的信息在传送到耳机时保持独立，这需要更复杂的缆线。可选地，数据可以在求和之前或之后从盒子无线传输到耳机。另一种可选方案是将音频信息作为集成数字信号传输到耳机，并且在耳机内的电路中进行解码和数模转换。此处描述的特定求和方案仅仅是说明性示例，并且本发明考虑其它相对加权因子和附加的音频-触觉连接。
利用诸如杜比5.1、杜比7.1或DTS的现有音频标准编码的电影、游戏或歌曲已经使用触觉器而在可以存在的选择的声道中具有适当的低频信息。在那些情况下，将方向提示发送到触觉器更直接。或者，可能的是给定的录音已经将大部分内容发送到低频效果声道(LFE)。在低频内容已经被单独或主要发送到LFE声道的情况下，可能曾经存在于那些信号中的原始信息空间提示不能被完美重构。然而，鉴于大多数倾向于由基音和一系列泛音组成的自然发生的声音的性质，例如，(无方向)LFE声道中的强脉冲可能与其它定向声道中的一个或多个中的较高频率脉冲相关。因此，可以基于对其它声道中的信号的分析而将LFE信号分配给一个或多个触觉器，并由此提供与立体声耳机的完整5.1或7.1体验的显著近似。如图15所示，实现此目的的一种简单方法是将低频效应发送到具有例如范围在80至200Hz的具体频带的最大声功率的声道。
虽然可以通过模拟电路实现至少某些版本的处理的类型，但是在数字域中这样做要简单得多。因此，完成这种处理的最简单方法是在将数字多声道信号转换为模拟信号之前。然而，它仍然可以在D/A转换之后完成；然而，有必要在处理之前将信号重新转换成数字域，并且然后在处理之后通过第二个D/A转换器来处理它。图18假设输入信号处于数字域。
输入声道可以包括右前方1502、左前方1504、中央1506、右侧1508、左侧1510、右后方1512、左后方1514和低频能量声道1520。除了被发送到数字信号处理器(DSP)1540之外，左前方1502信号和右前方1504信号被发送到传统驱动器1530和1532(通过可以包括D/A转换器和放大器的电路，未示出)。包括所有环绕声道和LFE声道的剩余声道被发送到DSP1540。
在该方法的实施方式中，DSP 1540被用来时刻识别七个定向音频声道中的哪一个包含最强信号。例如，如果左后声道1514具有最强信号(例如，如果在该位置处要产生爆炸声)，则DSP 1540将使来自LFE声道1520的信号引导到左后触觉器1550。可以使用基于定向具体声道中的活动的类似定位来将输出引导到右后触觉器1552、左前触觉器1554或右前触觉器1556。
虽然有些内容呈现纯粹由单一声道传送的声音，但现代节目有时会以更复杂的方式使用多声道内容，以表现声音来自两个离散输出地方的幻觉。例如，旨在听起来好像它直接来自听者后方的声音可以在左后声道和右后声道两者中以相同的强度呈现，而在任何其它声道中都没有相关的输出。当呈现运动的幻觉时，这种加权特别有用，使得声音在声道之间平滑移动，而不是从一个源跳到另一个源；权重逐步地调整。
使用本发明也可以产生这些更复杂的效果。在一些实施例中，可以对多个输入声道中的信号强度加权，并将输出引导到触觉器的组合以便本质上近似定向声道中的比率，将空间音频信号的矢量乘以加权矩阵。因此，例如，如果瞬时音量级别是在右前方声道1502中为最大值的40％，在右侧中1508中为最大值的80％，并且在其它声道中为零，接触信号将在右前触觉器1556和右后触觉器1552之间划分，以便将由触觉器再现的声音的主观声源置于两者之间的点处，但更靠近前方触觉器1556。
该方法的一个限制在于在某些情况下(特别是那些具有多个不相关事件的情况下)，并非所有的声音都与LFE声道中的具体内容相关。因此，更复杂的方法将涉及对每个定向声道中存在的信号的分析。然后，启发式可以从那些声道中的每一个中存在的波形推断声音方向。例如，爆炸的声音很可能将导致(a)LFE声道中的特定波形，以及(b)一个或多个定向声道将包含与该LFE信号相关的信号。指示这种相关性的因素可以包括音频声道中的频率是LFE声道中的频率的谐波的程度。或者，最佳音频声道中的声音-功率-级别可能与LFE中的声音功率级别或其它因素具有最高的相关性。那些相关性可以被用于通知DSP关于在给定时刻哪些触觉器应当接收LFE信号。
对于许多电脑游戏以及诸如索尼游戏机(Sony PlayStation)和微软游戏机(Microsoft X-Box)的游戏平台而言，将定向低音信号传送到合适的触觉器的问题较为简单。关于声源的位置信息通常可以在游戏软件中获得，并且信号可以被处理以激活正确的触觉器。
由于游戏音频需要实时的音频-触觉过滤，因此在游戏引擎软件内进行接触处理是最有效的。与前面讨论的方法相反，其中处理发生在这些步骤已经发生之后，在产生用于每个声道的信号并随后转换为模拟音频之前，该方法在计算机、控制台或其它装置内进行必要的音频处理。
用于空间化声音的应用编程接口是视频游戏和虚拟现实模拟的标准功能。本发明考虑通过结合本文公开的音频-触觉算法来扩展这些代码库的能力。现在用于将单声道声音处理成空间音频的编码惯例以自然的方式应用在此处概述的音频-触觉定向提示算法的结构。即，游戏或VR引擎将以下数据发送到空间化声音函数(l)发声器相对于听者头部的位置以及(2)待被空间化的声音的数字文件。在处理之后，函数返回到游戏引擎，或向声卡发送(1)右和左音频信号以向用户显示，并且可选地(2)用于诸如杜比7.1格式的多个扬声器的附加换能器的附加音频信号。
本发明的算法自然地在该建立的编程结构中实施。对于定向触觉提示，改变信号频率(频谱滤波)和引入适当时间延迟的一般过程类似于空间音频所需的处理。
触觉定向提示算法的输出可以是对将被发送到传统右声学驱动器和传统左声学驱动器的声音的低频变型。这些低频信号随后可以在触觉器驱动器的处理部件处通过低通滤波来提取。或者，信号可以被引导到耳机“剩余”的现有信号通路，诸如当耳机插入杜比7.1声卡时仍未使用的多个声道。这些频道还可以被附接到触觉器。或者，通过扩展当前的音频标准，算法的输出可以被引导到全新的专用触觉声道。
本发明的另一个应用涉及向用户传递触觉空间信息。对于声音的触觉空间化来说，有用的比喻是“液体声音”的概念。每个人都很熟悉流水的定向感觉。它具有振动分量-单个液滴的影响-以及定向力分量：水流的净动量。可以产生定向力的触觉刺激可以自然地使用这种熟悉的隐喻来提示声音的方向。
图16a和图16b示出该概念。耳机佩戴者1602通过耳机1604收听声音。如果声源被认为具有可触摸的辐射压力，如水压，则从源发射到前部1606的声波施加力1610，该力1610将耳机1604相对于听者头部1602向后推动。从声源发出到侧面1608的声波施加力1612，该力1612将耳机1604相对于听者头部1602推向侧面。并且到后方的源向前推动耳机等。通过该比喻，皮肤牵引自然可以用来指示声源的方向。
