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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aktivierungsvorrichtung zum Aktivieren einer externen Sensoreinrichtung und ein Verfahren zum Aktivieren einer Sensoreinrichtung.
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Stand der Technik
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Automatische Spracherkennungsverfahren, wie beispielsweise aus der
DE 10 2006 039 126 A1 bekannt, erfreuen sich großer Beliebtheit, da sie eine natürliche Interaktion zwischen Benutzer und Gerät ermöglichen. Der Benutzer hat die Hände frei und ist somit etwa im Straßenverkehr nicht durch eine manuelle Bedienung abgelenkt.
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Derartige Spracherkennungsverfahren weisen jedoch bei ständigem Betrieb einen hohen Stromverbrauch auf, sowohl durch das Mikrofon selbst als auch durch die meist sehr rechenintensive Auswertung der empfangenen Sensordaten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Aktivierungsvorrichtung zum Aktivieren einer externen Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zum Aktivieren einer Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 bereit.
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Die vorliegende Erfindung schafft demnach eine Aktivierungsvorrichtung zum Aktivieren einer externen Sensoreinrichtung, insbesondere einer Mikrofoneinrichtung, welche eine Vielzahl von Schallwandlereinrichtungen mit jeweiligen Resonanzfrequenzen und Sensitivitäten aufweist. Die Schallwandlereinrichtungen sind dazu ausgebildet, ein Schallsignal zu erfassen, das erfasste Schallsignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln und das elektrische Signal auszugeben. Die Resonanzfrequenzen und/oder Sensitivitäten der Schallwandlereinrichtungen unterscheiden sich zumindest teilweise voneinander. Weiter umfasst die Aktivierungsvorrichtung eine Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, durch Auswerten von mindestens einem der ausgegebenen elektrischen Signale ein vorgegebenes Schallmuster zu erkennen und, falls die Auswerteeinrichtung ein Schallmuster erkennt, ein Aktivierungssignal an die externe Sensoreinrichtungauszugeben, um die externe Sensoreinrichtungzu aktivieren.
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Die Erfindung schafft demnach weiter ein Verfahren zum Aktivieren einer Sensoreinrichtung, insbesondere einer Mikrofoneinrichtung. Hierbei wird in einem ersten Verfahrensschritt eine Vielzahl von Schallsignalen mittels Schallwandlereinrichtungen erfasst, wobei die Schallwandlereinrichtungen jeweilige Resonanzfrequenzen und Sensitivitäten aufweisen, wobei sich die Resonanzfrequenzen und/oder Sensitivitäten zumindest teilweise voneinander unterscheiden. In einem weiteren Verfahrensschritt werden diese Schallsignale in jeweilige elektrische Signale umgewandelt und ausgegeben. Durch Auswerten von mindestens einem der ausgegebenen elektrischen Signale wird ein vorgegebenes Schallmuster erkannt. Falls das Schallmuster erkannt wird, wird anschließend die Sensoreinrichtung aktiviert.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Aktivierungsvorrichtung bereit, welche selbst nur wenig Energie verbraucht und die verbrauchsintensivere Sensoreinrichtung, beispielsweise eine Mikrofoneinrichtung mit einer entsprechenden Spracherkennungseinrichtung, nur bei Bedarf aktiviert. Die Aktivierungsvorrichtung gibt das Aktivierungssignal aus, falls sie das vorgegebene Schallmuster erkennt, wobei unter einem Schallmuster ein vorgegebenes Schallsignal mit einem vorgegebenen Frequenzspektrum zu verstehen ist. Das Schallmuster kann beispielsweise ein Schlüsselwort wie das Wort „Aktivieren“ sein, mit welchem der Benutzer die Sensoreinrichtung mittels der Aktivierungsvorrichtung aktivieren kann. Falls die Schallwandlereinrichtungen verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen, sind diese für unterschiedliche Frequenzbereiche besonders sensibel, so dass durch Kombination der Schallwandlereinrichtungen ein gewisses Frequenzspektrum überwacht werden kann. Schallwandlereinrichtungen mit verschiedenen Sensitivitäten bei gleichen Resonanzfrequenzen reagieren auf dieselben Schallmuster, jedoch bei unterschiedlichen Intensitäten. Dadurch kann nicht nur ein Frequenzmuster sondern auch dessen Amplitude bestimmt werden. Bei lauten Hintergrundgeräuschen kann durch Auswahl von Schallwandlereinrichtungen mit geringeren Intensitäten die Schwelle zum Erkennen des