CN1154744A - 触觉—声音信息检测与测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种包括振动片(2)、麦克风装置(3)和通过一个调谐网络(6)连接到信息源(8)上的第一和第二电极构件(4，5)的触觉—声音变换器(1)。麦克风装置(3)连接到计算机(10)，计算机(10)具有显示装置(11，12)以及把控制信号提供给可调谐网络(6)的控制输出端。允许操作者用其中指的指端摩擦振动片(2)以去评价变换器的被视为“粘性”和“非粘性”摩擦状态的2种不同状态，当按照被检测或被测量的源的现象或状态准确地调谐网络(6)时，“粘性”状态将伴随特征声音的发出而出现。

Description

触觉—声音信息检测与测量装置和方法

本发明涉及检测和测量信息源指示的现象和状态的技术，以便对于观测者的知觉获取和选择这些信息及其指示。特别地，本发明涉及依据使用了诸如帕西尼氏小体的皮肤感觉受体这样的新型声音检测器检测和/或测量现象和状态的参数的装置和方法。

美国专利第2,482,773号(发明人Thomas G.Hieronymus)描述了一种用于检测从材料发出的发射的装置，例如，使用通过一个可调谐的手工操作的分析仪连接到一个特定的所希望的辐射体并且通过中间电路连接到一个声音检测器上的一个发射拾取装置分析来自物质的辐射。以往技术中的这种检测器包括一个用例如塑料材料包裹的电导体，依靠对操作者的手或手指的移动产生一个较大的阻力或电阻给出存在沿导体流动的能量的证明。但是，这种检测器的可应用性、其灵敏度、检测显露出的可再现性和精确度都受到相当限制。

本发明的目的在于特别地提供一种包括有大为改进了的检测器的信息检测和测量装置，其中，该检测器为具有高灵敏度和高精确度的声音-声音变换器形式，并且能够应用于和本发明的方法相联系的广泛的测量领域和范围。

根据本发明的用于检测和测量由连接到这些现象和状态源上的电导体上呈现的信息所描述的现象或状态的装置的特征在于：包括

一个安装在框架上的固体材料的振动片，构成一个当用操作人员的指尖摩擦其表面时能产生声音信号的模片；

麦克风装置，设在上述振动片相对的一侧用于接收上述声音信号

以及

设置在上述振动片和上述麦克风装置之间的至少第一及第二个实质上是扁平的电极构件，这些电极构件实际上相互平行并且与上述振动片平行，上述电极构件电连到包括用于调谐等的控制元件的可调谐网络的输出端，上述可调谐网络的输入端连接到上述信息源，而且上述麦克风装置的输出端，通过一个模/数变换器电路连接到一个计算机的输入端，该计算机适于处理包含在上述声音信号中的信息并且产生从其获得的检测和测量信号。

该装置的振动片最好用木料制成，特别地，用诸如青龙木(黑黄檀木)、紫檀(purple)木或拿撒勒(nazareno)木等硬木制成。提供一个用于加温上述振动片的电加热装置是有好处的。

根据本发明的一个优选实施例，上述第一电极构件在上述振动片和上述第二电极构件之间安装在一个电绝缘的实际为环状的支撑构件上，并且在其上面有一个中心孔。上述第二电极构件悬在与上述第一电极构件间隔一个适当距离的位置上。

第一电极构件最好用镀锌铁皮做成，而第二电极构件最好用铝做成。

本发明的装置可以包括指示装置，该装置连接到计算机的输出端，用于可视地显示和/或有声地再生检测或测量信号。多个可调谐网络的控制元件最好在操作人员的控制下也通过计算机调整。

在一个特殊的实施例中，可调谐网络包括至少一组连接在与信息源相连的电导体之间的可变电阻装置、电容装置和/或电感装置以及至少一个第一和第二扁平电极构件。

可变电阻，电容和电感装置可以分别包含有多个电阻元件、电容元件和/或电感元件，这些元件连接到一个电子开关组以便选择性地把这些元件插入到可调谐网络中，开关组直接或通过接口设备连接到供给用于开关组开关操作的控制信号的上述计算机的一个控制输出上。

信息源包括能够传感被检测或测量的现象或状态的传感装置。这些传感装置可以包括电极装置，该电极装置与显示上述现象或状态的样品或取样相连，和/或天线装置，而且，可调谐网络最好具有至少一个用于连接最少一个信号的外发生器的上述网络的附加输入端，该信号的外发生器能够修正从信息源得到的信号和/或修正和/或改变上述源的状态。

