CN111972928B

CN111972928B - 一种具有环绕音场的助睡眠枕头及其调控方法

Info

Publication number: CN111972928B
Application number: CN202010855398.2A
Authority: CN
Inventors: 焦子芸; 焦庆春; 毛宁
Original assignee: Zhejiang Zhiyun Information Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Zhiyun Information Technology Co ltd
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: CN111972928A

Abstract

本发明公开了一种具有环绕音场的助睡眠枕头的调控方法。枕头本体四角设有扬声器，枕头本体中部设有压力发电部件、压力传感阵列，压力传感阵列包括多排平行布置的压力传感组，每相邻两排压力传感组之间设有一个压力发电部件；方法是根据压力传感矩阵提取不同特征值，包括左右、上下压力差系数；根据压力传感矩阵提取不同特征值：通过压力传感矩阵所产生的特征值对各个扬声器进行音量调节控制。本发明能根据人体睡眠时头部所处枕头位置的判断实时姿态研判调控睡眠者头部的环绕声场，实现声随人动的效果，能有效避免不同位姿声场不均的现象，从而提高枕头辅助睡眠的效果。

Description

一种具有环绕音场的助睡眠枕头及其调控方法

技术领域

本发明属于一种电子化枕头的调控方法，具体涉及一种具有环绕音场的助睡眠枕头的调控方法。

背景技术

睡眠时人类生活中非常重要的内容，睡眠质量的提高有助于人体身心健康。枕头是一种重要的辅助睡眠工具，除了对枕头内部填充材料的改变，当前还出现了许多具有睡眠侦测和播放音乐的智能枕头，如CN108056765A的中国发明专利申请公开了一种可自动监测人体健康状态的智能枕、垫，CN 110975107A一种音乐助眠枕及音乐助眠方法，CN109924948A一种智能枕头控制方法及系统，现有产品大部分涉及了传感、通信与判断，实现了手机终端软件的控制操作，如声音控制和数据收集回放等功能。

但是，这些产品与专利尚存在一些不足，扬声器布设均为中心左右设置的2个或3个，仅形成一个立体声双声道的固定中心声场，一旦人的头部在枕头位置上偏离声场就会被破坏；同时现有枕头不能针对人体睡眠时的头部姿态改变进行位置描述，进而不能实时环绕音场的自动设置；现有智能枕头均以外部链接和控制为主，没有充分利用人体浅睡眠状态下的头部活动能量，没有充分将该部分能量信号的搜集和存储；同时，现有产品和专利虽有部分控制方法，但大部分没有公开具有针对性传感器布设及其特征量的感知控制计算方法。

发明内容

本发明针对人体睡眠姿态特点，解决现有技术和方案存在的缺陷，提出了一种具有环绕音场的助睡眠枕头的调控方法，基于感知耳枕的器件布设结构进行调控，通过器件布设与控制能够自动形成特定的音场环境与音源控制，使得头部的声场恒定，避免了需要借助测体温、测心跳、智能终端(如手机APP)等繁复操作，从而辅助耳枕使用者提升睡眠质量。

本发明所采用的技术方案是：

本发明在枕头本体的四角均设有扬声器，四角的扬声器构成了扬声器组，枕头本体上表面的中部设有压力发电部件、压力传感阵列，压力传感阵列包括多排平行布置的压力传感组，每排压力传感组包括了多个压力传感器沿直线间隔排列构成，每相邻两排压力传感组之间设有一个压力发电部件；方法过程具体为：

1)各排压力传感组构成了按m行n列阵列式排列的压力传感器，各排压力传感组检测获得的压力传感值组成压力传感矩阵P表示为：

其中，p_i,j表示压力传感矩阵P中第i行第j列的元素，即m行n列压力传感器的检测获得的压力传感值；

2)根据压力传感矩阵提取不同特征值：

3)通过压力传感矩阵所产生的特征值对各个扬声器进行音量调节控制。

所述步骤2)具体为：

2.1)按以下公式计算头部处于枕头的瞬时左右压力差系数：

式中，A_LR(t)为时刻t的瞬时左右压力差系数，p_i,j(t)表示时刻t的压力传感矩阵P中第i行第j列的元素，m、n分别表示压力传感矩阵P的行、列总数；

2.2)按以下公式计算头部处于枕头的瞬时上下压力差系数：

式中，A_UD(t)为时刻t的瞬时上下压力差系数。

所述步骤3)具体为：

3.1)按以下公式计算左右对扬声器的平衡音量：

式中，V′(t,V_l,V_r)表示关于时刻t、左侧扬声器音量V_l和右侧扬声器音量V的平衡音量函数，V(t)为当前时刻t的总声场音量，V_l(t),V_r(t)分别为时刻t的枕头左侧扬声器音量和右侧扬声器音量，k为增加系数，g为减小系数；