Schallmusters erhöht werden. Unter Sensitivität wird hierbei ein Verhältnis eines Ausgangssignals (des elektrischen Signals) zu einem Eingangssignal (dem Schallsignal) verstanden. Schallwandlereinrichtungen mit verschiedenen Sensitivitäten geben also bei identischen Schallsignalen unterschiedlich starke elektrische Signale aus und reagieren somit unterschiedlich sensibel. Die Sensitivität kann beispielsweise durch das Verhältnis von einer Spannung des elektrischen Signals (in Volt) pro Schalldruck des Schallsignals (in Pascal) angegeben werden. Beispielsweise kann die Aktivierungsvorrichtung in einem Raum angeordnet sein und anhand des Schallmusters eine Präsenzerkennung von Personen in dem Raum ermöglichen. Beim Erkennen des Schallmusters wird die Sensoreinrichtung aktiviert, beispielsweise ein Gassensor zum Messen der Luftqualität des Raumes, anhand welcher eine Klimaanlage entsprechend gesteuert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Aktivierungsvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, die elektrischen Signale derjenigen Schallwandlereinrichtungen auszuwerten, deren Resonanzfrequenzen im Wesentlichen Frequenzpeaks eines Frequenzspektrums des Schallmusters entsprechen. Ein Schlüsselwort weist ein charakteristisches Frequenzspektrum mit charakteristischen Frequenzpeaks auf. Detektieren diejenigen Schallwandlereinrichtungen, deren Resonanzfrequenzen im Wesentlichen diesen Frequenzpeaks entsprechen, ein elektrisches Signal, welches einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wird das Schallmuster bzw. das Schlüsselwort erkannt und die Sensoreinrichtung aktiviert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Aktivierungsvorrichtung umfassen die Schallwandlereinrichtungen piezoelektrische Elemente, welche an durch das Schallsignal auslenkbaren Auslenkelementen angeordnet sind und dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit von der Auslenkung der Auslenkelemente das elektrische Signal auszugeben. Derartige, vorzugsweise mikroelektromechanische Schallwandlereinrichtungen weisen nur einen sehr geringen Stromverbrauch auf und können daher im Dauerbetrieb aktiviert bleiben. Durch Verwendung piezoelektrischer Elemente wird keine externe Spannung zum Betreiben der Schallwandlereinrichtung benötigt, so dass lediglich der Stromverbrauch der Auswerteeinrichtung anfällt. Durch verschiedene Schallwandlereinrichtungen gleicher Resonanzfrequenz aber unterschiedlicher Sensitivität (z.B. unterschiedlicher Auslenkung der piezoelektrischen Elemente für einen gegebenen Schallpegel bei gleicher Resonanzfrequenz) kann auch die Höhe des Schallpegels bei dieser Frequenz in einer Ausführungsform näherungsweise bestimmt werden, ohne auf einen Vergleich eines Komparators mit einem Referenzsignal zurückgreifen zu müssen. Die unterschiedliche Sensitivität bei gleicher Resonanzfrequenz kann beispielsweise durch eine unterschiedliche Breite der Schallwandlereinrichtung realisiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Aktivierungsvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, das Schallmuster zu erkennen, falls eine Signalstärke des mindestens einen ausgewerteten elektrischen Signals über einem jeweiligen vorgegebenen Schwellenwert liegt. Der Schwellenwert kann sich für verschiedene Schallwandlereinrichtungen, das heißt verschiedene Resonanzfrequenzen, unterscheiden und in Abhängigkeit von dem Schallmuster bestimmt sein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Aktivierungsvorrichtung ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, das Schallmuster zu erkennen, falls ein zeitlicher Verlauf einer Signalstärke des mindestens einen ausgewerteten elektrischen Signals im Wesentlichen einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf entspricht. Somit können bestimmte Schallmuster bzw. Aktivierungswörter sicher erkannt werden.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Spracherkennungsvorrichtung mit einer Sensoreinrichtung zum Erfassen von Schall und einer Aktivierungsvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die Sensoreinrichtung zu aktivieren, falls die Aktivierungsvorrichtung ein vorgegebenes Schallmuster erkennt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Spracherkennungsvorrichtung kann das Schallmuster durch eine Nutzereingabe festgelegt werden. So kann der Nutzer das Schallmuster bzw. Aktivierungswort durch Texteingabe, Auswahl oder Spracheingabe selbst bestimmen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die elektrischen Signale derjenigen Schallwandlereinrichtungen ausgewertet, deren Resonanzfrequenzen im Wesentlichen Frequenzpeaks eines Frequenzspektrums des Schallmusters entsprechen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Schallmuster erkannt, falls eine Signalstärke des mindestens einen ausgewerteten elektrischen Signals über einem jeweiligen vorgegebenen Schwellenwert liegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer Aktivierungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2, 3 schematische Drauf- bzw. Querschnittsansichten einer Schallwandlereinrichtung gemäß einer Ausführungsform;