当传统的对称波形以剪切振动的形式经由接触被施加到皮肤上时，不存在净定向力，并且除了通过多个触觉器之间的强度差异传送的信号之外没有定向信号。即，在包括x个触觉器的系统中，如果所有x个触觉器接收相同的对称波形，则不发生定向提示。然而，当对皮肤施加剪切振动，并且振动具有适当的不对称加速度分布时，感知可以是振动和净拉力两者中的一种。参见由T.雨宫、H.安藤、T.前田发表于2005年的世界触觉大会学报第619-622页的“虚拟力显示：通过周期性平移运动使用非对称加速度的方向引导”。由于人的触觉系统不是一个完美的积分器，因此发生这种情况，并且短暂、强烈的加速度比长时间的弱加速度更强烈。
图17示出该效果的视觉表示。不对称波形1702在相对于零线1704的正方向上呈现短暂、强烈的加速度脉冲，并且在负方向上呈现较长、较弱的加速度。已经示出，这样的波形本身不是非对称波形，而是作为具有两个分量的效果：输入到触觉器1706的信号的频率处的振动感以及定向拉力1708的感觉。虽然技术在约7Hz和70Hz之间的频率上效果最好，但是在高达250Hz处也是有效的。在本发明中，我们展示了如何使用该幻觉来定位声音。
该触觉幻觉为传达关于声音的定向信息提供丰富的机会。这意味着位于左耳罩或右耳罩中的剪切触觉器可以通过打开或关闭提供不仅仅是右/左信息。它还可以通过向前或向后引导峰值加速度来提供前后信息。因此，额外的定向提示可以从更少的触觉器获得。
为了进行必要的音频-触觉信号处理，考虑速度和位置表达时如何发生引起定向拉动的触觉幻觉的加速度脉冲是有用的。这通过对时间的简单积分来实现，并且其示出加速度脉冲是速度锯齿，如图18所示。
如图18(a)的左上部所示，考虑正向定向的加速度脉冲1802，其引起在正方向上拉动的感觉。在负方向上的长时间低加速度与短暂的尖峰变为正加速度交替。该加速度信号相对于时间1804的积分示出该脉冲的速度是锯齿波，其中锯齿波1806的陡峭部分指向正方向。由于如前所述，速度与感知强度很好地相关，并且已经开发了作为速度源响应的换能器，因此以这种形式表达脉冲是有用的。因此，以1806示出的波形是待被馈送到触觉器以产生定向偏置的感知的目前优选的波形。
在图18c中，为了完整性，整合进一步进行一个步骤，从速度到位置。因此，图1808表示根据位置随时间变化的正偏置波形的特性。图1808示出，触觉器在其工作范围的一半中花费大部分时间，并且使得在其工作范围的另一半发生最大斜率变化的瞬间出现抛物线斜坡。
如分别在图18a、图18b和图18c中，除了脉动信号被负向引导以在负方向上产生感知的力，图18d、图18e和图18f分别示出相同的图。
应当注意的是，无定向低频音(即正弦波)的等效曲线图看起来非常不同。加速度、速度和位置都是简单的平滑正弦曲线。
当诸如耳机的可穿戴装置中的触觉器被调谐以响应电压以及速度时，可以通过将低频正弦波(简单振动)变成锯齿波(定向振动)的信号处理方法产生触觉定向提示。锯齿的陡峭部分是所需的加速度突发(burst)。当声源的位置已知时，如在游戏软件或混合胶片音频中，声源的位置被用于设置突发的极性和陡峭度。
将非定向正弦波转变为定向锯齿的一种方法是增加更高的谐波。图19示出这种处理如何影响正弦波信号的示例。图1902示出正弦波1904。正弦波没有定向偏置，因此佩戴装备有再现该正弦波的一个或多个触觉器的耳机罩1906的人经历的峰值加速度在两个方向上相同，并且不经历净定向力。
图1910示出与正弦波1904相同的参考正弦波1914以及为了创建极性和定向提示而处理的波形，该波形导致粗糙的锯齿波1916。(完美的锯齿包括所有谐波，因此无法由低频驱动器实现。实际上，增加少量谐波目前被认为是充分的，甚至是有利的。)粗糙的锯齿波1916显示缓慢上升和快速下降。因此，它在负方向上偏置，并且佩戴耳机罩1918的人将感觉到罩相对于他的头部向后拉，如箭头1919所示。
图1920示出与正弦波1904相同的参考正弦波1924以及为了创建极性和定向提示而处理的波形两者，该波形导致粗糙的锯齿波1926。粗糙的锯齿波1926显示快速上升和缓慢下降。因此，它在正方向上偏置，并且佩戴耳机罩1928的人将感觉到罩相对于他的头部向前拉，如箭头1929所示。
图20示出用于将非定向正弦波变换为定向正弦波的示例性Matlab代码。代码接受输入信号(x)2002以及例如前向或后向定向(z)2004的指示符，其中z＝+1表示正前方，并且z＝-1表示正后方。代码将两个高次谐波添加到信号中以将其锐化为输出(y)2006。在该示例中，通过注意到以下等式，从输入信号sin(θ)计算高次谐波sin(2θ)的贡献
2sin(θ)·cos(θ)＝sin(2θ) (等式4)
以及
Figure GDA0001726537210000281
因此，输入信号的微分以及结果与输入信号本身的乘积被用于产生期望的谐波。但是本领域技术人员将清楚，任何数量使正弦波“锯齿”的方法都可以产生期望的结果。
图21a-图21d示出根据由该信号驱动的启用触觉器的耳机的预期速度和加速度的这种处理对15Hz正弦波的影响的示例。如图21a示出，将产生简单正弦运动2102的波形由图20中所示的代码转换为产生正定向加速度脉冲(z＝+1)2104的波形。如图21b所示，如由代码计算的，通过命令用作速度源的换能器跟随具有正定向的陡峭区域2106的锯齿来实现该效果。图21c示出信号的变换以产生负定向的加速度脉冲(z＝-1)2108。加速度由图21d中的变换的速度命令2110产生。
该基于谐波的滤波器(基于基音的频率合成更高次谐波)仅仅是创建相同定向效果的一种示例性方法。该特殊方法的一个可能的缺点是速度计算步骤对噪声敏感。在一些情况下，这可能增加失真。用于添加不具有那些效果的方向性的另一示例性方法是当检测到适当定向的交叉时检测零交叉点并向信号添加偏振凸出部(bump)。图22示出该方法的图形表示。
音频波形2202是复杂信号。显示的信号部分包括11个零交叉点。应当注意的是，在向上零交叉点处添加正脉冲产生平滑、连续且正向的定向信号，而在向下零交叉点处平滑地添加负脉冲产生相反的结果。因此，当试图产生定向提示时，平均一半的零交叉点将适合修改，而一半将不适合。在示出的示例中，六个负到正交叉点在2204、2206、2208、2210、2212和2214处。在2202处检测到适当的零交叉点时，添加给定持续时间tmin的脉冲2216。为了防止过早地重新触发脉冲，在第一个脉冲被触发时，额外的零交叉点将被忽略，直到tmin已经过去。因此，因为它们在时间上过于靠近先前的脉冲，所以负到正的交叉2206、2210和2214不接收偏振凸出部。通过这种方式，可以以近似等于(1/tmin)的频率将一系列定向的不对称速度脉冲添加到音频信号。通过在零交叉点处添加这些脉冲，避免信号中的可听不连续性。