按以下公式计算上下对扬声器的平衡音量：

式中，V′(t,V_u,V_d)表示关于时刻t、上侧扬声器音量V_i和下侧扬声器音量V_d的平衡音量函数，V_u(t),V_d(t)分别为时刻t的上侧扬声器音量和下侧扬声器音量；

3.2)按以下公式计算四个扬声器的音量值，按照扬声器各自的音量值对扬声器进行控制音量：

式中，V(t,V_lu,V_ru,V_ld,V_rd)表示关于时刻t、上左扬声器音量值V_lu、上右扬声器音量值V_ru、下左扬声器音量值V_ld、下右扬声器音量值V_rd的平衡音量函数，V_lu,V_ru,V_ld,V_rd分别为枕头位于上左、上右、下左、下右的扬声器的音量值，R为混合系数。

所述方法将扬声器播放声音的四个阶段按照时序分为起始音频播放稳定阶段、音量非线性减小时段、平稳时段、浅睡眠波动时段；

起始音频播放稳定阶段不修正控制音量，音量非线性减小时段按传感特征进行音量增量修正控制，平稳时段控制音量为零，浅睡眠波动时段按传感特征值将音量按动态调整，通过压力传感矩阵和压力发电部件的特征计算助眠音频的修正值，根据助眠音频的修正值对当前时刻t的总声场音量V(t)采用以下变化控制：

式中，V₀为预设的初始音量，r为衰减因子，e为自然常数，S为渐睡影响系数；S′为浅睡眠音量调增系数；t₀，t₁，t₂分别表示起始音频播放稳定阶段和音量非线性减小时段之间的分界时刻、音量非线性减小时段和平稳时段之间的分界时刻、平稳时段和浅睡眠波动时段之间的分界时刻。

所述的扬声器组、压力发电部件、压力传感阵列外周围的枕头内部均采用柔性填充物填充。

所述的枕头本体顶部边缘设有控制部件，控制部件分别和扬声器组、压力发电部件、压力传感阵列电连接。

所述的压力发电部件为条状，平行于压力传感组的直线和枕头本体长边布置。

四角的扬声器的传声面均朝向枕头本体的中心布置。

所述的控制部件包括声道音场控制器、采集控制器、电源电池、音乐播放及音源存储器、WiFi/蓝牙无线通信模块、充电模块；声道音场控制器的输出端分别和四角的四个扬声器连接，压力发电部件、压力传感阵列的信号输出端均连接到采集控制器的输入端，采集控制器和音乐播放及音源存储器的的输出端连接到声道音场控制器，压力发电部件的电能输出端连接到电源电池，电源电池的输出经充电模块和通信模块连接，采集控制器和音乐播放及音源存储器之间通过通信模块连接，充电模块连接到音乐播放及音源存储器，电源电池直接连接到声道音场控制器。

本发明分别在枕头各部位布设具有四声道环绕声场效果的扬声器组件、压力发电部件、压力传感阵列和控制部件等电子部件，能对人体睡眠时头部所处枕头位置进行判断，并能通过实时姿态研判调控睡眠者头部的环绕声场，实现声随人动的效果，能有效避免不同位姿声场不均的现象，从而提高枕头辅助睡眠的效果。布设的压力发电部件在主动延长枕头内置电池使用周期的同时，也能作为头部移动、滚动等活动状态的判定参量，从而能根据睡眠者头部活动的稳定特征，综合计算出辅助睡眠音频音量的分段控制值。

本发明中的器件布设结构设计巧妙，给出的自动调整方法简单明确。

本发明的有益效果为：

本发明装置和方法，器件布设结构设计巧妙，布设的压力发电部件能在主动延长为枕头内置电池使用周期的同时，也作为头部移动、滚动等活动状态的压力检测和表征。

本发明能针对人体睡眠时的头部姿态与所处枕头的位置进行判断，并能通过实时姿态研判调控睡眠者头部的环绕声场，实现声随人动的效果，能有效避免不同位姿声场不均的现象。

本发明依据头部活动的平稳度，表征睡眠程度，动态调整总音量的输出值，从而提高枕头辅助睡眠的效果。

附图说明

图1是本发明的枕头结构与器件布设示意图；

图2是本发明的控制部件的电气连接图；

图3是本发明的调控过程方法流程图；

图4是本发明的音量调整示意波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，具体实施包括枕头本体、扬声器组2、压力发电部件3、压力传感阵列4和外部包围的柔性填充物，枕头本体的四角均设有扬声器，四角的扬声器构成了扬声器组2，四角的扬声器的传声面均朝向枕头本体的中心布，形成为4声道扬声器组。