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4, 5 schematische Drauf- bzw. Querschnittsansichten einer Schallwandlereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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6, 7 schematische Querschnittsansichten piezoelektrischer Elemente gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
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8 charakteristische Frequenzspektren beispielhafter Schallwandlereinrichtungen;
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9 ein Blockschaltbild einer Spracherkennungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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10 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Aktivieren einer Sensoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
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11 ein schematisches Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Aktivieren einer Sensoreinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Im Folgenden werden gleiche oder baugleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. Verschiedene Ausführungsformen sind im Allgemeinen beliebig miteinander kombinierbar.
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1 zeigt ein Blockdiagramm einer Aktivierungsvorrichtung 1 zum Aktivieren einer externen Sensoreinrichtung 12 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Sensoreinrichtung 12 umfasst vorzugsweise eine Mikrofoneinrichtung, kann jedoch beispielsweise auch eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von Gas, Temperatur, Feuchtigkeit oder Helligkeit umfassen. Die Aktivierungsvorrichtung 1 umfasst eine Vielzahl von Schallwandlereinrichtungen 10-1 bis 10-n mit einer jeweiligen Resonanzfrequenz und einer jeweiligen Sensitivität. Die Aktivierungsvorrichtung 1 umfasst mindestens zwei und bevorzugt mindestens zehn Schallwandlereinrichtungen 10-i. Die Schallwandlereinrichtungen 10-i sind dazu ausgebildet, ein Schallsignal zu erfassen, das erfasste Schallsignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln und das elektrische Signal auszugeben.
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Eine beispielhafte Schallwandlereinrichtung 10a ist in 2 in einer Draufsicht und in 3 in einer Querschnittsansicht entlang der Achse A-A schematisch illustriert.
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Ein Auslenkelement 21 ist an einer Seite mit dem Substrat 20 verbunden bzw. aus diesem insbesondere durch Ätzen herausgeformt und von den übrigen drei anderen Seiten sowie von einer Unterseite her freigestellt, so dass eine Kaverne 24 gebildet wird, welche von dem Auslenkelement 21 teilweise überdeckt ist. Das Auslenkelement 21 hat die Form eines Cantilevers und ist in einer vertikalen Richtung y auslenkbar. Durch geeignete Wahl der Dicke, Länge und des Materials des Auslenkelements 21 kann die Resonanzfrequenz und die Sensitivität des Auslenkelements 21 eingestellt werden.
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Das Auslenkelement 21 weist ein piezoelektrisches Element 22 auf, welches in das Auslenkelement 21 integriert bzw. an diesem angeordnet ist. Das piezoelektrische Element 22 ist vorzugsweise benachbart zu einem Verbindungsbereich des Auslenkelements 21 mit dem Substrat 20 angeordnet, da die Verformung des Auslenkelements 21 aufgrund der Auslenkung in dem Verbindungsbereich am Höchsten ist. In Abhängigkeit von einem Frequenzspektrum eines auf die Aktivierungsvorrichtung 1 treffenden Schallsignals bzw. Schalls wird das Auslenkelement 21 entsprechend ausgelenkt. Die größte Auslenkung tritt bei der Resonanzfrequenz des Auslenkelements 21 auf. Das piezoelektrische Element 22 ist mit einer Signalerzeugungseinrichtung 23 verbunden, welche in Abhängigkeit von der Auslenkung des Auslenkelements 21 ein elektrisches Signal ausgibt.