这种方法具有简单性和稳健性的优点。如果通过例如去卷积来确定最能引起定向拉动的触觉幻觉的脉冲形状和频率，则其确保该信号恰好被添加，并且其以近似最佳频率被添加。这是一种优先定向拉动感觉的方法。
在考虑可能产生定向拉动感觉的各种处理技术时，这种方法处于一个极端。它几乎与输入信号无关。另一端是第一种算法，其中锐化的谐波完全来自输入信号。在该范围内，本领域技术人员可以设想各种处理技术，其中一些更接近输入信号，另一些则优先定向触觉幻觉的产生。这两个非限制性实施例仅用于说明本领域技术人员将会想到的用于将音频处理为定向触觉的技术的范围。
在图23中提供了伪代码和零交叉点方法的图示。向上定向零交叉点检测器2302监视当最后一点低于零并且下一个高于零的时刻的输入信号。发生这种情况时，通过设置(“向上零交叉点＝1”)而树立标志。代码的下一块2304检查“向上零交叉点”标志是否启动以及是否是时候播放凸出部(测试以查明是否telapsed>tmin)。只要这是真的，代码将凸出部逐点添加到输入信号。代码的第三块2306检测到凸出部完全被播放(i>凸出部长度)，并且如果是，则重置标志以准备播放下一个凸出部。对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以引入先前图示中使用的类似于(-1<z<1)的用于凸出部方向和大小的带符号变量，以触发向下零交叉的检测以及负定向脉冲的添加。同样，该“z”方向变量的中间值将适用于缩放凸出部的大小以改变脉冲强度。
许多其他合成或过滤方法是可能的，并且落入本发明的范围内。一般而言，可以产生与现有低频音频相一致的适当定向(即，与谐波和时间适当相关)的加速度突发，其中突发的极性和清晰度指示声源的方向和接近。
添加这些突发的“凸出部”方法的优点在于可以针对可穿戴系统的阶跃响应来调整凸出部的形状。即，凸出部可以是任何波形，最好在人体上产生期望的加速度突发。例如，可以通过将系统的阶跃响应去卷积期望的速度廓线来找到该波的形状。
尽管最好的设计发挥了作用，但是惯性触觉器不可能是完美的速度源。在性能方面存在若干限制。速度变化的速率受峰值功率限制。峰值速度受阻尼限制。在惯性质量撞击行程停止之前，速度可以在一个方向上仅行进有限的时间。触觉器、耳机和头部的整个系统可能会略微欠阻尼，因此在命令零速度后仍然保持运动状态。此外，具有不同皮肤机制的不同用户将在系统中引入不同的刚度和阻尼，从而改变系统响应。由于所有这些原因，惯性触觉器是不完美的速度源。
在存在这些限制的情况下，通过信号处理可以改善系统遵循期望速度轨迹的程度。例如，去卷积可以被应用于目标触觉器速度信号，使得触觉器尽可能地再现它。关于去卷积的完整讨论超出了本公开的范围，但是简要地说，步骤是这些。
首先，通过以下步骤找到去卷积滤波器：
(1)在系统中向触觉器施加电压脉冲(d)；
(2)例如经由适当集成的耳罩上的加速度计的信号来测量系统的速度响应(b)以确定耳罩速度；
(3)计算检测脉冲(b)的傅里叶变换；
(4)计算施加到系统的期望电压脉冲(d)的傅里叶变换；以及
(5)计算滤波器的频率响应。滤波器(f)的频率响应是期望脉冲(d)的频谱除以检测脉冲(b)的频谱。
对大多数人提供良好效果的去卷积滤波器可以通过在多个人身上测试配备有触觉器的耳机并平均化它们的去卷积滤波器来找到。可选地，用户特定的自定义滤波器可由系统在启动时自动确定。为此，系统在启动时遵循步骤1-步骤5。为了使用去卷积滤波器，需要执行以下步骤：
(6)在适当大小的块中，计算目标信号的傅立叶变换，包括幅度和相位两者；
(7)在傅里叶域中，目标信号的频谱除以去卷积滤波器的傅立叶频谱；
(8)该除法的结果从傅里叶域转换回时域以获得校正信号；以及
(9)校正信号被发送到触觉器。
鉴于以上，本领域技术人员将理解，对输入信号应用去卷积滤波器可以在有限的程度上校正触觉器的能力缺陷以忠实地再现目标速度信号。去卷积方法的局限性包括对噪声的敏感性和滞后的引入。因此，它特别适合离线处理。去卷积处理的良好的应用在于确定最好产生速度锯齿的电压信号，其产生引起定向拉动的触觉幻觉的加速度脉冲。
实施这种定向过滤的合理地点在于游戏引擎的音频API，用于实时处理。对于离线工作，定向过滤可以被体现在声音编辑软件的插件中，诸如例如在VST插件或AU插件中。
如以上所讨论的，非对称波形可以用于利用触觉器呈现定向效应。可以通过使用触觉定时线索来呈现额外的效果(或者可以产生更加令人信服的其它效果)，以用于示意声源的方向。由于声音在空气中的速度很快(～343m/s)，我们的音频皮层通常使用的耳之间的时间差异(即，我们的两耳之间声波得到达时间的差异)很短(亚毫秒)。当被施加到耳机中的传统驱动器时，施加如此短的延迟可以有效地合成位置提示。不幸的是，对于触觉系统而言，该时间尺度太短，相比之下，它是“模糊的”——人体感知触觉事件的时间小于约20毫秒。然而，可以想象的是，如果例如可以缓慢地落入水中，则将发生对触觉系统可感知的时间间隔，如图24所示。
在时间t0处，对象2402尚未接触到水。通常不会要求配备触觉器的耳机产生与即将发生的事件相关的任何影响。在时间t1处，对象2402的头部的右侧已经进入水中。为了模拟这种效果，右耳机罩2404中的一个或多个触觉器将产生脉冲。在时间t2处，对象2402的头部的左侧已经进入水中。为了模拟这种效果，左耳机罩2406中的一个或多个触觉器将产生脉冲。右耳机罩2404中的第一脉冲与左耳机罩2406中的第二脉冲之间的延迟可以加强该事件的幻觉。即，水线可能在时间t1处首先推动更近的耳罩，并且其次在时间t2处推进另一个耳罩。在缺乏所有其它信息的情况下，事件的相对时间将提供关于水面相对于头部的方位的一些信息。
如果没有如下所述的具体准备，则通常在使用触觉器或扬声器时不采取预加载或其它预备措施。触觉器可以产生的最大力至少部分由其最大行程和可以覆盖该距离的最大速度来限定。诸如本文所述的那些触觉器可能或多或少地围绕休息位置对称地移动。在简化的情况下，其中触觉器完全空闲直到它被要求传送单个最大脉冲的时间t1，仅仅触觉器的可能总行程的一半是可用的。
一种提高触觉器传达这种效果的能力的方法将是使用低速信号给触觉器提供“后摆(backswing)”，从而允许它在被要求在正方向上传送最大脉冲之前立刻在“负”方向上达到最大行程，而在相反的情况下反之亦然。如果“后摆”足够缓慢，佩戴者将感觉不到，但这种技术将有效地使单脉冲可用的功率翻倍，而不需要更大的触觉器或更强大的放大器。