枕头本体上表面的中部设有压力发电部件3、压力传感阵列4，压力传感阵列4包括多排平行布置的压力传感组，每排压力传感组包括了多个压力传感器沿直线间隔排列构成，每相邻两排压力传感组之间设有一个压力发电部件3为条状，压力发电部件3平行于压力传感组的直线布置；扬声器组2、压力发电部件3、压力传感阵列4外周围的枕头内部均采用柔性填充物填充。

枕头本体顶部边缘设有控制部件1，控制部件1分别和扬声器组2、压力发电部件3、压力传感阵列4电连接。

如图2所示，具体实施的控制部件1包括声道音场控制器、采集控制器、电源电池、音乐播放及音源存储器、WiFi/蓝牙无线通信模块、充电模块；声道音场控制器的输出端分别和四角的四个扬声器连接，压力发电部件3、压力传感阵列4的信号输出端均连接到采集控制器的输入端，采集控制器和音乐播放及音源存储器的的输出端连接到声道音场控制器，压力发电部件3的电能输出端连接到电源电池，电源电池的输出经充电模块和通信模块连接，采集控制器和音乐播放及音源存储器之间通过通信模块连接，充电模块连接到音乐播放及音源存储器，电源电池直接连接到声道音场控制器。

对于布设在枕头内四角的四个扬声器，以布置在同一枕头本体长边的两个扬声器构成一对声场环绕对，一对声场环绕对中两个扬声器的传声面之间夹角范围为90-180°，间距为30-80cm，距枕头本体上表面的距离D_h按照以下公式设置：

式中，Hight为枕头的高度，Δd_h为第一可调整偏差，(0,5)表示从0到5取值，单位为厘米cm；

具体实施中，夹角范围为120°，间距为60cm,本案例D_h设置为2cm。

相邻压力传感器之间的列间隔距离和行间隔距离按照以下公式设置：

(2)(3)式中Dl为列间距，Dw为行间距，Length为枕头的长度，Width为枕头的宽度，Δd_w、Δd_l为第二、第三可调整偏差；

具体实施中，Dl和Dw的设置值分别为10cm，16cm。

布设在枕头中层的一组条带状布设的压力发电部件，发电部件沿长边平铺，瞬时发电量为U(t)，距枕头本体上表面的距离相同于扬声器的设置，相邻压力发电部件之间的水平行间隔距离D_m按照以下公式设置：

式中Width为枕头的宽度，Δdw为第四可调整偏差，x为条带数量。

具体实施中，D_m的设置值分别为12cm。

本发明的实施例及其实施过程如下：

枕头长宽高为80×50×10cm，按发明内容在内部设置4组扬声器、一组4行6列压力传感阵列和一组3行压力发电部件和一个控制器和外部包围的多孔纤维柔性填充物。

实现的控制过程如图3所示，方法过程具体为：

1)各排压力传感组构成了按m行n列阵列式排列的压力传感器，本案例设置中m＝4,n＝6，压力传感器形成4×6的阵列排布。各排压力传感组检测获得的压力传感值组成压力传感矩阵P表示为：

2)根据压力传感矩阵提取不同特征值：

2.1)按以下公式计算头部处于枕头的瞬时左右压力差系数，作为头部实际落在枕头的左右位置变化：

2.2)按以下公式计算头部处于枕头的瞬时上下压力差系数，作为头部实际落在枕头的上下位置变化：

式中，A_UD(t)为时刻t的瞬时上下压力差系数。

3)通过压力传感矩阵所产生的特征值对各个扬声器进行音量调节控制，实现头部在枕头上滚动时实时调整各个扬声器的均衡发声。

3.1)按以下公式计算左右对扬声器的平衡音量：

按以下公式计算上下对扬声器的平衡音量：

式中，V′(t,V_u,V_d)表示关于时刻t、上侧扬声器音量V_u和下侧扬声器音量V_d的平衡音量函数，V_u(t),V_d(t)分别为时刻t的上侧扬声器音量和下侧扬声器音量；

3.2)按以下公式计算四个扬声器的音量值，按照扬声器各自的音量值对扬声器进行控制音量，即设定为计算获得的音量值，调增远处扬声器音量值，并同时调减近处扬声器音量值：

上述方法预先实施中，先通过压力传感矩阵和压力发电部件的特征计算助眠音频的修正值：

其中，U(t)表示时刻t的压力发电部件的瞬时电压值的平均值。

方法将扬声器播放声音的四个阶段按照时序分为起始音频播放稳定阶段、音量非线性减小时段、平稳时段、浅睡眠波动时段；

式中，V₀为预设的初始音量，可以是准备开始睡觉时刻的音量值，r为衰减因子，e为自然常数，S为渐睡影响系数；S′为浅睡眠音量调增系数；t₀，t₁，t₂分别表示起始音频播放稳定阶段和音量非线性减小时段之间的分界时刻、音量非线性减小时段和平稳时段之间的分界时刻、平稳时段和浅睡眠波动时段之间的分界时刻。

t₀，t₁，t₂三个特征时刻划分了四组连续时段，分别对应为初始设定的起始音频播放稳定时段默认时长为5分钟，音量减小时段默认时长为25分钟，平稳时段默认时长为30分钟及浅睡眠波动时段。