本发明的装置的操作方法是以使操作者的中指指骨末端摩擦振动片为基础的。中指的指尖包括帕西尼氏小体，这些小体是皮下组织中的机械受体，而且这些小体能够通过1Hz到大约1.5KHz之间的载波把感知的数据传输到大脑。在检测和测量环中这一特殊的机械受体的插入，即实际上归结为把帕西尼氏小体包括到装置中，对于作为用于科学调查研究、用于信息的探测及其恢复的手段的本方法的适用性显露出决定性的价值。

本发明一般地提供一种检测及/或测量由信息描述的现象或状态的参数的方法，这些信息至少呈现在一个连接到这些信息源的电导体上。该方法包括用一个具有皮肤感觉受体的身体部分或用一个能够模拟这种受体的人造身体部分摩擦触觉-声音变换器的检测器表面，其中上述变换器通过一个可调谐网络与上述信息源连接，该方法还包括调谐上述可调谐网络并且评价在上述能反映被检测或被测量的参数的特征的可调谐网络的一定设置下产生的上述摩擦条件下的状态的显著的变化，特别地，应用该方法，把由上述可调谐网络的相应调整所描述的与上述现象或状态的各种参数有关的信息以编码操作的形式存储在一个计算机中，上述被存储的信息用于随后的检测和/或测量操作以便在上述被检测或测量的参数与上述可调谐电路的上述一定设置之间建立对应关系。

本发明进一步的方面、目的和优点将从下述以依据附图的实施例的方法给出的特殊实施例的描述得以明确。

图1是示出基于本发明的装置的一般构造的框图。

图2是图1的装置中使用的可调谐网络的概略电路图。

图3是一个概略的透视部件分解图，示出了图1的装置中使用的触觉-声音变换器的主要部件。

图4是在部分地分解状态下，图3中的变换器的主要部件的侧视图。

图1的框图概略地示出了具有其主要部分的一个触觉-声音变换器1，即一个振动片2，一个麦克风3和两个电极4、5。这些电极连接到一个调谐网络的输出端。而该调谐网络的输入端连接到被标以S的信息源8。麦克风3的输出端连接一个模/数变换器9，该变换器又连接到例如一个个人计算机PC的计算机10的数字音频信号的输入端。计算机10最好具有连接到例如视频监视器11和扬声器12这样的指示装置的输出。计算机的再一个输出最好通过被标以I的接口19连接到调谐网络6，用于后述的计算机控制调谐。

图1的图中进一步地概略地示出了操作者使用装置的链路，该操作者通过其眼睛14，耳朵15和其中指的指端16分别接收来自监视器11、扬声器12和振动片2的信号。操作者的大脑把相应的数据转换为信息，通过一个认识过程来附加含义并馈送给人的意识。

在检测来自源8的某一信息的操作中，操作者用其一只手的中指轻轻地摩擦振动片2的表面，而另一只手操纵图中由旋钮17和18概略地描绘的可调谐网络6的控制元件。实际上，可调谐网络6装备了多个控制元件或每一个都连接了例如可变电阻或电容的旋钮。示出可调谐网络6的2个分离部分是说明一般用至少2个步骤才实现一个完整的调整操作，即，第一调节操作在先前已确定了的调整的基础上给出来自源8的信息种类，第二调谐操作检测和确定由第一调节选择的信息种类中的特殊信息。

特别地，可调谐网络的结构可以相似于前面提及的美国专利2,482,773号中所示的结构。该结构揭示的内容视为已结合在本叙述中。但是，概略地示于图2中的一个可调谐网络6最好用于本装置中，而且将在后面更详细地描述。

