CN116076088A - 智能耳机系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了各种实施例，包括提供感测平台的系统、方法、架构、机制和装置，其中一个或多个耳机驱动器用作通用传感器以从其接收激励信号，所述激励信号指示与耳道相关联的直接压力或间接压力，所述耳道与可操作地耦合到所述驱动器的膜片在声学上相配合。

Description

智能耳机系统及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年5月22日提交的美国临时专利申请序列号63/029,016的权益，该申请全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及耳机，并且具体地涉及感测从耳机接收到的膜片压力激励能以及于是支持附加的耳机功能和应用。
背景技术
本部分旨在向读者介绍现有技术的各个方面，这些方面可能与下面描述和/或要求保护的本发明的各个方面有关。该讨论被认为有助于为读者提供背景信息以便于更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应从这个角度来理解，而不是作为对现有技术的承认。
智能耳机一般包括具有麦克风和各种辅助传感器的耳机，这些辅助传感器支持诸如用户认证、心率监测、触摸手势控制、语音通信等应用。辅助传感器(例如，加速度计、陀螺仪)增加了智能耳机的重量、体积、成本和功耗，这继而阻碍消费公众采用此类耳机。此外，对辅助传感器的依赖性使得难以将设计转移到没有所需传感器的商用耳机。
发明内容
现有技术中的各种缺陷通过提供感测平台的系统、方法、架构、机制和装置来解决，其中一个或多个耳机驱动器用作通用传感器以从其接收激励信号，该激励信号指示与耳道相关联的直接压力或间接压力，该耳道与可操作地耦合到该驱动器的膜片在声学上相配合。
各种实施例可用于解译接收到的激励信号以在其中识别语音信息(语音检测)、手势信息(手势检测)、唯一人类识别信息(用户识别)、心率和/或呼吸频率信息(生理监测)等。以这种方式，在移动健康、用户界面、背景感知、识别/认证等的背景中提供了新的应用。
各种实施例可以被实现为连接耳机和配对设备(例如，诸如智能手机或计算机等用户设备)的插入式外围设备，或者被实现为嵌入到耳机中或配对设备中的集成电路。
一个实施例包括一种用于从耳机接收信息的装置，该耳机包括可操作地耦合到膜片的磁线圈驱动器，该磁线圈驱动器被配置为接收音频输入信号并且响应地使该膜片产生对应于该音频输入信号的空气振动，该装置包括：调零电路，该调零电路被配置用于选择性地耦合到该磁线圈驱动器，用于对与该音频输入信号相关联的电能进行调零，从而提供主要包括与激励信号相关联的电能的输出信号，该激励信号由该磁线圈驱动器响应于给予该膜片的外部压力而产生；以及放大器电路，该放大器电路用于放大该调零电路输出信号从而提供经放大的激励信号，该经放大的激励信号被配置为使得能够确定给予该膜片的该外部压力。
本发明附加的目的、优点和新颖特征将在下面的描述中进行部分阐述，并且对于本领域技术人员而言在审查以下内容后将变得显而易见，或者可以通过本发明的实践来了解。本发明的目的和优点可以通过所附权利要求中特别指出的手段和组合来实现和获得。
附图说明
包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图例示了本发明的实施例，并且与上面给出的本发明的一般性描述以及下面给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的原理。
图1A至图1B分别以图形方式描绘了人耳的结构部分及其双端口戴维南等效网络表示；
图2A至图2C分别以图形方式描绘了针对语音、手势和音乐的例示性时域激励信号；
图3描绘了适用于各种实施例的示例性调零电路的示意图；
图4描绘了根据实施例的装置的示意图；
图5描绘了适合与各种实施例一起使用的用户设备的高级框图；
图6描绘了根据各种实施例的方法的流程图；
图7A至图7B以图形方式描绘了响应于音频啁啾(chirp)信号的针对三个不同的人的经测量的信道响应；以及
图8A至图8D以图形方式描绘了针对各种触摸手势的经测量的信道响应。
图9描绘了根据实施例的装置的示意图；
图10描绘了根据实施例的方法的流程图；
图11描绘了根据实施例的装置的示意图；以及
图12描绘了根据实施例的装置的示意图。
应当理解，附图不一定按比例绘制，其呈现了例示本发明基本原理的各种特征的有所简化的表示。如本文所公开的操作序列的具体设计特征(包括例如各种例示部件的具体尺寸、取向、位置和形状)将部分地由特定的预期应用和使用环境来确定。例示实施例的某些特征已经相对于其他特征被放大或变形以便于可视化和清晰理解。特别地，例如，为了清楚或例示起见，薄特征可以被加厚。
具体实施方式
以下描述和附图仅例示本发明的原理。因此应当理解，本领域技术人员将能够设计出各种布置，尽管在本文中没有明确地描述或示出，但这些布置体现了本发明的原理并且被包括在本发明的范围内。此外，本文中列举的所有示例明确地主要旨在仅用于教学目的以帮助读者理解本发明的原理以及本发明人对促进本领域发展所贡献的思想，并且应在不限于此类具体列举的示例和条件的情况下进行解释。此外，如本文所用，术语“或”是指非排他性的或，除非另有说明(例如，“或否则”或“或以另选方式”)。此外，本文所述的各种实施例不一定是相互排斥的，因为一些实施例能够与一个或多个其他实施例组合以形成新的实施例。
将特别参考当前优选的示例性实施例来描述本申请的众多创新性教导。然而，应当理解，此类实施例仅提供本文中的创新性教导的许多有利用途的几个示例。一般而言，在本申请的说明书中所作的陈述不一定限制各种要求保护的发明中的任何发明。此外，某些陈述可能适用于某些创造性特征，但不适用于其他特征。通过本文教导进行了了解的本领域技术人员将认识到，本发明也适用于各种其他技术领域或实施例。
各种实施例提供了用于以成本有效的方式实现智能耳机的系统、装置和方法，以及适用于将哑耳机(仅音频输出)变成智能耳机的套件。
有利地，各种实施例并非使用辅助传感器来实现智能耳机功能，而是利用与一对哑耳机相关联的现有扬声器驱动器来启用智能耳机功能。此外，各种实施例可以包括插入式外围设备，其用于以非侵入方式将现有耳机连接到配对设备(例如，诸如智能手机或计算机等用户设备)，从而避免可能增加重量/体积或需要了解哑耳机的内部电路设计和外部结构/完整性的硬件修改或定制。此外，各种具体实施提供了相对低成本的外围设备，该外围设备在耳机和配对设备两者上引入了最小功耗。
所有耳机都通过使用驱动膜片使空气振动的磁线圈将电能转化为声音。每个驱动器处所测量的电压由三个因素决定；即，经由有线、蓝牙或其他手段接收到的音频输入信号(例如，经由耳机播放的音乐)的电能、驱动器的等效阻抗以及对应膜片处的气压。
本发明人的部分贡献是认识到可以利用耳机与周围环境之间的耦合效应来实现新功能。例如，当用户佩戴一对耳机时，耳机、耳道和鼓膜耦合在一起，以形成对压力变化极为敏感的半封闭空间。压力变化可因由外部声音和/或振动(甚至是像触摸耳机这样轻柔的事情)引起的耳机振动从外部引起。同样，耳机佩戴者的内部生理活动(诸如心跳)会引起耳道中血管的重复性变形，这继而会改变半封闭空间内的压力。鉴于人类具有相对独特的大小和形状的耳道，这种独特性产生了针对人类识别的新模态，并且这种模态在若干实施例中得以实现。
因此，由于与耳机的扬声器驱动器相关联的电压受人耳道内压力变化的影响，这种电压变化不仅可用于检测外部变化(例如，声音、触摸等)，还可以用于检测细微的内部生理变化(例如，心跳等)。以此方式，各种实施例还在移动健康、用户界面、用户认证、背景感知等的背景中具有实用性。
图1A至图1B分别以图形方式描绘了人耳的结构部分及其双端口戴维南等效网络表示。