提供这种效果需要预览能力：能够(优选地在数字域中)在待被修改的事件之前将后摆插入信号流中。在离线处理声音文件时，诸如在制作电影和音乐的声音时，插入该预脉冲“后摆”非常简单。在诸如计算机游戏和虚拟现实的实时空间音频应用中，合理的方法是在脉冲结束时包括“后摆”。虽然脉冲序列中的第一脉冲没有得到后摆的益处，但是所有后续的脉冲都得到后摆的益处，并且系统中不会引入滞后现象。利用该方法，由于虚拟环境中的声音发射器的方向相对于脉冲的频率变化缓慢，因此后摆将通常(但不总是)被正确地定向。在来自多个方向(需要相反定向的后摆)的多个声音发射器的情况下，该方法自然降级成在平均情况下不会比没有后摆的性能更好或更差。
如图25所示，这种关于定时和定向接触触觉(液体声音)的总体想法可以从缓慢地落入水中的情况延伸到感知空气中缓慢移动的冲击波。图像2502、2504和2506分别示出了在时间t1、t2和t3处观察到的关于图24所讨论的相同概念性场景。在t1处，力F1 2508压向对象头部的右侧；右耳罩中的触觉器产生波形2510以模拟该力。在t2处，力F2压向对象头部的左侧；左耳罩中的触觉器产生波形2514以模拟该力。根据该概念，人们可以想象触觉器可以如何模拟源自任意给定声源的慢冲击波。关键是要使到达时间之间的间隔足够长以被触觉系统感知。使用低分辨率触觉器对躯干的后部施加音调的研究已经表明，在20-120毫秒范围内在触觉器之间的延迟的间隔对于传达流体触觉运动的感觉最有用。
因此，本发明的方面是通过处理音频来提示声音方向，使得离音源较远的触觉器的幅度保持较低的间隔足够长，以使触觉系统感知到发音(onset)差异(例如，50毫秒)。这为神经系统已经用来定位声音的声学可感知的耳之间的时间差异提示增加了触觉可感知的时间差异提示。因此，在图25中，如图像2520所示，在时间t0处，冲击波尚未达到(佩戴耳机的)对象。在时间t1，如图像2522所示，冲击波已到达对象头部的右侧，其由右侧耳机罩2526中的触觉器模拟，其产生波形2528。如图像2524所示，当模拟的冲击波在时间t2处到达对象的左耳时，左侧耳机罩2530中的触觉器产生波形2532。
图26中示出用于传送空间提示的该方法的另一视图。所表示的是一种用于呈现足够长以被触觉系统所感知的触觉耳之间的到达时间提示的方法，以便提示到达头部2604处的声音2602的方向。发送到更靠近模拟的声源的耳朵(在这种情况下为左耳)的信号包括音频信号2606和触觉信号2608，它们都在时间2610处没有任何延迟地呈现给该侧。距离模拟的声源较远的耳朵(在这种情况下为右耳)接收与相同事件有关的信号，但有延迟。该耳朵在时间2610之后大约0.4毫秒的时间2614处接收音频信号2612。更远的耳朵在时间2618处接收触觉信号2616。由于听觉系统从大约0.4毫秒的延迟中凭直觉知道方向，并且触觉系统从大约40毫秒的延迟凭直觉知道方向，因此较近触觉信号起始点2610和较远侧触觉起始点2618之间的延迟2620是延迟2620，其可能比音频信号中的延迟长两个数量级。
触觉信号2608和触觉信号2616之间的延迟2620可以以多种方式产生。一种方法是将包络滤波器2620应用于触觉信号2616，其中包络滤波器的动作的“闭合”阶段的持续时间被定成等于期望的延迟。然而，对于持续时间很短的事件，这种方法可能消除期望信号的重要部分。因此，另一种方法是在延迟的声道中产生与非延迟的声道中相同的信号，但是提供延迟，即，在数字域最佳执行的进程，然而也可以使用模拟延迟线。
考虑对这种一般方法的许多变型。发送到左侧触觉器和右侧触觉器的信号可能相同，使得仅时间延迟区分它们。它们可能不同，使得通过诸如相位差、幅度差等的其它特征来提供额外的提示。如果每侧都有多于一个的触觉器，更细致的呈现也是可能的。如上所述，每个触觉器还可以使用滤波和/或波形合成以提供信号的一个或多个的极化。这些技术可以被组合以提高效果。
先前讨论的一些实施例假设：触觉器刚性地安装到耳机的罩。该方法需要触觉器移动耳机罩的至少整个质量，并且在许多情况下移动耳机系统的其余的质量的一些部分，以便在佩戴者的皮肤上产生运动。该方法类似于将一个人的手抵靠在书架扬声器的侧面：为了产生明显的振动，驱动器不能像扬声器旨在做的那样仅仅激发空气；它必须动摇整个柜子，这是要求相当高的。因此，激发整个耳机罩需要显著的力，这需要相对强大的马达和放大器、以及大的电池或其它电源。
提供一种在不必激发整个耳机组件的相对较大质量的情况下产生接触触觉力的方法将是有利的。因此，本发明的附加方面是在与耳机罩部分分离的致动板上可移动的触觉垫的使用，使得垫有效地将剪切力传输到皮肤，而不必激发耳机组件的其余部分的质量。
很显然，如申请号为14/864,278中所公开的，现在作为专利号为9,430,921的美国专利发布的，该方法在振动整个耳罩方面具有一些优点。如果只有垫而不是整个耳机组件被移动，则有效的移动质量减小，并且对于给定的触觉输出需要较小的力。并且，耳机中不是垫的所有物成为反应质量块(类似于产生声波时传统扬声器的机壳)，从而为推动垫提供较重的平台，使得触觉器能够以较低的频率提供输出。
图27示出可以用于独立于具有触觉的耳机壳体移动垫的部件的简化局部平面图和分解剖视图。耳罩2702和声音挡板2706彼此刚性连接，并形成用于音频驱动器2704的外壳。(如前所讨论的，这些结构的许多变型都是可能的，包括多个驱动器、开放式耳机等。)
衬垫2712的适形部分刚性联接到可移动台2714。在传统耳机中，垫将附接到罩和/或挡板2706，以便允许垫相对于挡板的最小剪切运动，并且减弱被允许的任何运动。在本发明中，可移动台2714被允许通过悬架2708相对于挡板2706移动，下面将更详细地描述。
一个或多个触觉器被安装成相对于挡板为可移动台提供动力。这可以例如通过将磁体2716附接到可移动台2714，并将电线圈2710附接到挡板来实现。当电流以波形的形式施加到线圈2710时，附接到台的磁体在一个方向2720上经受力，并且附接到挡板的线圈在相反方向2722上经受相等的力。在垫2712和可移动台2714一起的质量显著低于挡板2706的质量并且所有元件刚性连接到其上的情况下，主要结果将是台2714和垫2712发生期望的运动2730(在平面图中示出)，对佩戴者的皮肤施加剪切牵引力。
将触觉器作为可移动垫的悬架必须满足一系列艰巨的挑战。在优选的实施例中，它应当是薄的、防摔的、允许多个自由度、限制超行程并且是静音的。
在图28中示出这种悬架的第一示例。悬架系统包括搁置在第一板2804上并支撑第二板2806的弹性圆顶2802，第二板2806具有部分地变形并搭载(ride)圆顶2802的突出凸台2808。圆顶2802可以填充有可能阻尼可听振动的空气或流体。板中的一个可以是例如耳机的声音挡板，另一个可以是承载所述耳机的垫的可移动台。