当操作者用其手指摩擦振动片时，操作者将产生一个由麦克风3接收的声音信号并且在模数转换后馈送到计算机10。

对可调谐网络的一定设置显露出由麦克风3提供的声音信号提供了能够由计算机识别的特性、确定好的结构或频谱以及能够由一个熟练的操作者识别的一种特殊的声音。该声音信号仅对应于调谐条件产生，而且超出其调谐状态之外逐渐消失，类似于谐振现象。作为由各种控制元件确定的可调谐网络的相应调整是表示由源8提供的信息。实际上，触觉-声音变换器(其中，上面提及的特有的声音是可听到的)的状态还具有用可以由操作者评价的粗糙的或“粘性的”(stick)触摸感觉的特征。当从所提及的调谐了的状态改变了可调谐网络的设置时，操作者的感觉改变了一个“光滑度”，但在指尖压力或指尖的移动速率方面没有意识到的变化。对应于所提及的“粘性”和“非粘性”状态的变换器的两种状态之间的差别以及其对可调谐网络的设置的参数是本发明的基本要素。现在这些基本要素显露出不仅是帕西尼氏小体，而且其余的皮肤传感器也可以在两种状态中具有活力并有助于操作者的感觉。实际上，接受实验对象人的指尖皮肤包括至少四套解剖上和生理上独特的机械受体，这些机械受体有有髓的快速传导体轴。除去已提及的在200到300Hz频率范围中具有公认的高灵敏的帕西尼氏小体外，麦纳斯氏小体也是快速适应受体，但是在较低的频率范围，另外，还有在0～100Hz范围中具有最大灵敏度的美克尔细胞受体以及也是在低频范围内具有最大灵敏度的慢速适应性鲁菲尼氏小体。这些受体可能是由横穿过变换器的片的指尖产生的机械状态的被动接受者、“非粘性”状态下的振动损失可以与指尖组织中的变化相联系，该变化减少了指尖对于振动的能力。然而，与本装置相关系的精确的机理及它们的效用仍然未完全搞清楚。特别地，不但在低频范围中的信号，而且还在高得多的频率的信号或由低频信号携载的这样高频的信号成分的检测中包括的机械受体的能力可以显示出在本装置的操作和应用性方面是必不可少的。还有，已经提到过可以使用一个人造身体部分代替具有皮肤感觉受体的指尖或其它身体部分，在该人造身体部分中模拟了这样的受体。

参阅图2，所示的可调谐电路具有一个连接到源8上的输入端31，作为例子，源8描绘为装备有一个内部环形扁平电极33和一个外部像套筒一样的箍带电极34的圆柱玻璃瓶32，其中，这些电极都连接到端子31上。源8还具有一个线圈35，该线圈能够经由开关37在端点36与一个交流电流发生器相连。线圈35用于在一个新的测量之前使源处于不带磁状态，开关37最好通过计算机10操作。图2还示出一个由未图示的直流源供电的光源38，该光源选择为沿着包括有被用于测量的物质的取样的玻璃瓶的方向发射白光。

图2的可调谐网络包括5组如40这样的可变电抗器。描述为一个旋转开关并且具有例如8个触点位置。若干个这样的旋转开关，例如9个，连接成一串组成一个开关组合，而且在图2所示的情况下，可调谐网络中使用了5个标示为41到45的开关组合。在一个优选的实施例中，使用一个电子开关集合而不是使用旋转开关(每个开关具有大约总共1享利的电感和总共大约300欧姆的电阻)，这样的电子开关允许通过计算机10控制及设置。图2的电路进而示出可变电容器46、47和48，这些电容器最好也是电子控制并且具有1到5PF的值。其余的电容器用于耦合目的。图2的电路还包括一个所示的变容或电容二极管59，它作为附加的调谐元件连接到端点31，还有与电容器48串联连接的一个类似40的旋转开关49和一个可调电阻51，电容器48连接到输出端点51，输出端点51又顺次地连接到变换器的电极构件4上。第二个输出端点52连接到变换器的电极构件5上。

图2的可调谐网络在网络的不同点装备了若干个输入端点用于从例如能够通过一个开关54连接到一个输入端点A₁的标以G的发生器53这样的发生器提供外部信号。开关54最好由计算机10控制。其它用于连接外部信号源的端点示于B₁、C₁、D₁.天线55被示出连接到网络的点56上。还示出了一个计算机控制的开关57，该开关连接到电路的点58上，并且，如果没有可利用的其它的接地点则可以在端点E接地。