当用户戴上其耳机时，耳机将覆盖用户半封闭的内耳，如图1A所示，其中耳机、耳道和鼓膜耦合在一起(在声学上配合)，从而建立能够通过图1B所示的双端口戴维南等效网络进行建模的压力场。双端口戴维南等效网络中的变量定义如下：
P耳机：耳机的戴维南压力。
Z耳机：耳机的等效阻抗。
P鼓膜：鼓膜的戴维南压力。
Z鼓膜：鼓膜的等效阻抗
P耳道：耳道的戴维南压力。
Z耳道：耳道的等效阻抗。
该模型中阻抗Zx与压力Px之间的关系可以用以下公式表示：
Figure BPA0000334430510000051
从以上公式可以看出，Z耳机随戴维南压力P耳机、P耳道以及阻抗Z耳道的变化而变化，所有这些都受到人为引起的激励信号的影响。例如，当用户触摸其耳机的封围件时，这个触摸手势会驱动封围件振动，从而影响戴维南压力P耳机的值。类似地，诸如呼吸和心跳等生理活动会引起耳道中血管的重复性变形，从而改变戴维南压力P耳道。另外，因为耳道的大小和形状因每个个体而异，所以耳道的阻抗Z耳道也因个体而异。因此，因为耳机驱动器处的电信号(E耳机)受到Z耳机的影响，所以各种实施例利用E耳机来感测这些人-耳机交互和生理活动。
图2A至图2C分别以图形方式描绘了用于语音、手势和音乐的例示性时域激励信号。具体来说，图2以图形方式描绘了由不同的激励信号引起的代表性耳机驱动器电压E耳机信号；即，用户说话使得在耳机的膜片处接收到用户的语音(图2A)，用户用其手指敲击耳机封围件(图2B)，以及通过耳机播放音乐(图2C)。通过检测可以看出，输入的音乐信号为百毫伏量级，而用户说话引起的电压变化一般小于一毫伏，并且用户敲击耳机引起的电压变化小于5毫伏。
为了实现针对说话(用户语音)、敲击(用户手势)和生理感测(用户心跳或呼吸)的足够的测量灵敏度和辨别力，各种实施例利用无源零电路来显著减少或消除可归因于输入的音乐(音频)信号的电压变化。
图3描绘了适用于各种实施例的示例性调零电路的示意图。具体来说，图3的调零电路300例示性地包括惠斯登电桥，该惠斯登电桥被配置为检测由激励信号引起的耳机驱动器电压E耳机的微小变化。
一般而言，在给定传感器电阻和温度的情况下(例如，与使用运算放大器等的有源电路相比)，诸如惠斯登电桥等调零电路在低噪声下完全用电阻器来确定信号与参考之间的差。惠斯登电桥非常适合测量小激励信号，并且自动消除所存在的更显著的音频信号而无需额外成本(干扰消除)。
图3的调零电路300包括惠斯登电桥，该惠斯登电桥具有跨电压源Vin耦合的两个分压器臂，其中Vin表示音频信号。具体来说，分压器臂中的第一分压器臂包括按命名顺序串联的电阻器R1和可调阻抗设备RLC1(例如，可调电容器)，分压器臂中的第二分压器臂包括按命名顺序串联的电阻器R2(与R1基本相同)和阻抗未知的耳机驱动器RLCx。可调阻抗设备RLC1和耳机驱动器RLCx的阻抗或电抗包括电阻(R)分量、电感(L)分量和/或电容(C)分量中的一者或多者。
可调阻抗设备RLC1被调整直到其阻抗等于耳机驱动器RLCx的阻抗，使得(假设R1＝R2)实现“经平衡的”阻抗电桥。在这种经平衡的状态下，两个负载(两个分压器臂)上的电压相同，导致电压输出Vo为零(在电阻器R1和R2的非公共端之间测量)。耳机驱动器RLCx(耳机驱动器)的阻抗的任何微小变化都会改变此负载上的电压并使电桥不平衡，从而导致非零输出电压Vo。
在操作中，图3的调零电路300接收输入电压Vin，该输入电压包括经由惠斯登电桥电路或其他调零电路配置被平衡(被归零或基本被消除)的音频信号。形成第二分压器臂的一部分的耳机驱动器RLCx是驱动器总成的一部分，该驱动器总成包括以标准方式可操作地连接以将电信号转换成可听信号/声音的磁体、音圈和膜片。具体来说，驱动器(磁体和音圈)操作以驱动对应的膜片来产生对应于音频输入信号的空气振动，从而从包括该膜片的扬声器为耳机佩戴者产生声音。然而，调零电路的电压输出Vo保持处于或基本接近于零伏，因为音频信号还为这两个分压器臂供电，从而对电压输出Vo进行调零。
假设音频信号被调零(基本被归零或被去除)，则任何剩余的电信号是由于与激励信号相关联的电能，该激励信号由磁线圈驱动器响应于给予膜片的外部压力而产生。也就是说，零电路被配置用于选择性地耦合到磁线圈驱动器，用于对与音频输入信号相关联的电能进行调零，从而提供主要包括与激励信号相关联的电能的输出信号，该激励信号由磁线圈驱动器响应于给予膜片的外部压力而产生。零电路的输出可以根据需要被放大以提供经放大的激励信号，该经放大的激励信号可以被处理以确定激励能的时间内容和/或频谱内容，并且因此确定为引起这种激励能所需的给予膜片的外部压力。
上面讨论的单扬声器实施例需要阻抗设备RLC1和耳机驱动器RLCx的精确阻抗匹配才能正常工作。给定用于生产驱动电路(诸如磁线圈等)的精确制造标准，可以以可制造和可缩放的方式来执行这种阻抗匹配。
在各种实施例中，针对耳机的此类部件的严格制造标准用于提供不需要任何调整的实施例。也就是说，并非使阻抗设备RLC1与耳机驱动器RLCx相匹配，现在将讨论双扬声器实施例，其中阻抗设备RLC1和耳机驱动器RLCx中的每一者符合在标准耳机中所使用的左磁线圈驱动器和右磁线圈驱动器中的一者。
图4描绘了根据实施例的装置的示意图。具体来说，图4描绘了耦合到音频源(例如，经由3.5mm插头、通用串行总线(USB)、微型USB(uUSB)、USB-C、闪电连接器或其他连接器的用户设备的音频输出)、一组耳机(例如，具有经由3.5mm插头、USB、uUSB、USB-C、闪电连接器或其他连接器的有线耳机)和音频接收器(例如，经由3.5mm插头、USB、uUSB、USB-C、闪电连接器或其他连接器的用户设备的音频输入)的激励信号检测器400。
音频输入信号经由任选的旁路开关S1耦合到调零电路(例如，如上文关于图3所述的惠斯登电桥)。两个分压器臂包括：(1)R1和耳机右扬声器驱动器的串联部件，以及(2)R2和耳机左扬声器驱动器。假设标准50欧姆音频阻抗匹配，电阻器R1和R2各自为50欧姆电阻器，但只要R1基本等于R2即可使用其他值。更一般地，选择R1和R2以确保分压器臂中的每个分压器臂代表基本相似的阻抗(即，RLC阻抗)。
零电路对音频输入信号进行调零，使得产生差分电压V输入+和V输入-(在R1/右驱动器的结点与R2/左驱动器的结点之间)，其表示与激励信号相关联的电能，该激励信号由磁线圈驱动器(右和左)响应于给予膜片(右和左)的外部压力而产生。差分电压V输入+和V输入-耦合到精密放大器AMP(诸如1NA126仪表放大器)，其响应地产生主要代表激励信号能量的输出电压信号，该信号经由第二任选旁路开关S2耦合为输出信号OUTPUT。
5000欧姆输出电阻器RL可用于触发音频输入设备(诸如智能手机或其他用户设备)的麦克风检测电路。取决于各种麦克风检测电路的要求，可使用电阻器RL的其他值(例如，4.7kΩ等)。
可以将输出信号OUTPUT提供给音频接收器以进行进一步处理(例如，经由3.5mm插头、USB、uUSB、USB-C、闪电连接器或其他连接器提供给用户设备的音频输入，以用于使用其上的应用程序进行处理或用于数字化/传输到远程处理设备)。
在各种实施例中，不使用放大器电路AMP，并且差分电压V输入+和V输入-被呈现为输出信号OUTPUT。
应当注意，左耳机驱动器和右耳机驱动器通常有线连接成同相，以实现连贯的立体声播放(AC信号)。在左驱动器E左和右驱动器E右处测量的电压如在零电路处接收到的那样相对于彼此是反相的，使得电桥的电压输出Vg表征了E左-E右的差(即，Vg＝E左-E右)。在实践中，激励信号经由不相等的路径到达每个驱动器，使得相对于左激励信号E左和右激励信号E右中的每一者存在轻微的差分电压。