这种悬架系统可以被安装成使得第一板2804和第二板2806两者被安装在耳机罩2830与耳机系统的其余部分之间，使得两个板大致平行于听者头部2832的矢状面，并且相对运动2834能够沿平行于矢状面的轴线在承载垫的板2806和耳机罩2830之间进行。
当施加触觉力2836时，板2806和2804试图相对于彼此移动，并且弹性圆顶2802随着凸台2808抵靠圆顶移动而变形。当相反力被施加2838时，圆顶在另一个方向上扭曲。由于圆顶是弹性的，它们提供了恢复力以及一定的阻尼。
这种悬架系统可能需要约束装置，使得垫组件通常附接到罩组件。根据一些实施例，示出悬架系统2900的可选立体图的图29a和图29b示出用于限制垫组件的一个装置。如关于图28所讨论的，悬架系统可以包括两个板2902和2904。位于它们之间的悬架装置2906可以不固有地防止两个板分离。用于执行该功能的一个机构是弹性环2908，其牢固地附接到一个板并且通过另一个板中的开口2910突出。尺寸被设置成将弹性环2908牢固地附接到第二板的诸如钩或环的引导部件2912防止两个板拉开。可以通过将线圈固定到挡板和将一对横向极化的磁体固定到台来产生垫相对于挡板的运动，使得激励线圈使台和附接到其的垫移动。
图30a-图30d示出第二合适的悬架的部件。如分解立体图30a所示，悬架系统3000包括用弹性系绳3004拴系就位的弹性球轴承3002，使得其不能接触球笼3005的边缘。为了进一步使装置静音，系绳的振动可以被阻尼材料的环3006减弱。球笼3005可以包括部件，该部件包括保持阻尼环3006并且帮助其保持与系绳3004接触的凸片3008以及可以为系绳3004提供间隙的槽3010。图30b示出组装的拴系的球轴承3012。
拴系的球轴承的一个方向允许横向于系绳的方位的轴向运动。因此，如图30c所示，如果球3002由系绳3004保持在板3020和3022之间，并且系绳3004中存在一些松弛3023，则横向于系绳的轴线的运动3024或3026将被允许，并且球3002将滚动，直到不再松弛的系绳3004中的弹性恢复力抵消该板运动。
虽然如图30a-图30d所示的系绳似乎沿着单个轴线定向球轴承3002的行程，但是系绳3004和球3002的尺寸可以被设置为允许x和y两者中的足够的板行程。
图30d示出拴系的球轴承如何允许沿系绳3004的轴线移动。如果球3002由系绳3004保持在板3020和3022之间，并且系绳3004中存在一些松弛，则与系绳的轴线一致的运动3024或3026将被允许，并且球3002将滚动，直到系绳3004中的弹性恢复力抵消该板运动。
在一些实施例中，多个轴承可以通过容纳挡板中的部件来布置，以便限定用于缓冲台的移动平面。轴承可以通过弹性元件预压缩以防止晃动并弹性地限制台的横向行程。图31示出具有提供有界相对运动的三个拴系的球轴承的一对耳机的一侧的某些部件的分解图。
挡板3102附接到包括罩的主耳机结构。它还提供了用于其它部件的定位部件，包括用于三个轴承3106中的每一个的凹部3104以及用于保持弹性预加载元件3110的凸片3108。可以由硅树脂或其它弹性材料构成的这些预加载元件既可以预加载轴承以最小化由轴承产生的噪声，也可以提供防止整个组件分离的装置。
一个或多个触觉器由至少一个线圈3120和至少一对磁体3122组成。线圈3120和磁体3122中的一个将相对于挡板3104固定；另一个将相对于可移动台3130固定，该可移动台3130进而连接到垫3140。可移动台3130还可以包括用于附接弹性预加载元件3110的凸片。当适当的信号被馈送到线圈3120时，在两个组件之间产生相对运动，由轴承3106和/或弹性预加载元件3110限制。
拴系的球轴承的可选实施例将包括与第一系绳正交并且锚固到第一系绳未拴到的板上的第二系绳。该实施方式将提供轴承的功能和将两个主要组件保持在一起的功能两者。除了弹性球之外，该实施例的变型将使用弹性系绳(可能作为单个部件模制而成)，使得系绳本身提供足够的预加载以解决由组件的相对运动引起的潜在噪声。
方便的是，这些悬架允许平移两个轴并旋转以方便额外的可驱动的自由度。例如，图32示出挡板3202的简化视图，在该挡板上安装有用于两个触觉器3204和3206的导电线圈。为了说明的目的，形成触觉器中的每一个的另一半的磁体被假定为固定到保持垫的可移动台，为了简单起见其未示出。
当电流i3208流过线圈3204和3206中的每一个时，产生相对于安装在相对部件上的磁体的运动。正电压将在一个方向上移动系统；负电压将在另一方向上移动系统。当如图32所示安装两个触觉器时，可以产生平移和扭矩两者。
如果线圈3206被驱动以产生平移力3210，并且线圈3204被驱动以产生平移力3212，并且力3212和3210都被对齐，则结果的动作将是平移力3214，其是单个触觉器的合力(减少系统损失)。然而，如果两个线圈都被驱动，使得线圈3204传递与由线圈3706产生的力3220呈180度的力3222，则结果不是平移而是旋转运动3224(即，扭矩)。在视频游戏和虚拟现实模拟中，例如，可以使用扭矩来提示用户的俯仰方位的改变，诸如，过山车的方向从上坡变为下坡的时刻。该扭矩的大小将取决于各个触觉器的力以及限定每个触觉器与旋转中心之间的距离的半径3226和3228两者。
利用额外的线圈，可以分别控制三个自由度：这些可以被认为是(i)前后运动、(ii)上下运动、以及(iii)围绕佩戴者耳朵之间的轴线的旋转。然而，其它方位也是可能的。示出两个示例性的线圈布局，但是许多情况是可能的并且落入本发明的范围内。
图33a示出如何利用三个线圈阵列，即，线圈3302、线圈3304和线圈3306来实现运动的各种矢量。当全部三个线圈被馈送相同极性的信号时，将信号组合到三个线圈可产生旋转位移。通过修改到各个线圈的电流，可以在相对于轴线3310和轴线3320(实际上是x和y轴线)描述的任何方向上引起平移运动。
虽然如图33b所示，三个触觉器将通常比四个触觉器便宜，但三个触觉器系统具有其它缺点。考虑到获得x和y运动所需的正弦项和余弦项，生成适当的控制信号在计算上稍微更昂贵。由于在尝试使用多个触觉器产生平移运动时的力的消除，三致动器阵列也有点低效。因此，当线圈3302产生平移力3322并且线圈3304产生平移力3324时，分解的力3326不同于两个原始力中的任一个。