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In 4 ist eine Draufsicht auf eine Schallwandlereinrichtung 10b und in 5 eine schematische Querschnittsansicht entlang einer Achse B-B gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert. Ein Auslenkelement 21 ist hierbei an zwei gegenüberliegenden Seiten mit dem Substrat 20 verbunden und an den verbleibenden zwei gegenüberliegenden Seiten freigestellt, so dass ein brückenförmiges Element entsteht, welches in einer vertikalen Richtung z durch Schall ausgelenkt werden kann. Jeweils in der Nähe der Verbindungsbereiche des Auslenkelements 71 mit dem Substrat 20 sind entsprechende piezoelektrische Elemente 22 angeordnet, welche mit einer Signalerzeugungseinrichtung 23 verbunden sind.
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In 6 ist ein beispielhafter Schichtaufbau eines piezoelektrischen Elements 22a illustriert, welches eine obere Kontaktelektrode 43 auf einer piezoelektrischen Schicht 42 aufweist, wobei die piezoelektrische Schicht 42 vorzugsweise aus Materialien wie Aluminiumnitrid AlN oder PZT-Keramiken besteht. Die piezoelektrische Schicht 42 ist auf einem Substrat 41, vorzugsweise aus Silizium, angeordnet, welches durch das Auslenkelement 21 selbst gebildet sein kann, und als untere Kontaktelektrode dient. Um eine Resonanzfrequenz im Frequenzbereich von Sprachsignalen zu erreichen, wird eine Dicke der piezoelektrischen Schicht 42 vorzugsweise kleiner als 1 µm und eine Dicke der Kontaktelektrode 43 vorzugsweise kleiner als 100 nm gewählt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform können zwei Kontaktelektroden auf der piezoelektrischen Schicht 42 angeordnet sein und diese über eine Passivierungsschicht, beispielsweise aus SiO2, auf dem Auslenkelement 21 angeordnet sein.
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In 7 ist ein piezoelektrisches Element 22b gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert, wobei zwischen einer oberen Elektrode 53 und einer mittleren Elektrode 52 eine obere Schicht 55 aus einem piezoelektrischen Material und zwischen einer unteren Elektrode 51 und der mittleren Elektrode 52 eine zweite piezoelektrische Schicht 54 angeordnet ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch ein verbessertes Ausgangssignal aus.
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Die Schallwandlereinrichtungen 10-i sind mit einer Auswerteeinrichtung 11 gekoppelt, welche dazu ausgebildet ist, die von der Signalerzeugungseinrichtung 23 ausgegebenen elektrischen Signale auszuwerten und ein vorgegebenes Schallmuster zu erkennen.
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8 zeigt ein charakteristisches Spektrum für den Fall von drei verschiedenen Schallwandlereinrichtungen 10-1, 10-2 und 10-3. Jeweilige Ausgangssensitivitäten S der Schallwandlereinrichtungen 10-1, 10-2 und 10-3 zeichnen sich durch verschiedene Resonanzfrequenzen von 1 kHz, 1,5 kHz bzw. 2 kHz aus. Das Schallmuster weist ein typisches Frequenzspektrum mit entsprechenden Frequenzpeaks auf. Vorzugsweise wertet die Auswerteeinrichtung die elektrischen Signale derjenigen Schallwandlereinrichtungen 10-i aus, deren Resonanzfrequenzen im Wesentlichen den Frequenzpeaks des Frequenzspektrums des Schallmusters entsprechen. Weist das Schallmuster beispielsweise Frequenzpeaks bei 1 kHz und bei 2 kHz auf, so können die erste und die dritte Schallwandlereinrichtungen 10-1 und 10-3 ausgewertet werden. Liegen die Signalstärken der ausgewerteten elektrischen Signale über einem vorgegebenen Schwellenwert, welcher von der jeweiligen Schallwandlereinrichtung 11-i abhängen kann, so ist die Auswerteeinrichtung 11 dazu ausgebildet, das Schallmuster zu erkennen. Vorzugsweise können die Schwellenwerte in Abhängigkeit von einem Umgebungsgeräuschpegel angepasst werden, um insbesondere in lauten Umgebungen ein unerwünschtes Aktivieren der Sensoreinrichtung, insbesondere einer Mikrofoneinrichtung, zu verhindern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, das Schallmuster zu erkennen, falls ein zeitlicher Verlauf einer Signalstärke des mindestens einen ausgewerteten elektrischen Signals im Wesentlichen einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf entspricht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erkennt die Auswerteeinrichtung 11 das Schallmuster, falls Verhältnisse von Signalstärken der elektrischen Signale verschiedener Schallwandlereinrichtungen in vorgegebenen, von dem Schallmuster abhängigen Wertebereichen liegen.