在各种实施例中，上面讨论的装置包括独立设备，该独立设备包括封围件(未示出)，该封围件被配置用于机械地支撑调零电路和放大器电路，该封围件具有在其上设置的第一耳机连接器和第二耳机连接器，该第一耳机连接器被配置为提供该装置与耳机设备之间的机电协作，该第二耳机连接器被配置为提供该装置与音频设备之间的机电协作。第一耳机连接器和第二耳机连接器可以包括以下中的任一者：3.5mm插头、通用串行总线(USB)连接器、uUSB连接器、USB-C连接器和闪电连接器。在此类实施例中，任何必要的电力(例如，针对示例性放大器的+5V、-5V)可以来源于封围件(未示出)内的电池或者是从该装置连接到的音频设备接收的电力。在一些实施例中，可能需要附加的功率调节电路，诸如以经由所提供的+5V信号导出-5V信号。
在各种实施例中，上面关于图4所讨论的装置包括诸如智能手机、膝上型电脑或其他计算设备等用户设备内的设备或模块(例如，附加的或经修改的集成电路)。在此类实施例中，任何必要的电力都可以来源于在其内实现该装置的用户设备。
图5描绘了适合与各种实施例一起使用的用户设备的高级框图。具体来说，图5描绘了示例性用户设备500(例如，移动电话、智能手机、膝上型电脑或具有音频处理能力的其他设备(或其一部分))。用户设备500被描绘为包括一个或多个处理器532、存储器534、移动网络接口536和音频输入/输出接口537。处理器132耦合到存储器134、移动网络接口536、音频输入/输出接口537和各种其他支持电路(未示出)并适于与之协作，以提供如本文关于激励信号所述的各种功能/本文关于各种实施例所述的音频处理功能。
移动网络接口536被描绘为有助于经由Wi-Fi、移动网络等与其他设备的通信。
音频输入/输出接口537被描绘为有助于对耳机的音频输入/输出，诸如经由3.5mm插头、USB、uUSB、USB-C、闪电连接器或其他连接器。
在各种实施例中，音频输入/输出接口537诸如经由蓝牙或其他射频(RF)通信方案向耳机提供无线通信。
在各种实施例中，音频输入/输出接口537可以产生适合用作待由图4的激励信号检测器400处理的输入音频信号的输出信号。
在各种实施例中，音频输入/输出接口537可以接收用于处理由图4的激励信号检测器400产生的激励电压相关的输出音频信号。在各种实施例中，音频输入/输出接口537可以执行对接收到的音频信号的模数转换，以提供接收到的音频信号的数字表示，该数字表示适用于由用户设备500或诸如远程服务器或音频处理器等远程设备(未示出)进行进一步处理。
一般而言，存储器134存储适用于提供如本文关于附图所述的各种功能的程序、数据、工具等。例如，存储器134被描绘为存储与移动设备功能和存储模块534-MDFS相关联的指令。该模块旨在执行所有各种通信、显示、输入/输出、应用程序执行以及通常与诸如移动设备、智能手机、膝上型计算机、台式计算机等用户设备相关联的其他功能。
存储器134也被描绘为存储与音频处理模块534-APM相关联的指令。该模块旨在执行如本文关于各种实施例所述的各种音频处理功能、数字信号处理(DSP)功能等。这些功能可以使用存储器534和处理器532并且任选地使用与音频I/O接口537相关联的能力来实现。因此，本文所述的各种功能可以以硬件或硬件和软件的组合来实现。
可以由实施例实现的各种功能包括以下中的一者或多者：解译接收到的激励信号以在其中识别语音信息(语音检测)、手势信息(手势检测)、唯一人类识别信息(用户识别)、心率和/或呼吸频率信息(生理监测)等。本发明人还设想了其他功能。
图6描绘了根据各种实施例的方法的流程图。图6的方法600适用于在根据各种实施例的诸如用户设备(例如，智能手机、膝上型电脑或其他设备)等音频接收器处整体或部分地实现。例如，在实现上面关于各个附图所讨论的零电路和(任选地)放大电路的音频接收器的情况下，整体的方法600可以在音频接收器处被执行，诸如当连接到标准“哑”耳机或连接到具有更多特征的耳机时。在没有实现这种零电路的音频接收器的情况下，至少步骤610可以由音频接收器外部的装置来实现，诸如连接在音频接收器与耳机之间的装置(例如，上面关于图4所讨论的装置400)。
在步骤610处，零电路被平衡，如前所述，通过在调零电路的相应臂中使用左驱动器阻抗和右驱动器阻抗可以实现不搜索要平衡的电路，参见框615。调零电路可以包括惠斯登电桥、电位器或其他一些调零机制。
在步骤620处，从左扬声器驱动器和右扬声器驱动器接收到任何可用的音频输入和激励信号，并且从其提取激励信号。例如，在步骤620处，与左扬声器驱动器和右扬声器驱动器相关联的电压可以由经平衡的调零电路接收，使得由此提供激励信号Vo以供音频处理设备直接(未经放大)使用或以经放大的形式使用，诸如由上面关于图4所述的激励信号检测器400所提供的。
在步骤630处，激励信号根据需要被处理以供音频处理模块使用。例如，由调零设备提供的激励信号Vo(或由激励信号检测器400提供的经放大的输出信号)可以耦合到用户设备500，其中音频I/O接口537、音频处理模块534-APM或其他模块可以在响应于激励信号Vo所执行的特定解译/动作功能之前对激励信号Vo执行放大、衰减、模数转换和/或其他信号调节功能。
在步骤640处，对激励信号(经处理或未经处理)进行解译以识别由此提供的信息，诸如语音信息(语音检测)、手势信息(手势检测)、唯一人类识别信息(用户识别)、心率和/或呼吸频率信息(用户生理信息)等。例如，用户设备500或其他音频处理模块/设备的音频I/O接口537、音频处理模块534-APM或类似功能可以执行诸如本文所述的各种DSP处理功能、计算功能、数据操纵功能等，以对由激励信号提供的信息进行解译以及以其他方式作用于该信息。此类功能可以是由用户设备500或其他音频处理模块/设备执行的其他功能/应用程序(诸如通信应用程序、健康监测应用程序、认证应用程序等)的一部分或与之相关联。
在步骤650处，实现了与经解译的激励信号相关联的功能。例如，可以将接收到的语音信息提供给活动通信应用程序以支持电话呼叫，作为语音识别命令的一部分提供给用户界面等。接收到的手势信息可用于更新用户界面的背景或调用应用程序控制功能(例如，在音频演示中在右扬声器上敲击两次指示向前跳过30秒，在音频演示中在左扬声器上敲击两次指示向后跳过30秒等等)。接收到的人类识别信息可用于认证用户以访问特定过程或甚至使用特定装备(例如，耳机自身、用户设备等)。接收到的生理信息可用于更新健康监测过程。本发明人设想了许多其他用途。
重复步骤620至650以从零电路连续接收任何可用的激励信号。
对直接灵敏度和间接灵敏度的讨论
第一类应用依赖于对经由耳机膜片接收到的直接激励信号(诸如直接从人类语音、基于触摸的手势以及针对感测的生理活动所产生的信号)的测量。实验表明，即使在存在输出音频信号的情况下，直接激励信号的接收信号强度(RSS)测量值对于支持此类应用而言也是绰绰有余的。
第二类应用依赖于对响应于所生成的输出信号(例如，历经短时间(诸如一秒)表现出跨越20Hz至20KHz的频率分量的啁啾信号)经由耳机膜片接收到的激励信号的测量，诸如用于人类认证，其中与所生成的信号相关联的反射信号用于描绘待认证的人的内耳结构的轮廓。实验表明，即使在存在输出音频信号的情况下，间接激励信号的接收信号强度(RSS)测量值对于支持此类应用也是绰绰有余的。
耳机开关检测和用户认证功能
各种实施例提供了非侵入式并且任选地当用户戴上耳机时自动触发的认证功能。例示性地使用音频I/O接口537、音频处理模块534-APM或者用户设备500或其他音频处理模块/设备的类似功能经由如本文所述的处理步骤来实现此类功能。
耳机开关检测可以通过以下来实现：对接收到的激励信号进行处理，以确定环境声学噪声是否将指示腔(即，用户耳道的腔和鼓膜一起建立的共振室)内的共振噪声，该腔会放大环境噪声。这种经放大的噪声会导致更高的电压信号输出，当超过阈值电平时，该更高的电压信号输出可以被解译为对耳机已被用户戴上的指示。