图33b示出四触觉器阵列。它包括触觉器3350、3352、3354和3356。当触觉器3350被激励以产生力3360并且触觉器3354被激励以产生力3362时，结果是扭矩3364。该扭矩的大小将取决于各个触觉器的力以及限定每个触觉器与旋转中心之间的距离的半径3370和3372两者。如果另外两个触觉器也产生加强该运动的力，则扭矩3364可以加倍。
通过对四个触觉器的信号的各种组合可以在沿x和y轴的任何方向上产生平移运动。在示例情况下，通过触觉器3356的电流产生力3382，并且通过触觉器线圈3352的电流产生力3380，并且这两个力组合以产生力3384的竖直分量。力3384的水平分量来自由另外两个线圈产生的相反定向的力3360和3362的净差。如果这两项行动同时发生；即，如果触觉器3352和3356两者产生平移力3384，触觉器3350和3354产生旋转力3364，并且同时产生扭矩和净力矢量的合力3390。以该方式组合信号允许沿由x和y轴限定的平面中的任何矢量产生力以及同时呈现任意扭矩。
如上所示，触觉器可以被安装在独立于耳机罩移动的板上。如图34a所示，本发明的另一实施例提供了多个移动部分，以提供额外的触觉表现力。例如，耳机垫可以分成三个段：台段3402、台段3404和台段3406。也可以提供更多或更少的段。每个段可以包含单个触觉器，或者一个或多个段可以包含多个触觉器。如果每个段仅包含单个触觉器，则分割提供了刺激耳朵周围皮肤的不同部分的能力。如果每个段包含多个触觉器，如图34a所示，则可以发生更复杂的信号。如图34a所示，段3402产生扭矩并向前，而段3404产生向下的力，并且段3406产生沿着第三矢量的往复力。
除了将触觉器定位在耳机的罩中之外，还可以将它们定位在耳机的其它部分中，诸如连接罩的弧部，其通常将耳机的重量分配到头顶，从而提供另一接触点。如图34b所示，位于耳机弧部3450中的触觉器也可以被用于在多个方向上产生定向提示。
与通过耳机传送功能相关联的挑战中的一个是信号发生器(触觉器)通常不直接接触用户的皮肤：它必须通过用于相对于佩戴者的耳朵定位音频驱动器的垫来传输其信号，并且提供舒适度和(在大多数情况下)噪声隔离。这些垫倾向于由诸如皮革、乙烯基或织物的柔韧的外部材料和内部部件组成，该内部部件通常为弹性泡沫，但也可以由液体、空气或其它材料组成。一些耳机只提供开孔泡沫，并无需单独的外层。垫的组合的内部部分和外部部分的一个目的是符合紧邻耳朵(或者，在入耳式耳机、耳朵本身的情况下)的头部的复杂和不规则的拓扑结构。第二个目标是吸收来自耳机外部的声音，以便提供一定程度的隔离，并且在一些情况下吸收来自耳机内部的硬表面的不期望的反射。这些目标通常通过配置垫组件来实现，使其柔软且耗散-即，它将吸收振动。该性质与触觉器交叉使用，实际上，在其到达听者之前潜在地抛弃由触觉器产生的大部分能量。
当耳机包括如本文所述的触觉器时，耳机垫可以搭载在平面内移动的台上，其目标是向皮肤施加剪切接触。可以期望的是，台的位移不被垫的弹性柔顺(compliance)所消耗。然而，通过现有方法降低柔顺来减少损失很可能导致在其它方面牺牲垫的性能，如符合头部或耳部、隔音和舒适。
本发明的方面是改善该接触触觉系统的性能，而对垫性能的其它方面没有显著不利影响。这个目标可以通过采用各向异性材料作为耳机垫构造的部分来实现；换言之，在剪切时是刚性材料，使得它可以有效地传递触觉器的剪切力，但在压缩方面仍然柔顺和舒适。对各向异性的线性弹性的全面讨论超出了本说明书的范围，并可以在别处回顾(例如，参见于2013年由奥克兰大学出版的异向弹性力学中的章节6.3第157页的第一部分-固体力学介绍的Piaras Kelly的固体力学讲义)。也就是说，为了清楚说明本发明教导的各向异性材料特性的种类，需要简单的解释。
对于各向同性材料，剪切模量(G)和弹性模量(E)通过泊松比(v)关联，其获得材料的体积可压缩性。对于各向同性材料，剪切模量与弹性模量的比率为：
Figure GDA0001726537210000411
其中
Figure GDA0001726537210000412
Figure GDA0001726537210000413
G＝剪切模量，[N/m2]；
Fx＝沿着材料顶表面的剪切力，[N]；
z0＝材料厚度，[m]；
A＝施加力的区域，[m2]；
Δx＝材料上表面的横向剪切位移，[m]；
E＝弹性模量(也被称为杨氏模量)，[N/m2]；
Fz＝垂直于材料顶表面的力，[N]；
Δz＝材料厚度响应于法向力的变化，[m]；以及
v＝泊松比(Δx/x0)/(Δz/z0)，其典型范围从z＝0.5(不可压缩)到z＝-1(完全可压缩)。
本发明教导由各向异性材料组成的耳机垫，其中剪切模量与弹性模量的比率大于各向同性材料的剪切模量与弹性模量的比率。即，其中
Figure GDA0001726537210000421
由于典型的泡沫具有约0.3的泊松比，因此本发明教导其中剪切模量与弹性模量的无单位比(Gxz/Ezz)大于0.4的材料的使用。具体地，其中：Gxz＝响应于在材料的顶部z表面上施加的x方向上的侧向牵引的剪切模量；以及
Ezz＝在材料的顶部z表面上的负z方向上响应于压缩牵引的弹性模量。
垫材料被定向为使得在剪切力通过垫施加到皮肤的方向上，材料的(较软的)z轴指向佩戴者的皮肤，并且材料的(较硬的)x轴指向平行于皮肤。对软材料特别感兴趣。因此，本发明教导使用弹性模量在缓冲泡沫典型范围内的各向异性材料，10kPa<E<10MPa。
图35a示出耳机垫中常见的泡沫的简化截面图。图像3502是实际耳机垫的截面图。它包括背衬织物3504和接触材料3506，其抵靠用户的头部或耳朵。接触材料3506可以是织物或皮革或另一种材料，具有合适的舒适度和外观。在背衬织物3504和接触材料3506之间捕获的是泡沫3508。通常，泡沫3508是一种开孔聚合物，其在所有方向上或多或少相同地柔顺。即，传统垫的材料是各向同性泡沫。这种泡沫的放大截面图示为3510。
已经存在至少一种现有设计被应用于可以提供一定的各向异性刚度的耳机罩。如图35b所示，Kokoon已经推出了一种设计，其包括由不连续弯曲构成的矮型垫支撑件。耳机罩包括弹性塑料构件3520，该弹性塑料构件3520包括可能弯曲的单独“手指”3522的阵列，以允许与佩戴者头部的平面正交的运动，同时阻止沿着该平面的横向运动。虽然该构造是为改善通风而不是剪切刚度而开发的，但是几何形状可能提供各向异性的刚度。当沿着一个轴线3524施加力时塑料构件3520挠曲，但是当从其它方向施加力时塑料构件3520不挠曲。在本发明的实施例中，该几何形状可以被应用于产生各向异性刚度而不是提供通风的问题。为了有效地应用于触觉耳机，由该现有技术体现的分开的手指几何形状将可能需要进一步被开槽和变薄，以在与接触触觉效果正交的方向上提供适当的柔顺性。并且几何形状的中心需要被移除，使得该结构是环形的，以提供缓冲支撑件，而不是后部壳体。这种将几何形状重新用于缓冲支撑件的一般效果可以是创造性的，并且如图35c所示。