这样由压力对应的总声场音量V(t)进而进行四声道控制，以保证枕头上人头部所感受的混合声场稳定一致。

头部在枕头上滚动时产生了压力变化，通过压力发电部件检测压力变化反馈对四扬声器的四声道进行控制。压力发电部件同时受压能发电，可用于电路的供电。

本发明还在具有环绕音场的辅助睡眠枕头的使用时，能在系统初始设定后能根据人的行为自行调整，也可以通过有线或无线对初始音量、默认时间段时长、播放音乐内容(如森林、海滩等白噪声)、瞬时音量与声场布设进行人为远程控制。

本发明在不进入睡眠状态条件下，仅作为头部环绕音场的调节使用时，也适用于人在坐姿时听音乐的头部靠枕的使用，该条件下声音的总音量可以由用户通过无线通信方式进行调节。

Claims

1.一种具有环绕音场的助睡眠枕头的声场调控方法，其特征在于：在枕头本体的四角均设有扬声器，四角的扬声器构成了扬声器组(2)，枕头本体上表面的中部设有压力发电部件(3)、压力传感阵列(4)，压力传感阵列(4)包括多排平行布置的压力传感组，每排压力传感组包括了多个压力传感器沿直线间隔排列构成，每相邻两排压力传感组之间设有一个压力发电部件(3)；方法过程具体为：

2)根据压力传感矩阵提取不同特征值：

3)通过压力传感矩阵所产生的特征值对各个扬声器进行音量调节控制；

所述步骤2)具体为：

2.1)按以下公式计算头部处于枕头的瞬时左右压力差系数：

2.2)按以下公式计算头部处于枕头的瞬时上下压力差系数：

式中，A_UD(t)为时刻t的瞬时上下压力差系数；

所述步骤3)具体为：

3.1)按以下公式计算左右对扬声器的平衡音量：

按以下公式计算上下对扬声器的平衡音量：

式中，V(t,V_lu,V_ru,V_ld,V_rd)表示关于时刻t、上左扬声器音量值V_lu、上右扬声器音量值V_ru、下左扬声器音量值V_ld、下右扬声器音量值V_rd的平衡音量函数，V_lu,V_ru,V_ld,V_rd分别为枕头位于上左、上右、下左、下右的扬声器的音量值，R为混合系数；

所述方法还包括助眠音频修正的另一方面：将扬声器播放声音的四个阶段按照时序分为起始音频播放稳定阶段、音量非线性减小时段、平稳时段、浅睡眠波动时段；

式中，V₀为预设的初始音量，r为衰减因子，e为自然常数，S为渐睡影响系数；S′为浅睡眠音量调增系数；t₀，t₁，t₂分别表示起始音频播放稳定阶段和音量非线性减小时段之间的分界时刻、音量非线性减小时段和平稳时段之间的分界时刻、平稳时段和浅睡眠波动时段之间的分界时刻；

所述的枕头本体顶部边缘设有控制部件(1)，控制部件(1)分别和扬声器组(2)、压力发电部件(3)、压力传感阵列(4)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有环绕音场的助睡眠枕头的声场调控方法，其特征在于：所述的扬声器组(2)、压力发电部件(3)、压力传感阵列(4)外周围的枕头内部均采用柔性填充物填充。

3.根据权利要求1所述的一种具有环绕音场的助睡眠枕头的声场调控方法，其特征在于：所述的压力发电部件(3)为条状，平行于压力传感组的直线和枕头本体长边布置。

4.根据权利要求1所述的一种具有环绕音场的助睡眠枕头的声场调控方法，其特征在于：四角的扬声器的传声面均朝向枕头本体的中心布置。

5.根据权利要求1所述的一种具有环绕音场的助睡眠枕头的声场调控方法，其特征在于：所述的控制部件(1)包括声道音场控制器、采集控制器、电源电池、音乐播放及音源存储器、WiFi/蓝牙无线通信模块、充电模块；声道音场控制器的输出端分别和四角的四个扬声器连接，压力发电部件(3)、压力传感阵列(4)的信号输出端均连接到采集控制器的输入端，采集控制器和音乐播放及音源存储器的输出端连接到声道音场控制器，压力发电部件(3)的电能输出端连接到电源电池，电源电池的输出经充电模块和通信模块连接，采集控制器和音乐播放及音源存储器之间通过通信模块连接，充电模块连接到音乐播放及音源存储器，电源电池直接连接到声道音场控制器。