因为插入式耳机通常以准全双工方式工作，所以它们可用于主动探测耳通道响应。具体来说，在一个实施例中，用户设备(例如，智能手机)通过耳机发送音频啁啾信号(例如，历经短时间(诸如一秒)表现出跨越20Hz至20KHz的频率分量的短或“突发”信号)用于传播到用户的内耳结构中，因此耳机的两个驱动器接收回声信号，该回声信号可用于表征耳道的通道响应。
图7A至图7B以图形方式描绘了响应于音频啁啾信号的针对三个不同的人的经测量的信道响应。可以看出，三个通道响应在高于3kHz的频带中存在巨大差异。这是因为人耳之间的生理差异为亚厘米级别尺度，其可以通过具有亚厘米(≥3kHz)波长的信号来拾取。个体的特征信道响应可用于识别这些人。
因为每只耳朵都是不同的(即使是同一个人的左耳和右耳)，所以来自左耳的通道响应不会抵消来自右耳的通道响应。因此，测量到的信道响应可用于以相当唯一的方式来表征用户。应当注意，通道响应可能因所使用的耳机而异。因此，应当使用标准耳机来识别用户，或者另选地，可使用缩放表来对跨耳机品牌和/或型号的用户通道响应信息进行归一化。
语音和噪声感测功能
各种实施例提供了即使当用户正在耳机上听音乐时也可以调用的语音/噪声感测功能。例示性地使用音频I/O接口537、音频处理模块534-APM或者用户设备500或其他音频处理模块/设备的类似功能经由如本文所述的处理步骤来实现此类功能。
在语音感测操作模式中，用户的语音被感测并且可以用于各种目的，诸如用户认证、应用程序控制、语音到文本处理等。此外，在相关噪声感测操作模式中，与左侧和右侧的扬声器/膜片中的每一者的环境噪声相关联的激励信号可用于检测环境噪声，并且作为响应，经由如已知的类似的功率/音量水平的基本相同的反相信号来消除这种噪声。也就是说，通过辨别左/右耳机环境相似性，各种实施例使得能够检测和消除常见/环境噪声。类似地，通过辨别左/右耳机环境差异，各种实施例使得能够检测用户耳朵上的不良耳机密封(即，如果耳机被正确地安装到每只耳朵，并且为每只耳朵提供相似量的噪声隔离，则每只耳朵的环境噪声在功率或音量水平上应当是基本相似的)。也就是说，高于阈值量的左侧和右侧环境噪声水平的差可以被认为指示与表现出较大环境噪声水平的耳机驱动器相关联的一侧的不当密封。
生理感测功能
各种实施例提供了一种生理感测功能，即使当用户正在耳机上听音乐时也可以调用该功能。例示性地使用音频I/O接口537、音频处理模块534-APM或者用户设备500或其他音频处理模块/设备的类似功能经由如本文所述的处理步骤来实现此类功能。
由于耳道中细微的血管变化会引起极微弱的激励信号，因此检测用户心率具有挑战性。相关信号可能低于本底噪声，并且因为其是微弱信号，所以其可能很容易受到耳机用户的其他动作的干扰。
为了解决这些挑战，各种实施例利用(例如，在用户设备500处)具有非常低的截止频率(例如，24Hz)的低通滤波器来去除由音频输入信号的回声和环境激励引入的高频噪声。然后，为了找到指示心跳或呼吸的周期性，使用自相关函数(ACF)，如下所示：
Figure BPA0000334430510000141
其中x(n)为从激励信号检测器400输出的信号的副本，k为滞后，并且N为接收到的信号的长度。抱着寻找峰值的希望而盲目地列举k的所有选择在计算上是难以处理的，并且还可能引入误报。因此，k的上限(U)和下限(L)是基于人类可能的心率(约35bpm至200bpm)而设定的。
目标可以用以下函数来表示：
Figure BPA0000334430510000142
心率可以计算为
Figure BPA0000334430510000143
其中Fs为采样率。因为身体运动也可能引入可能淹没微小心跳信号的强激励信号，所以在各种实施例中，接收到的激励信号的电压输出水平被截断为几个窗口，并且针对每个窗口执行对RBPM的计算。然后使用离群值检测算法来过滤掉离群值估计，然后使用剩余的平均值来获得心跳率。
在各种实施例中，可以检测非重复性生理状况，诸如癫痫(例如帕金森氏微癫痫)、热颤抖(牙齿颤抖)、牙关紧闭(下颚姿态控制/磨牙症)、血压等。此外，改变内耳几何结构(例如，由于使鼓膜变形的压力)的耳部感染可被确定为相对于用户耳道/结构的已知轮廓的偏差。
基于触摸的手势识别功能
各种实施例提供了基于触摸的手势识别功能，即使当用户正在耳机上听音乐时也可以调用该功能。例示性地使用音频I/O接口537、音频处理模块534-APM或者用户设备500或其他音频处理模块/设备的类似功能经由如本文所述的处理步骤来实现此类功能。应当注意，这些实施例有利地使得“哑”耳机能够作为如本文所讨论的“智能”耳机来操作。
具体来说，由不同手势引起的激励输出电压的变化在空间域和时间域两方面都表现出独特的特征。不失一般性地，定义了四种基于触摸的手势；即，i)敲击左封围件以指示暂停或播放；ii)敲击右封围件以指示静音；iii)在左封围件上滑动以指示音量增大；以及iv)在右封围件上滑动表示音量减小。应当注意，可以支持的手势不限于这四种手势。各种实施例针对手势识别对激励输出电压信号的时间特征进行分析/解译。
图8A至图8D以图形方式描绘了针对各种触摸手势的经测量的信道响应(RSS作为时间的函数)。
图8A示出了其中用户敲击耳机的左封围件的示例，而图8B示出了其中用户敲击耳机的右封围件的示例。可以看出，当在耳机上敲击时会观察到多个峰值，并且第一大峰值为针对右敲击的正峰值(图8A)以及针对左敲击的负峰值(图8B)。此处的RSS值可以为正值或负值，具体取决于信号的方向。当用户敲击耳机的左封围件时，信号强度增加，并且当用户敲击其右封围件时，信号强度减弱。这是因为惠斯登电桥测量耳机的两个驱动器之间的差分电压。因此，在电桥处测量到的激励信号对于右敲击手势和左敲击手势而言是反相的。也就是说，由左驱动器和右驱动器捕获的激励信号当被调零电路(电桥)接收时是反相的。应当注意，音乐信号要低几个量级，并且因此不会对由敲击信号引入的大峰值造成干扰。
图8C示出了其中用户在耳机的左封围件上滑动或滑移手指的示例，而图8D示出了其中用户在耳机的右封围件上滑动或滑移手指的示例。与左敲击手势和右敲击手势一样，左滑动手势和右滑动手势也可以很容易地与第一大峰值区分开来，并且强度变化呈反向趋势。然而，在时域中，滑动手势通常比敲击手势持续更长时间。因此，信号持续时间用于区分敲击手势与滑动手势。
在各种实施例中，使用累积和(CUSUM)信号处理函数来捕捉相关的时间特征以进行手势识别。具体来说，用Xn表示输出电压样本，CUSUM函数将每个信号样本与权重ωn相关联，然后使用以下公式计算值Sn：
S0＝0                                    (公式4A)
Sn+1＝max(0，Sn+xn-ωn)                    (公式4B)
这个简单的函数使得能够去除负峰值，同时保留大正峰值。为了在保留大负峰值的同时去除正峰值，将术语最大替换为术语最小。可以使用两个CUSUM函数(最大和最小)来并行处理输出电压样本。应当注意，在应用CUSUM函数后，环境音乐信号的影响被去除。
然后，该方法通过应用以下规则来确定左滑动/敲击或右滑动/敲击：
Figure BPA0000334430510000161
其中t1和t2分别为第一正峰值和第一负峰值的起始时间点。
该方法将手势的持续时间定义为第一个和最后一个非零CUSUM值之间的平均时间。为了区分敲击手势和滑动手势，该方法可以在不同的个体当中测量它们的持续时间，并根据经验例示性地设定5000个样本的阈值(采样率为48kHz)。
因此，各种实施例提供了一种系统、装置、方法和机制，通过该系统、该装置、该方法和该机制可以将由耳机感测到的用户信息提供给用户设备或系统，诸如智能手机或具有音频处理能力的其他设备。
在认证解译操作模式中，用户设备或系统可以使音频啁啾信号传播到耳机，从而感应出指示耳机佩戴者的内耳结构的激励信号。此外，耳部感染和改变内耳几何结构的其他状况(例如，由于使鼓膜变形的压力)可以被确定为相对于用户耳道/结构的已知轮廓的偏差。