图2的调谐网络允许通过控制旋钮如17、18直接地设定可变元件或者最好使用计算机的键盘、相似的外部致动装置或相应的编程极其精确地调谐。

图2和3示出了用于图1的装置中触觉-声音变换器1的一些部分的构造。实际上，这些图表示变换器中声音发生部分的分解图。

具有例如4至15cm，最好是10到15cm直径和2到8mm厚度的振动片2安装在框架20上，该框架20最好是变换器1的外壳部分。在所示的实施例中，振动片2被夹在实际上都是环形的顶板21和底板22之间。振动片2由最好具有各向同性地受控的机械特性的材料制造。把细纹理的木材，最好是青龙木或紫擅木进行平行于其纤维的切割并且用砂纸细磨之后是非常适宜的。顶板21可以用金属片制造。例如铝、铁、铜或黄铜。底板22由不导电材料制造，例如，普通的4到5mm厚的胶合板。

底板22的中心开孔内，28所图示的电热丝实际上被设置成与底板22的上表面持平，因此所产生的热能够容易地传递到振动片2。这些电热丝的形状和布置使得中心开孔不被封闭并且使由振动片产生的声波能够通过该开孔。电热丝由一个可变电流源供给能量，该可变电源适于进行振动片温度的控制，使其在20到60℃这间。

第一电极构件4设置在板22的下面。它最好由薄金属片制成，即，在本实施例中，是一个具有中心角形开窗的1mm厚度的镀锌铁皮。该窗口可以是各种尺寸而且为了变换器的最佳动作最好在构造时进行调整。为实现这一效果，可以通过从大约2至6或8cm²切割开孔而逐渐地扩大窗口，直到获得最佳结果。

在电极构件4的下面，设置了一个由例如尼龙或聚四氟乙烯这样的4至5mm厚的绝缘材料制成的绝缘环形片24。部件21、22和24通过适当的固定装置，例如用插入到对准的如21a、20a、22a和24a这样的孔中的螺钉和螺栓被装配并连接到框架20或变换器1的外壳上。振动片2和电极构件4分别固定在部件21和22，以及22和24之间，而且一般由装配产生的极微弱的紧固力可以用固定装置调整。

电极构件5最好用约0.5mm厚的铝制成，而且被悬在板24的下面并与电极构件4有一个距离，该距离例如能够用与构件4相配合并带有一对螺母26、27的隔离螺栓进行调整。螺栓25通过电极构件5的开孔29伸到下方而且螺母26、27位于上述构件5的两侧。电极构件4和5的间距一般在变换器的校准操作中进行调整以便得到最佳的特性。通常，这个距离在大约2至5cm之间变化。进而，在上述校准时确定电极构件5的精确形态，而且能够被选择为适应于变换器的特殊应用。

在不偏离本发明的精神的情况下，所描述的结构能够有种种变化。

下述的实际例子说明了本发明的装置的操作。

<例1>

具有用一般的分析装置确定的具有从大约1到20％内变化的湿度含量的可食用谷物粉的样品用于按下述方法建立设定值表。

每种样品放入图1的方块5所描绘的装置的一个取样附件中的玻璃瓶内。通过调整可调谐网络为一个相应的状态，把信息的种类首先选择为水的含量，可调谐网络的状态是例如用一个对应于水的存在的数字代码事先确定及描述的，操作者在摩擦振动片期间逐渐地调整可调谐网络以产生上面提及的声音信号。由操作者逐渐试探的某一调谐状态中特征声音频谱的出现以及导致的类似谐振的效果，可以识别给定样品的湿度等级。该操作对不同的样品重复进行从而建立或计算一张相应的表或图。

这样得到的设定值表允许确定一个用和已知样品相同的方法即描述已测量的值的可调谐网络的设置测量的未知的样品的湿度等级并且把其等级用该表转换成实际的百分数。

由上述可知，本发明允许检测和确定特别通过直接联关系或天线连接到装置上的极不相同的源的信息。还允许对使用所描述的种类的设备进行了预先编码并存储在计算机中的信息进行快速存取。用户适当地设置可调谐网络以及用触觉-声音变换器恢复信息的时间实际上比在基于关键词的任何通用恢复系统所需时间都短。这种能力可以极有价值地应用在许多方面，在此仅提及几个在时间和成本节省方面必不可少的领域，如研究、诊断、分析领域以及工业上的应用。

Claims (17)