克服图35a和图35b所示技术的一些缺点的本发明的方面是使用一种或多种合适的垫填充材料。具有各向异性特性的泡沫是可用的，并且可以通过各种装置创建。良好的各向异性特性也可以通过具有平面内主要定向的纤维的垫子产生。已经存在适合具有各向异性的材料的商业生产。由3M制造的Scotch-BriteTM垫是一个示例。在平面内加热并拉动以便定向单元壁的热塑性泡沫也具有合适的性质。
图36示出各向异性材料如何能够增强耳机的接触能力。耳朵3602被包含在垫3604内。往复力3606剪切平行于矢状面的皮肤。将各向异性材料定向在垫内，使得垫有效地传输力3606，同时在其它方向上保持适形。
截面图3608通过截面A-A3610从垫3604取得。在3612中示出垫内材料在其放松状态下(即，未压缩状态)的放大视图。其示出一种创建各向异性可压缩材料的方法：其纤维(以及这些纤维之间的空隙)不是随机成形或定向的，而是沿着抵抗运动的平面伸长。因此，当力3614横向于垫的面施加时，材料3612对变形3616(压缩Δz)提供相对较小的抵抗力。然而，当剪切牵引3618被施加到垫材料3612时，诸如3620的多个单根纤维被定向，使得它们在与施加的力相对平行的平面上延伸，并且相对抵抗拉伸变形，使得总体移动3622(横向位移Δx)相对较小。因此，包括各向异性材料的耳机垫将提高将触觉器的输出传送到佩戴装备触觉器的耳机的人的皮肤的效率。
本发明的另一方面是能够以多个自由度进行惯性致动和冲击致动两者的触觉器。惯性致动可以被认为是在输入信号和输出之间的关系是相对线性的运动范围上利用触觉器产生的振动—即，输入信号幅度的增加(通常以电压测量)导致由触觉器产生的力的成比例增加。作为实际问题，如先前在申请号为14/864,278公开，现在作为US9,430,921发布的所描述的触觉器将以惯性模式执行，只要其位移不会导致其与其框架接触。
当触觉器以足够的能量驱动以使其与框架接触时，触觉器像冲击装置一样操作。在冲击模式下，额外的输入力不显著增加行程。在图37a中示出差异。在y轴上显示施加的力并且在x轴上显示位移。在惯性范围3702中，随着输入信号的增加，位移以线性方式增加。在冲击范围3704中，触觉器的移动质量已经超过其悬架系统的行程，并且额外的力将不显著增加行程。
从现有技术中已知单轴冲击触觉器，但可能使噪音不适用于耳机。它们通常包括金属移动质量块和由金属或其它材料制成的框架，并且当质量块撞击框架时，从惯性过渡到冲击模式会产生不期望的噪音。金属对金属的碰撞特别响亮。因此，本发明的方面是由可折叠的弹性元件悬挂的惯性/冲击触觉器，其比金属对金属的碰撞更平稳地改变弹簧应变率，从而使声学噪声最小化。
图37b示出没有这种可折叠弹性元件的触觉器的相关机械部件的简化分解图。移动质量块3710被保持在框架3712内，并且通过端板3714和3716限制其在期望平面内的运动以外的运动。当超出惯性行程限制时，质量块3710将与框架3712碰撞，产生不期望的噪声。
图37c示出可折叠弹性元件3720的实施例的立体图。一个可能的实施例是由硅树脂或另一种弹性和柔性材料制成的中空圆柱体。
图37d示出触觉器的截面图，其中八个这种可折叠元件3720将移动质量块3710定位并悬挂在框架3712内。磁体3722被定向成使得质量块3710能够沿着轴线3724移动。当质量块3710沿着该轴线行进时，一端上的两个可折叠元件3720压靠框架3712，而另一端上的两个可折叠元件3720扩展。
正交于压缩可折叠元件和伸长可折叠元件的侧面上的四个可折叠元件自由滚动以保持与框架3712和质量块3710的接触。可折叠元件3720还提供一种用于传送冲击接触同时抑制与硬表面之间的接触相关的不期望的噪声的方法。在没有如本文所述的悬架的触觉器在具有可听见的“咔哒”声或其它类似噪声的惯性区域和碰撞区域之间尖锐地过渡的情况下，可折叠元件3720可提供更平滑的过渡，从而允许有效使用冲击接触。如果完全放松的可折叠元件是圆形柱体3730，则当施加力时，部分被压缩的可折叠元件将开始变平3732。如果施加足够的力，则可折叠元件将完全折叠3734。如果可折叠元件由诸如硅树脂或类似材料的其自身可压缩的材料制成，则额外的力可以提供稍大的行程。然而，可折叠元件也可以由诸如钢丝的不可压缩材料制成。在该情况下，可折叠元件可能将到达没有(相关的)力将产生额外的行程的点。
可压缩元件的这种布置的另一个优点是支持多个自由度的运动。图37e示出可以实现这一点的一个装置。框架3740和移动质量块3742可以基本上类似于图37c中所示的那些。为了产生沿两个轴的运动，提供两个马达；这可以实现磁体对3744和磁体对3746，磁体对3746相对于磁体对3744正交定向。(还需要两个单独的导电线圈，为了清楚起见未示出。)磁体3744(及其相关线圈)沿轴线3748提供运动；磁体3746(及其相关联的线圈)沿轴线3750提供运动。这样的实施例还将允许扭转接触以及涉及线性和扭转提示的混合的更复杂的提示。
图38a和图38b示出根据一些实施例的触觉器的详细截面图和分解图。移动质量块3802位于框架3804以及顶盖3806和底盖3808内。与质量块的悬挂有关的额外的部件包括八个弹性元件3810以及顶部保持器板3812和底部保持器板3814，它们都被固定到移动质量块3802，并且用于保持弹性元件3810。每个保持器板包括四个凸片或钩3816。
在该实施例中，弹性元件3810在两端上成斜角3820，使得弹性元件具有短边和长边。弹性元件3810在组件中定向，使得长边3822接触框架3804并且短边3824面向可移动质量块3802。在细节视图3840中突出显示斜角的原因。它提供允许质量块3802和保持器板3812和3814移动而不刮擦盖板3806和3808的间隙。
质量块3802在框架3804内移动。移动质量块3802被固定到保持器板3812和3814，保持器板3812和3814随着移动质量块3802一起移动。顶部保持器板3812上的四个钩3816中的每一个从顶部插入到各个弹性元件3810的圆柱体中；底部保持器板3814上的四个钩3816中的每一个从底部插入各个弹性元件3810的圆柱体中，使得八个圆柱体中的每一个都由一个钩保持。
应当注意的是，考虑所描述的实施例的多种变型。弹性构件可以由任何弹性材料制成，包括可以用作弹簧的金属。弹性构件可以是不同于圆柱体的形状，诸如片簧、螺旋弹簧、泡沫立方体或其它形状和材料。触觉器及其壳体可以以除正方形或长方形之外的各种形式成形，诸如圆形、环形、环形的部分等。可以使用更多或更少的弹性构件来悬挂质量块并弹性地限制行程。