在手势解译操作模式中，用户设备或系统可以监测激励信号以从其导出适合用于调整用户设备的功能的用户手势输入。
在语音解译操作模式中，用户设备或系统可以监测激励信号以从其导出适用于调整用户设备的功能的用户语音输入。此外，可以通过注意左/右相似性(启用对共同/环境噪声的检测和消除)和差异(启用对共同/环境噪声的功率/音量差异的检测；较大的噪音可能是由于用户耳朵上的不良耳机密封造成的)相对于经由左耳机和右耳机两者接收到的环境噪声来确定噪声消除和耳机密封检测。
在生理解译操作模式中，用户设备或系统可以监测激励信号以从其导出适用于调整用户设备的功能的耳机用户的重复性生理信息(例如，心跳和/或呼吸)。在各种实施例中，可以检测非重复性生理状况，诸如癫痫(例如帕金森氏微癫痫)、热颤抖(牙齿颤抖)、牙关紧闭(下颚姿态控制/磨牙症)、血压等。此外，如上所述，改变内耳几何结构(例如，由于使鼓膜变形的压力)的耳部感染可以被确定为相对于用户耳道/结构的已知轮廓的偏差。
上述实施例主要针对以下实施例：该实施例可操作以将左音频输出信号和/或右音频输出信号转换成非立体声(即，单声道)音频信号以用于从其感测或提取激励信号。这种单声道音频转换在某些但不是所有的应用程序中可能会影响用户体验。语音呼叫应用程序通常不是立体声应用程序，因此各个实施例对用户体验没有明显影响。音乐播放应用程序通常是立体声应用程序，因此各种实施例可能会有损于用户体验。用户识别应用程序是短持续时间应用程序，因此对用户体验的任何损害都仅限于偶尔的短持续时间段、持续时间。诸如心率监测等生理感测应用程序通常需要连续感测，因此可能有损于用户体验(各种实施例利用开关来使用户能够关闭装置)。
上述实施例可用于立体声处理，诸如通过使用单独的匹配网络来独立地平衡左驱动器和右驱动器，而不是将它们作为单个对进行平衡。以这种方式，用户可以保留立体体验。
现在将关于立体声音频应用程序，诸如在用户设备(诸如关于图5所描绘的)(例如，移动电话、计算机或其他音频源/播放器)处调用的音乐播放应用程序，来描述附加的实施例。
如上所述的图5的用户设备500可以被配置为从立体声音频源(例如，存储的或流式传输的音频文件、存储的或流式传输的媒体文件和/或具有音频信息的其他类型的内容)产生左扬声器驱动器信号和右扬声器驱动器信号，这些信号然后经由有线连接或无线连接提供给用户耳机。
如上所述的耳机包括左耳机扬声器驱动器和右耳机扬声器驱动器，该左耳机扬声器驱动器和该右耳机扬声器驱动器可操作以驱动对应的左扬声器膜片和右扬声器膜片，该左扬声器膜片和该右扬声器膜片被配置为响应地产生声压，从而使得耳机的用户能够听到音乐或其他音频信号。扬声器驱动器还用作通用传感器以从左扬声器膜片和右扬声器膜片接收激励信号，该激励信号指示由于用户的耳道与可操作地耦合到驱动器的扬声器膜片在声学上相配合而施加到扬声器膜片的直接压力或间接压力。
如上所述的用户耳机还包括被配置为支持本文关于实施例所述的各种功能的电路。
图9描绘了根据实施例的装置的示意图。具体来说，图9描绘了激励信号检测器900，其被耦合以从立体声音频源接收音频信号(例如，图5的用户设备500的立体声音频输出信号，诸如经由3.5mm插头、通用串行总线(USB)、uUSB、USB-C、闪电连接器或其他连接器)，其中接收到的音频信号用于驱动相应的左耳机扬声器和右耳机扬声器，以便经由左耳机扬声器和右耳机扬声器将音频信号呈递给用户，同时还从相应的左耳机扬声器和右耳机扬声器获取激励能，所获取的激励能经由差动或差分放大器电路被检索，并作为适用于如本文所讨论的进一步处理的输出信号Out而被提供。
参考图9，诸如从用户设备500接收到的左(V输入左)和右(V输入右)音频输入信号经由相应的匹配电阻器R1和R2耦合到相应的左扬声器驱动器和右扬声器驱动器的第一端子(扬声器驱动器的耦合到接地端的第二端子)，并且耦合到差分放大器的相应的输入端子(例如，差分/运算放大器电路的+/-端子)。假设标准50欧姆音频阻抗匹配，电阻器R1和R2各自为50欧姆电阻器，但只要R1基本等于R2即可使用其他值。更一般地，选择电阻器R1和R2以确保左通道路径和右通道路径中的每一者与基本相似的阻抗(即，RLC阻抗)相关联。
差分放大器的输出信号V输出等于α(L输入-R输入)+(L输出-R输出)，其中α为比例因子。输入信号V输入左(t)和V输入右(t)是已知的，因为它们是对应于用户设备正在处理的音频/媒体源的数字音频信号的模拟输出信号。
放大器的输出信号V输出还包括反射信号V输出左(t)和V输出右(t)，这些反射信号从左驱动器电路和右驱动器电路被接收到，并且包括从相应的左耳机扬声器和右耳机扬声器获取的激励能。
假设L输出-R输出的输出反射信号非常小且可以被忽略，比例因子α可以通过输入信号之间的差(即，V输入左(t)-V输入右(t))与输出信号V输出(t)之间的互相关性来确定。
也就是说，当立体声音频/音乐正在播放时，可以从输出反射信号(V输出左(t)-V输出右(t))减去α(V输入左(t)-V输入右(t))。
该处理步骤可以使用用户设备500的各种处理能力来执行。
图10描绘了根据实施例的方法的流程图。具体来说，图10描绘了方法1000的流程图，该方法对图9的装置的放大器的输出信号V输出进行处理，以从其减去从诸如本文关于各种实施例所讨论的相应的左耳机扬声器和右耳机扬声器获取的激励能。
在步骤1010处，用户设备500将立体声音频信号发送到图9的装置900，诸如包括这种装置的已对用户耳机。也就是说，在步骤1010处，向图9的装置900提供音频输入信号V输入左(t)和V输入右(t)。
在步骤1020处，图9的装置900的输出信号V输出由用户设备500接收。也就是说，用户设备500接收信号V输出，该信号包括从左驱动器电路和右驱动器电路接收到的反射信号V输出左(t)和V输出右(t)，并且包括从相应的左耳机扬声器和右耳机扬声器获取的激励能。
在步骤1030处，接收到的信号V输出的各种分量与初始传输的音频信号的表示对准，以实现本文所述的各种比较和处理步骤。该对准可以包括模拟或数字处理，以便提供时间对准、相位对准、增益对准等等，以提供各种信号的模拟表示或数字表示中的一者或两者，从而使得能够由用户设备500进行进一步处理，诸如经由上述音频处理能力。
在步骤1040处，对所对准的信号进行处理，从而从接收到的信号V输出中提取激励信号，并解译结果以识别由此提供的信息，诸如语音信息(语音检测)、手势信息(手势检测)、唯一人类识别信息(用户识别)、心率和/或呼吸频率信息(用户生理信息)等等，有利地，同时用户能够经由耳机收听所提供的音频/音乐。
用户设备500或其他音频处理模块/设备的音频I/O接口537、音频处理模块534-APM或类似功能可以执行诸如本文所述的各种DSP处理功能、计算功能、数据操纵功能等，以对由激励信号提供的信息进行解译以及以其他方式作用于该信息。此类功能可以是由用户设备500或其他音频处理模块/设备执行的其他功能/应用程序(诸如通信应用程序、健康监测应用程序、认证应用程序等)的一部分或与之相关联。
在步骤1050处，实现了与经解译的激励信号相关联的功能，诸如上面关于图6的步骤650所述。
可以连续重复步骤1010至1050的方法，以连续地从装置的差动/差分电路接收任何可用的激励信号。
图11描绘了根据实施例的装置的示意图。具体来说，图11描绘了激励信号检测器1100，其被耦合以从立体声音频源接收音频信号(例如，图5的用户设备500的立体声音频输出信号，诸如经由3.5mm插头、通用串行总线(USB)、uUSB、USB-C、闪电连接器或其他连接器)，其中接收到的音频信号用于驱动相应的左耳机扬声器和右耳机扬声器，以便经由左耳机扬声器和右耳机扬声器将音频信号呈递给用户，同时还从相应的左耳机扬声器和右耳机扬声器获取激励能，所获取的激励能经由差动或差分放大器电路被检索，并作为适用于如本文所讨论的进一步处理的输出信号Out而被提供。