1.一种用于检测和/或测量由至少一个连接到信息源的电导体上呈现的信息所描述的现象或状态的装置，特征在于它包括：

安装在框架(20)上的固体材料的一个振动片(2)，以便构成一个当用操作者的指尖摩擦其表面时能够产生声音信号的膜；面对于上述振动片设置的用于接收上述声音信号的麦克风装置(3)以及实际地设置在上述振动片和上述麦克风装置之间的至少第一(4)和第二(5)扁平电极构件，它们之间以及与上述振动片均为平行关系，上述电极构件(4，5)电连到包括多个用于调谐的控制元件(17，18)的一个可调谐网络(6)的输出端，上述可调谐网络的输入端连接到上述源(8)，上述麦克风装置的输出端经过一个模/数变换器电路(9)连接到一个计算机10的输入端，该计算机适于处理包含在上述声音信号中的信息并且产生从其获得的检测和测量信号。

2.权利要求1所述的装置的特征在于：

上述振动片由木料制成，特别地由青龙木、紫檀木或拿撒勒木制成。

3.权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

提供了电加热装置用于加热上述振动片。

4.上述权利要求的任一项中所述的装置，特征在于：

上述第一电极构件(4)安装在上述振动片(2)和一个在电绝缘的实际上为环形的支撑构件(24)上的上述第二电极构件(5)之间，并且在其上面有一个中心开孔(23)，上述第二电极构件(5)悬在距上述第一电极构件(4)一个可调整的距离的位置。

5.上述权利要求的任一项中的所述的装置，特征在于：上述第一电极构件(4)由镀锌铁皮制成。

6.上述权利要求的任一项中所述的装置，特征在于：

上述第二电极构件(5)由铝制成。

7.权利要求1所述的装置，特征在于：

还包括用于可视地显示和/或有声地再生上述检测或测量信号的显示装置(11、12)。

8.权利要求1所述的装置，其特征在于：

上述多个控制元件(17、18)适于在上述操作者的控制下通过上述计算机(10)进行设置。

9.权利要求1或8的所述的装置，特征在于：

上述可调谐网络包括至少一组在连接到上述源(8)的上述电导体和至少一个上述第一和第二扁平电极构件(4，5)之间相连的可变电阻装置和/或可变电容器装置和/或可变电感装置。

10.权利要求9所述的装置，特征在于：

上述可变电阻、电容和电感装置分别包括连接到至少一个电子开关组的多个电阻元件、电容元件和/或电感元件，以便选择性地把上述元件插入到上述可调网络中，上述开关组直接地或通过接口装置连接到提供用于上述开关组开关操作的控制信号的上述计算机的控制输出端。

11.权利要求1所述的装置，特征在于：

上述源(8)包括能够传感被检测或测量的现象或状态的传感装置(33，34)。

12.权利要求11所述的装置，特征在于：

上述传感装置包括与表示上述现象或状态的样品或取样相连的电极装置(33，34)。

13.权利要求11所述的装置，特征在于：

上述传感装置包括天线装置。

14.权利要求1所述的装置，特征在于：

上述可调谐网络(6)具有至少一个附加的输入端点(A₁、B₁、C₁、D₁)，用于连接能够修正自上述信息源(8)获得的信号和/或修正和/或改变上述源的状态的上述至少一个外部信号发生器(53)的网络。

15.权利要求1所述的装置的操作方法，按照该方法，操作者使用中指的末端指骨，更特别地，使用包括帕西尼氏小体的区域去摩擦上述振动片的表面，可调谐网络的上述控制元件被进行调整，直到传出具有特征频谱的声音为止，在网络已调谐状态中的上述控制元件的状态反映被检测和测量的现象或状态。

16.一种检测和/或测量现象或状态的参数的方法，其中的现象或状态由连接到信息源上的至少一个电导体呈现的信息描述，该方法包括用具有皮肤感觉受体的身体部分或用可以模拟这样的受体的人造身体部分摩擦一个触觉-声音变换器的检测器的表面，上述的触觉-声音变换器通过可调谐网络装置与上述信息源连接，另外，该方法还包括调谐上述可调谐网络装置并且评价在上述摩擦条件下状态的显著变化，该变化在表示被检测或被测量的参数的上述可调谐网络装置的一定设置下出现。

17.权利要求16所述的方法，特征在于：

与作为由上述可调谐网络装置的相应设置所表示的上述现象或状态的各种参数相关的信息以编码操作方式存储在计算机中，上述被存储的信息用于随后的检测和/或测量操作以建立上述被检测或被测量的参数和上述可调谐网络装置的上述一定设置之间的对应关系。