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9 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Spracherkennungsvorrichtung 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welche eine Aktivierungsvorrichtung 1, insbesondere einer der vorangehenden Ausführungsformen aufweist. Die Auswerteeinrichtung 11 der Aktivierungsvorrichtung 1 umfasst einen Komparator 91, welcher eine Ausgangsspannung der piezoelektrischen Elemente der Schallwandlereinrichtungen 10-1 bis 10-n mit einem jeweiligen Spannungsschwellenwert vergleicht und ein entsprechendes Signal an eine Mustererkennungseinrichtung 92 weitergibt, welche dazu ausgebildet ist, das vorgegebene Schallmuster zu erkennen. Falls die Auswerteeinrichtung 11 das Schallmuster erkennt, gibt die Auswerteeinrichtung 11 ein Aktivierungssignal an eine Mikrofoneinrichtung 12 aus. Die Mikrofoneinrichtung 12 umfasst ein Mikrofon 93 und eine Signalverarbeitungseinheit 94 mit einem Analog-zu-Digital-Wandler 95, einer digitalen Signalverarbeitungseinheit 96 und Spracherkennungsmodulen 97.
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Gemäß Ausführungsformen kann das Schallmuster durch eine Nutzereingabe über eine Schnittstelle der Spracherkennungsvorrichtung durch einen Nutzer festgelegt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die elektrischen Signale der Schallwandlereinrichtungen 10-i an einen allgemeinen Kontaktstift (GPIO-Pin) der Auswerteeinrichtung 11 ausgegeben, wobei die Auswerteeinrichtung 11 ein Aktivierungssignal ausgibt, falls eine jeweilige Eingangsspannung der GPIO-Pins überschritten wird.
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10 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Aktivieren einer Sensoreinrichtung 12, wobei in einem ersten Verfahrensschritt S1 eine Vielzahl von Schallsignalen mittels Schallwandlereinrichtungen mit einer jeweiligen Resonanzfrequenz und einer jeweiligen Sensitivität erfasst wird. Die Resonanzfrequenzen und/oder die Sensitivitäten der Schallwandlereinrichtungen unterscheiden sich zumindest teilweise voneinander.
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In einem zweiten Verfahrensschritt S2 werden die Schallsignale in jeweilige elektrische Signale umgewandelt und ausgegeben.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S3 wird ein vorgegebenes Schallmuster durch Auswerten von mindestens einem der ausgegebenen elektrischen Signale erkannt.
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Falls das Schallmuster erkannt wird, wird in einem vierten Verfahrensschritt S4 die Sensoreinrichtung aktiviert.
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In 11 ist ein Verfahren zum Aktivieren einer Mikrofoneinrichtung 12 gemäß einer weiteren Ausführungsform illustriert. Die Mikrofoneinrichtung 12 wird zuerst in einen Standby-Modus bzw. Schlafmodus versetzt (S101). Anschließend wird mittels der Schallwandlereinrichtungen 10-1, 10-2, 10-3 und der Auswerteeinheit 11 in der oben beschriebenen Weise das externe Schallsignal auf das Schallmuster untersucht (S102). Es wird überprüft, ob das Schallmuster vorliegt (S103). Ist dies nicht der Fall, wird die Suche (S102) fortgesetzt, andernfalls wird die Mikrofoneinrichtung 12 aktiviert (S104). In einem weiteren Verfahrensschritt S105 kann eine Spracherkennung mittels der Mikrofoneinrichtung 12 durchgeführt werden. Anschließend wird überprüft, ob weiterhin relevante Schallereignisse vorliegen (S106). Ist dies der Fall, wird weiterhin eine Spracherkennung durchgeführt, andernfalls wird das Mikrofon wiederum in den Standby-Modus versetzt (S101).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006039126 A1 [0002]