参考图11，左音频输入信号(V输入左)和右音频输入信号(V输入右)(诸如从用户设备500接收到)耦合到相应的左单位增益缓冲器B1和右单位增益缓冲器B2的输入端子以及第一差分放大器A1的相应输入端子(例如，差分/运算放大器电路的+/-端子)。
第一差分放大器A1的输出信号等于左输入信号与右输入信号之间的差：
A1输出＝V输入左(t)-V输入右(t)。
左缓冲器B1和右缓冲器B2的输出端子耦合到相应的左扬声器驱动器和右扬声器驱动器的第一端子(扬声器驱动器的耦合到接地端的第二端子)以及第二差分放大器A2的相应输入端子。
第二差分放大器A2的输出信号等于经缓冲的左输入信号和右输入信号之间的差，其包括反射信号R左和R右：
A2输出＝B(V输入左(t))-B(V输入右(t))+R左(t)-R右(t)。
第一差分放大器A1和第二差分放大器A2的输出端子连接到第三差分放大器A3的相应输入端子。
第三差分放大器的输出信号V输出等于第二差分放大器输出信号与第一差分放大器输出信号之间的差，其大约等于来自扬声器膜片的反射信号(即，左激励信号和右激励信号)：
A3输出＝A2输出-A1输出
A3输出＝(B(V输入左(t))-B(V输入右(t))+R左(t)-R右(t))-V输入左(t)-V输入右(t)
A3输入＝R左(t)-R右(t)
因此，在图11的装置1100的背景下，第三差分放大器A3的输出信号V输出可以被用户设备500处理为从用户获得的激励信号的模拟表示。
图12描绘了适用于各种实施例的装置的示意图。具体来说，图12描绘了适用于替换上文关于各种实施例所讨论的各种信号调节/处理电路的耳机电路；即，3端口音频频率环行器。
环行器的第一端口被配置为从音频源接收音频信号，诸如从用户设备500接收到的左音频输入信号(V输入左)或右音频输入信号(V输入右)。在第一端口处接收到的输入音频信号经由第二端口被输出，该第二端口连接到扬声器驱动器电路。扬声器驱动器电路还将来自扬声器的激励能/信号作为输入信号提供给第二端口。在第二端口处接收到的激励能/信号经由第三端口作为输出信号V输出被输出，该第三端口连接到诸如用户设备500的麦克风等音频输入。
图12的装置可用于替换本文所述的其他电路，以便避免或最小化对如上所述的惠斯登电桥、调零电路、差分放大器等的使用。
以这种方式，根据各种实施例的装置可以包括立体声耳机，该立体声耳机被配置为提供感测平台，其中一个或多个耳机驱动器用于从它们与其电气协作的扬声器膜片获得激励能。各种实施例可用于解译接收到的激励信号以在其中识别语音信息(语音检测)、手势信息(手势检测)、唯一人类识别信息(用户识别)、心率和/或呼吸频率信息(生理监测)等。以这种方式，在移动健康、用户界面、背景感知、识别/认证等的背景中提供了新的应用。
在权利要求中规定了各种实施例的各方面。各种实施例的至少子集的那些和其他方面在以下经编号的条款中规定：
1.一种用于从耳机接收信息的装置，所述耳机包括可操作地耦合到膜片的磁线圈驱动器，所述磁线圈驱动器被配置为接收音频输入信号并且响应地使所述膜片产生对应于所述音频输入信号的空气振动，所述装置包括：调零电路，所述调零电路被配置用于选择性地耦合到所述磁线圈驱动器，用于对与所述音频输入信号相关联的电能进行调零，从而提供主要包括与激励信号相关联的电能的输出信号，所述激励信号由所述磁线圈驱动器响应于给予所述膜片的外部压力而产生；以及放大器电路，所述放大器电路用于放大所述调零电路输出信号从而提供激励信号，所述激励信号被配置为使得能够确定给予所述膜片的所述外部压力。
2.根据条款1所述的装置，其中所述调零电路包括惠斯登电桥，所述惠斯登电桥包括两个经平衡的分压器臂，其中所述分压器臂中的一个分压器臂包括可操作地耦合到所述膜片的至少一个磁线圈。
3.根据条款1所述的装置，其中所述耳机进一步包括可操作地耦合到第二膜片的第二磁线圈驱动器，所述第二磁线圈驱动器被配置为接收所述音频输入信号并且响应地使所述第二膜片产生对应于所述音频输入信号的空气振动，其中所述第一磁线圈驱动器和所述第二磁线圈驱动器表现出基本相似的阻抗；并且所述调零电路包括惠斯登电桥，所述惠斯登电桥包括两个经平衡的分压器臂，每个分压器臂包括所述磁线圈驱动器中的相应一个磁线圈驱动器。
4.根据条款1所述的装置，其中所述耳机被配置用于连接到音频输出设备，并且所述装置被配置为待连接到所述耳机和所述音频输出设备两者。
5.根据条款1所述的装置，其中所述耳机被配置用于连接到用户设备，并且所述装置被配置为待连接到所述耳机和所述用户设备两者。
6.根据条款2所述的装置，其中所述激励信号包括由以下引起的音频信号：从所述耳机的佩戴者的声音发声给予所述膜片的外部压力。
7.根据条款1所述的装置，其中所述激励信号包括由以下引起的音频信号：从与所述耳机的佩戴者的耳道几何结构相关联的标称压力给予所述膜片的外部压力。
8.根据条款1所述的装置，其中所述激励信号包括由以下引起的音频信号：从与所述耳机的佩戴者的跳动的心脏相关联的重复性压力变化给予所述膜片的外部压力。
9.根据条款1所述的装置，其中所述装置进一步包括封围件，所述封围件被配置用于机械地支撑所述调零电路和所述放大器电路，所述封围件具有在其上设置的第一耳机连接器和第二耳机连接器，所述第一耳机连接器被配置为提供所述装置与耳机设备之间的机电协作，所述第二耳机连接器被配置为提供所述装置与用户设备之间的机电协作。
10.根据条款9所述的装置，其中第一耳机连接器和第二耳机连接器包括以下中的至少一者：3.5mm插头、通用串行总线(USB)连接器、微型USB连接器、USB-C连接器和闪电连接器。
11.根据条款1所述的装置，其中所述装置被包括在用户设备内。
12.根据条款5所述的装置，其中所述用户设备在认证解译操作模式中使音频啁啾信号传播到所述耳机，从而感应出指示耳机佩戴者的内耳结构的激励信号。
13.根据条款5所述的装置，其中所述用户设备在手势解译操作模式中监测激励信号以从其导出适用于调整所述用户设备的功能的用户手势输入。
14.根据条款5所述的装置，其中所述用户设备在语音解译操作模式中监测激励信号以从其导出适用于调整所述用户设备的功能的用户语音输入。
15.根据条款1所述的装置，所述耳机进一步包括可操作地耦合到第二膜片的第二磁线圈驱动器，所述第二磁线圈驱动器被配置为接收第二音频输入信号并且响应地使所述第二膜片产生对应于所述第二音频输入信号的空气振动，所述装置进一步包括：第二调零电路，所述第二调零电路被配置用于选择性地耦合到所述第二磁线圈驱动器，用于对与所述第二音频输入信号相关联的电能进行调零，从而提供主要包括与激励信号相关联的电能的第二输出信号，所述激励信号由所述第二磁线圈驱动器响应于给予所述第二膜片的外部压力而产生；以及第二放大器电路，所述第二放大器电路用于放大所述第二调零电路输出信号从而提供第二激励信号，所述第二激励信号被配置为使得能够确定给予所述第二膜片的所述外部压力。
16.根据条款1所述的装置，所述耳机进一步包括可操作地耦合到第二膜片的第二磁线圈驱动器，所述第二磁线圈驱动器被配置为接收第二音频输入信号并且响应地使所述第二膜片产生对应于所述第二音频输入信号的空气振动，其中：所述调零电路包括第一差分放大器和第二差分放大器，所述第一差分放大器被配置用于放大所述第一音频输入信号与所述第二音频输入信号之间的差，所述第二差分放大器被配置用于放大由第一磁线圈驱动器和第二磁线圈驱动器产生的激励信号之间的差；并且所述放大器电路包括第三差分放大器，所述第三差分放大器被配置为放大所述第一差分放大器和所述第二差分放大器的输出信号之间的差。
17.根据条款16所述的装置，所述装置进一步包括：第一缓冲器，所述第一缓冲器被配置为向所述第一磁线圈驱动器提供经缓冲的第一音频信号；以及第二缓冲器，所述第二缓冲器被配置为向所述第二磁线圈驱动器提供经缓冲的第二音频信号。