共同地和单独地，这些改进提高对低音的感知并改善声音的空间化。证明了空间反应时间和听力健康的益处，以及前面描述的许多其它益处。
应当理解的是，从上述内容中显而易见的方面、特征和优点被有效地实现，并且由于在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在公开的发明实施例中做出某些改变，因此旨在本文包含的所有内容应当被解释为说明性的而不是限制性的。
还应当理解的是，以下权利要求旨在涵盖本文描述的本发明的所有通用和具体特征，并且作为语言的事实，本发明的范围的所有陈述可以被认为落入其间。
本文描述的系统或其部分可以被实施为计算机程序产品或服务，其包括存储在一个或多个非暂时性机器—可读存储介质上以及在一个或多个处理装置可上执行以执行或控制本文描述的操作的指令。本文描述的系统或其部分可以被实施为可包括用于存储执行各种操作的可执行指令的一个或多个处理装置、并行处理装置和存储器的设备、方法或电子系统。

Claims (19)

1.一种用于经由电磁致动运动向用户生成触觉定向提示的设备，所述设备包括第一耳罩和第二耳罩，所述第一耳罩被配置为位于所述用户的第一个耳朵附近并且所述第二耳罩被配置为位于所述用户的第二个耳朵附近，每个耳罩包括：
振动模块，在基本平行于所述用户的头部的矢状面的平面内产生运动；以及
垫，与所述振动模块物理接触，其中每个耳罩的振动模块可独立寻址，并且同时传送到每个振动模块的电信号在每个振动模块中产生独立的振动模式，当所述振动模式被施加到用户的皮肤时，所述振动模式产生定向指示的触感。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电信号包括：
第一正弦信号，其被引导到所述第一耳罩的振动模块；以及
空信号，其被引导到所述第二耳罩的振动模块。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述电信号包括：
第一正弦信号，其被引导到所述第一耳罩的振动模块；以及
第二正弦信号，其被引导到所述第二耳罩的振动模块，其中所述第二正弦信号在时间上偏离所述第一正弦信号。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述第二正弦信号在超过所述第一正弦信号开始之后的20ms开始。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述电信号包括：
第一正弦信号，其被引导到所述第一耳罩的振动模块；以及
第二正弦信号，其被引导到所述第二耳罩的振动模块，其中所述第二正弦信号的幅度小于所述第一正弦信号的幅度。
6.根据权利要求1所述的设备，其中每个耳罩进一步包括：第二振动模块，其在基本上平行于所述用户的身体的矢状面的平面中产生运动，并且其中每个耳罩的所述第二振动模块相对于其它振动模块可独立寻址。
7.根据权利要求6所述的设备，其中：
每个耳罩的第一振动模块被配置为位于相对于所述用户的耳朵的前方；以及
每个耳罩的所述第二振动模块被配置为位于相对于所述用户的耳朵的后方。
8.根据权利要求6所述的设备，其中：
每个耳罩进一步包括：第三振动模块和第四振动模块，在基本上平行于所述用户的身体的矢状面的平面中产生运动，并且其中每个耳罩的所述第三振动模块和所述第四振动模块相对于其它振动模块可独立寻址。
9.根据权利要求8所述的设备，其中：
每个耳罩的所述第三振动模块被配置为位于相对于所述用户的耳朵的上方；以及
每个耳罩的所述第四振动模块被配置为位于相对于所述用户的耳朵的下方。
10.根据权利要求1所述的设备，其中当波形正在一个方向上移动时所述电信号较快速地加速所述振动模块中的至少一个并且当所述波形正在相反方向上移动时所述电信号较缓慢地加速所述振动模块中的至少一个。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述电信号引导所述振动模块中的至少一个，以基本上锯齿形图表示的速度振动。
12.根据权利要求1所述的设备，所述耳罩包括：
导电线圈；
一对磁体，与由所述导电线圈产生的磁场对准；
固定构件，包括所述导电线圈和所述一对磁体中的一个；
可移动构件，包括所述导电线圈和所述一对磁体中的另一个；
垫，直接联接到所述可移动构件；
悬架，相对于所述固定构件引导所述可移动构件和所述垫；以及
阻尼构件，与所述可移动构件连通。
13.一种用于经由电磁致动运动向用户生成触觉定向提示的耳罩，其包括：
导电线圈；
一对磁体，与由所述导电线圈产生的磁场对准；
固定构件，包括所述导电线圈和所述一对磁体中的一个；
可移动构件，包括所述导电线圈和所述一对磁体中的另一个；
垫，直接联接到所述可移动构件；
悬架，相对于所述固定构件引导所述可移动构件和所述垫；以及
阻尼构件，与所述可移动构件连通。
14.根据权利要求13所述的耳罩，其进一步包括：
第二导电线圈，其被配置成产生磁场，所述磁场具有与由所述导电线圈产生的磁场的方位基本正交的方位；
以及一对磁体，其与由所述第二导电线圈产生的磁场对准，其中：
所述固定构件包括所述第二导电线圈和第二对磁体中的一个；
其中所述可移动构件包括所述第二导电线圈和所述第二对磁体中的另一个。
15.根据权利要求13所述的耳罩，所述垫包括：
可压缩材料，具有第一维度和第二维度，其中：
所述第二维度与所述第一维度正交；
所述可压缩材料在所述第一维度上具有压缩刚度并且在所述第二维度上具有不同的剪切刚度，其中压缩刚度和剪切刚度的差异由使用材料的材料各向异性产生，其中所述材料的剪切模量与弹性模量的比率超过0.4并且弹性模量在10kPa-10MPa的范围内；以及
所述可压缩材料在所述第一维度上的压缩模量大于其在所述第二维度上的压缩模量。
16.根据权利要求13所述的耳罩，所述悬架包括：
联接到所述固定构件的多个弹性圆顶，其中所述可移动构件包括多个突出的凸台，每个突出的凸台使相应的弹性圆顶部分地变形。
17.根据权利要求16所述的耳罩，其中所述多个弹性圆顶填充有流体，所述流体阻尼可听振动。
18.根据权利要求13所述的耳罩，所述悬架包括：
环形球笼，固定地联接到所述固定构件和所述可移动构件中的一个；以及
弹性球，位于所述环形球笼内，所述弹性球接触所述固定构件和所述可移动构件。
19.根据权利要求18所述的耳罩，所述悬架进一步包括：
系绳，将所述弹性球联接到所述球笼，使得所述弹性球不能直接接触所述球笼。
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