18.根据条款16所述的装置，其中所述调零电路和所述放大电路一起包括三端口环行器，所述三端口环行器具有：第一端口，所述第一端口被配置为接收音频输入信号；第二端口，所述第二端口被配置为向所述磁线圈驱动器提供音频信号，以及从所述磁线圈驱动器接收与激励信号相关联的电能；以及第三端口，所述第三端口被配置为提供所述激励信号，所述激励信号被配置为使得能够确定给予所述膜片的所述外部压力。
19.一种用于从耳机接收信息的方法，所述耳机包括可操作地耦合到膜片的磁线圈驱动器，所述磁线圈驱动器被配置为接收音频输入信号并且响应地使所述膜片产生对应于所述音频输入信号的空气振动，所述方法包括：
对与所述音频输入信号相关联的电能进行调零，从而提供主要包括与激励信号相关联的电能的输出信号，所述激励信号由所述磁线圈驱动器响应于给予所述膜片的外部压力而产生；以及放大所述调零电路输出信号从而提供激励信号，所述激励信号被配置为使得能够确定给予所述膜片的所述外部压力。
20.根据条款19所述的方法，所述方法进一步包括：在认证解译操作模式中，使音频啁啾信号传播到所述耳机；以及解译接收到的激励信号，从而确定耳机佩戴者的内耳结构的轮廓。
21.根据条款19所述的方法，所述方法进一步包括：
在手势解译操作模式中，监测接收到的激励信号以从其导出适用于调整用户设备的功能的用户手势输入。
22.根据条款19所述的方法，所述方法进一步包括：在语音解译操作模式中，监测接收到的激励信号以从其导出适用于调整用户设备的功能的用户语音输入。
23.根据条款19所述的方法，所述方法进一步包括：
在生理解译操作模式中，监测接收到的激励信号以从其导出适用于调整用户设备的功能的所述耳机用户的重复性生理信息。
24.根据条款23所述的方法，其中所述重复性生理信息包括与心跳信息和呼吸信息中的一者或两者相关联的生理信息。
25.根据条款19所述的方法，所述方法进一步包括：在生理解译操作模式中，监测接收到的激励信号以从其导出适用于调整用户设备的功能的所述耳机用户的生理信息，所述生理信息与以下中的一者或多者相关联：微癫痫、热颤抖、牙关紧闭和血压。
26.根据条款19所述的方法，所述方法进一步包括：在噪声解译操作模式中，监测接收到的激励信号以从其导出适用于产生对应的噪声消除信号的环境噪声语音输入。
27.根据条款19所述的方法，所述方法进一步包括：在噪声解译操作模式中，监测从左耳机驱动器和右耳机驱动器中的每一者接收到的激励信号以从其导出相应的环境噪声输入信号，并且确定相应环境噪声水平高于阈值量的差指示所述耳机的与表现出较大环境噪声水平的所述耳机驱动器相关联的不当密封。
28.一种用于从耳机接收信息的装置，所述耳机包括第一扬声器膜片和第二扬声器膜片，所述第一扬声器膜片和所述第二扬声器膜片耦合到相应的第一磁线圈驱动器和第二磁线圈驱动器，所述装置包括：第一差分放大器，所述第一差分放大器被配置为放大接收到的第一音频输入信号与接收到的第二音频输入信号之间的差；第二差分放大器，所述第二差分放大器被配置用于放大由所述第一磁线圈驱动器和所述第二磁线圈驱动器产生的激励信号之间的差；以及第三差分放大器，所述第三差分放大器被配置为放大所述第一差分放大器和所述第二差分放大器的输出信号之间的差，从而提供主要包括与激励信号相关联的电能的输出信号，所述激励信号由所述磁线圈驱动器响应于给予所述扬声器膜片的外部压力而产生，所述输出信号被配置用于由计算设备进行处理。
29.根据条款28所述的装置，所述装置进一步包括：第一缓冲器，所述第一缓冲器被配置为向所述第一磁线圈驱动器提供经缓冲的第一音频信号；以及第二缓冲器，所述第二缓冲器被配置为向所述第二磁线圈驱动器提供经缓冲的第二音频信号。
30.一种用于从耳机接收信息的装置，所述耳机包括第一扬声器膜片和第二扬声器膜片，所述第一扬声器膜片和所述第二扬声器膜片耦合到相应的第一磁线圈驱动器和第二磁线圈驱动器，所述装置包括：第一匹配电阻器和第二匹配电阻器，所述第一匹配电阻器和所述第二匹配电阻器用于将第一音频输入信号和第二音频输入信号耦合到相应的第一磁线圈扬声器膜片驱动器和第二磁线圈扬声器膜片驱动器以及耦合到放大器的相应的第一输入端子和第二输入端子；所述放大器被配置为产生指示所述第一音频输入信号与所述第二音频输入信号之间以及与激励信号相关联的电能之间的差的输出信号，所述激励信号由所述第一磁线圈扬声器膜片驱动器和所述第二磁线圈扬声器膜片驱动器响应于给予相应的所述第一扬声器膜片和所述第二扬声器膜片的外部压力而产生；其中所述输出信号被配置用于由计算设备进行处理，以对与所述第一音频输入信号和所述第二音频输入信号相关联的信号进行调零，并且提取与所述磁线圈扬声器膜片驱动器相关联的信号。
各种实施例可以被实现为连接耳机和配对设备(例如，诸如智能手机或计算机等用户设备)的插入式外围设备，或者被实现为嵌入到耳机中或配对设备中的集成电路。
尽管在本文中已经详细示出和描述了结合本发明的教导的各种实施例，但是本领域技术人员可以容易地设计出仍然结合这些教导的许多其他变化的实施例。因此，虽然前述内容针对本发明的各种实施例，但是可以设计本发明的其他和进一步的实施例而不背离其基本范围。

Claims (30)

1.一种用于从耳机接收信息的装置，所述耳机包括可操作地耦合到膜片的磁线圈驱动器，所述磁线圈驱动器被配置为接收音频输入信号并且响应地使所述膜片产生对应于所述音频输入信号的空气振动，所述装置包括：
调零电路，所述调零电路被配置用于选择性地耦合到所述磁线圈驱动器，用于对与所述音频输入信号相关联的电能进行调零，从而提供主要包括与激励信号相关联的电能的输出信号，所述激励信号由所述磁线圈驱动器响应于给予所述膜片的外部压力而产生；以及
放大器电路，所述放大器电路用于放大所述调零电路输出信号从而提供激励信号，所述激励信号被配置为使得能够确定给予所述膜片的所述外部压力。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述调零电路包括惠斯登电桥，所述惠斯登电桥包括两个经平衡的分压器臂，其中所述分压器臂中的一个分压器臂包括可操作地耦合到所述膜片的至少一个磁线圈。
3.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述耳机进一步包括可操作地耦合到第二膜片的第二磁线圈驱动器，所述第二磁线圈驱动器被配置为接收所述音频输入信号并且响应地使所述第二膜片产生对应于所述音频输入信号的空气振动，其中所述第一磁线圈驱动器和所述第二磁线圈驱动器表现出基本相似的阻抗；并且
所述调零电路包括惠斯登电桥，所述惠斯登电桥包括两个经平衡的分压器臂，每个分压器臂包括所述磁线圈驱动器中的相应一个磁线圈驱动器。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述耳机被配置用于连接到音频输出设备，并且所述装置被配置为连接到所述耳机和所述音频输出设备两者。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述耳机被配置用于连接到用户设备，并且所述装置被配置为连接到所述耳机和所述用户设备两者。
6.根据权利要求2所述的装置，其中所述激励信号包括由以下引起的音频信号：从所述耳机的佩戴者的声音发声给予所述膜片的外部压力。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述激励信号包括由以下引起的音频信号：从与所述耳机的佩戴者的耳道几何结构相关联的标称压力给予所述膜片的外部压力。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述激励信号包括由以下引起的音频信号：从与所述耳机的佩戴者的跳动的心脏相关联的重复性压力变化给予所述膜片的外部压力。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置进一步包括封围件，所述封围件被配置用于机械地支撑所述调零电路和所述放大器电路，所述封围件具有在其上设置的第一耳机连接器和第二耳机连接器，所述第一耳机连接器被配置为提供所述装置与耳机设备之间的机电协作，所述第二耳机连接器被配置为提供所述装置与用户设备之间的机电协作。
10.根据权利要求9所述的装置，其中第一耳机连接器和第二耳机连接器包括以下中的至少一者：3.5mm插头、通用串行总线(USB)连接器、微型USB连接器、USB-C连接器和闪电连接器。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被包括在用户设备内。
12.根据权利要求5所述的装置，其中所述用户设备在认证解译操作模式中使音频啁啾信号传播到所述耳机，从而感应出指示耳机佩戴者的内耳结构的激励信号。
13.根据权利要求5所述的装置，其中所述用户设备在手势解译操作模式中监测激励信号以从其导出适用于调整所述用户设备的功能的用户手势输入。
14.根据权利要求5所述的装置，其中所述用户设备在语音解译操作模式中监测激励信号以从其导出适用于调整所述用户设备的功能的用户语音输入。
15.根据权利要求1所述的装置，所述耳机进一步包括可操作地耦合到第二膜片的第二磁线圈驱动器，所述第二磁线圈驱动器被配置为接收第二音频输入信号并且响应地使所述第二膜片产生对应于所述第二音频输入信号的空气振动，所述装置进一步包括：
第二调零电路，所述第二调零电路被配置用于选择性地耦合到所述第二磁线圈驱动器，用于对与所述第二音频输入信号相关联的电能进行调零，从而提供主要包括与激励信号相关联的电能的第二输出信号，所述激励信号由所述第二磁线圈驱动器响应于给予所述第二膜片的外部压力而产生；以及
第二放大器电路，所述第二放大器电路用于放大所述第二调零电路输出信号从而提供第二激励信号，所述第二激励信号被配置为使得能够确定给予所述第二膜片的所述外部压力。
16.根据权利要求1所述的装置，所述耳机进一步包括可操作地耦合到第二膜片的第二磁线圈驱动器，所述第二磁线圈驱动器被配置为接收第二音频输入信号并且响应地使所述第二膜片产生对应于所述第二音频输入信号的空气振动，其中：
所述调零电路包括第一差分放大器和第二差分放大器，所述第一差分放大器被配置用于放大所述第一音频输入信号与所述第二音频输入信号之间的差，所述第二差分放大器被配置用于放大由第一磁线圈驱动器和第二磁线圈驱动器产生的激励信号之间的差；并且
所述放大器电路包括第三差分放大器，所述第三差分放大器被配置为放大所述第一差分放大器和所述第二差分放大器的输出信号之间的差。
17.根据权利要求16所述的装置，所述装置进一步包括：
第一缓冲器，所述第一缓冲器被配置为向所述第一磁线圈驱动器提供经缓冲的第一音频信号；以及
第二缓冲器，所述第二缓冲器被配置为向所述第二磁线圈驱动器提供经缓冲的第二音频信号。
18.根据权利要求16所述的装置，其中所述调零电路和所述放大电路一起包括三端口环行器，所述三端口环行器具有：第一端口，所述第一端口被配置为接收音频输入信号；第二端口，所述第二端口被配置为向所述磁线圈驱动器提供音频信号，以及从所述磁线圈驱动器接收与激励信号相关联的电能；以及第三端口，所述第三端口被配置为提供所述激励信号，所述激励信号被配置为使得能够确定给予所述膜片的所述外部压力。
19.一种用于从耳机接收信息的方法，所述耳机包括可操作地耦合到膜片的磁线圈驱动器，所述磁线圈驱动器被配置为接收音频输入信号并且响应地使所述膜片产生对应于所述音频输入信号的空气振动，所述方法包括：
对与所述音频输入信号相关联的电能进行调零，从而提供主要包括与激励信号相关联的电能的输出信号，所述激励信号由所述磁线圈驱动器响应于给予所述膜片的外部压力而产生；以及
放大所述调零电路输出信号从而提供激励信号，所述激励信号被配置为使得能够确定给予所述膜片的所述外部压力。
20.根据权利要求19所述的方法，所述方法进一步包括：
在认证解译操作模式中，使音频啁啾信号传播到所述耳机；以及
解译接收到的激励信号，从而确定耳机佩戴者的内耳结构的轮廓。
21.根据权利要求19所述的方法，所述方法进一步包括：
在手势解译操作模式中，监测接收到的激励信号以从其导出适用于调整用户设备的功能的用户手势输入。
22.根据权利要求19所述的方法，所述方法进一步包括：
在语音解译操作模式中，监测接收到的激励信号以从其导出适用于调整用户设备的功能的用户语音输入。
23.根据权利要求19所述的方法，所述方法进一步包括：
在生理解译操作模式中，监测接收到的激励信号以从其导出适用于调整用户设备的功能的所述耳机用户的重复性生理信息。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述重复性生理信息包括与心跳信息和呼吸信息中的一者或两者相关联的生理信息。
25.根据权利要求19所述的方法，所述方法进一步包括：
在生理解译操作模式中，监测接收到的激励信号以从其导出适用于调整用户设备的功能的所述耳机用户的生理信息，所述生理信息与以下中的一者或多者相关联：微癫痫、热颤抖、牙关紧闭和血压。
26.根据权利要求19所述的方法，所述方法进一步包括：
在噪声解译操作模式中，监测接收到的激励信号以从其导出适用于产生对应的噪声消除信号的环境噪声语音输入。
27.根据权利要求19所述的方法，所述方法进一步包括：
在噪声解译操作模式中，监测从左耳机驱动器和右耳机驱动器中的每一者接收到的激励信号以从其导出相应的环境噪声输入信号，并且确定相应环境噪声水平高于阈值量的差指示所述耳机的与表现出较大环境噪声水平的所述耳机驱动器相关联的不当密封。
28.一种用于从耳机接收信息的装置，所述耳机包括第一扬声器膜片和第二扬声器膜片，所述第一扬声器膜片和所述第二扬声器膜片耦合到相应的第一磁线圈驱动器和第二磁线圈驱动器，所述装置包括：
第一差分放大器，所述第一差分放大器被配置为放大接收到的第一音频输入信号与接收到的第二音频输入信号之间的差；
第二差分放大器，所述第二差分放大器被配置为放大由所述第一磁线圈驱动器和所述第二磁线圈驱动器产生的激励信号之间的差；以及
第三差分放大器，所述第三差分放大器被配置为放大所述第一差分放大器和所述第二差分放大器的输出信号之间的差，从而提供主要包括与激励信号相关联的电能的输出信号，所述激励信号由所述磁线圈驱动器响应于给予所述扬声器膜片的外部压力而产生，所述输出信号被配置用于由计算设备进行处理。
29.根据权利要求28所述的装置，所述装置进一步包括：
第一缓冲器，所述第一缓冲器被配置为向所述第一磁线圈驱动器提供经缓冲的第一音频信号；以及
第二缓冲器，所述第二缓冲器被配置为向所述第二磁线圈驱动器提供经缓冲的第二音频信号。
30.一种用于从耳机接收信息的装置，所述耳机包括第一扬声器膜片和第二扬声器膜片，所述第一扬声器膜片和所述第二扬声器膜片耦合到相应的第一磁线圈驱动器和第二磁线圈驱动器，所述装置包括：
第一匹配电阻器和第二匹配电阻器，所述第一匹配电阻器和所述第二匹配电阻器用于将第一音频输入信号和第二音频输入信号耦合到相应的第一磁线圈扬声器膜片驱动器和第二磁线圈扬声器膜片驱动器以及耦合到放大器的相应的第一输入端子和第二输入端子；
所述放大器被配置为产生指示所述第一音频输入信号与所述第二音频输入信号之间以及与激励信号相关联的电能之间的差的输出信号，所述激励信号由所述第一磁线圈扬声器膜片驱动器和所述第二磁线圈扬声器膜片驱动器响应于给予相应的所述第一扬声器膜片和所述第二扬声器膜片的外部压力而产生；
其中所述输出信号被配置用于由计算设备进行处理，以对与所述第一音频输入信号和所述第二音频输入信号相关联的信号进行调零，并且提取与所述磁线圈扬声器膜片驱动器相关联的信号。
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