-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Vibrationswellen-Detektierverfahren/einen
Vibrationswellendetektor zum Detektieren der Charakteristiken der sich
in einem Medium fortzupflanzenden Vibrationswellen, wie z. B. Schallwellen.
-
Beschreibung
der verwandten Technik
-
Beim
herkömmlichen
System zum Ausführen
der Spracherkennung werden Vibrationen eines Mikrofons, das Sprachsignale
empfangen hat, von einem Verstärker
in elektrische Signale konvertiert/verstärkt, und dann werden die analogen
Signale zum Erhalt digitaler Sprachsignale von einem A/D-Konverter
in digitale Signale konvertiert. Die schnelle Fourier-Transformation
wird von einer auf einem Computer laufenden Software an die digitalen Sprachsignale
angelegt, um die Sprachmerkmale zu extrahieren. Ein solches oben
beschriebenes Spracherkennungssystem ist im IEEE Signal Processing Magazine,
Vol. 13, Nr. 5, S. 45-57 (1996) beschrieben.
-
Zum
effizienteren Extrahieren der Merkmale der Sprachsignale ist es
erforderlich, akustische Spektren innerhalb einer Zeitspanne zu
berechnen, in der die Sprachsignale als stationär angesehen werden. Das Sprachsignal
wird normalerweise innerhalb einer Zeitspanne von 10 bis 20 mSek.
als stationär
angesehen. Daher wird eine Signalbearbeitung, wie z. B. eine schnellen
Fourier-Transformation
o. dgl., von der auf dem Computer laufenden Software an den in der
Zeitspanne von 10 bis 20 mSek. auftretenden digitalen Sprachsignalen
durchgeführt.
-
Beim
herkömmlichen
oben beschriebenen Spracherkennungsverfahren werden die Sprachsignale
einschließlich
der gesamten Momentanzonen von einem Mikrofon in elektrische Signale
konvertiert. Zum Analysieren der Spektren der elektrischen Signale
werden durch die A/D-Konvertierung die Frequenzen in Digitalfrequenzen
umgewandelt. Die digitalen Sprachsignaldaten werden mit den vorbestimmten
Sprachwellendaten verglichen, um die Sprachmerkmale zu extrahieren.
-
Ein
auditiver Mechanismus und schallpsychologische physikalische Eigenschaften
sind von der Ohm Company Co., 1992 in "Neuro Science & Technology Series Speech Auditory
and Neuro Circuit Network Model" (S.
116-125) von Seiichi Nakagawa, Kiyohiro Shikano, Youichi Toukura
unter Supervision von Shunichi Amari genauer beschrieben worden.
Diese Veröffentlichung
zeigt, dass das Maß der
für Menschen
hörbaren
Tonhöhe
dem Maß einer Mel-Skala
linear entspricht, statt einer Frequenz als physikalischem Wert
linear zu entsprechen. Die Mel-Skala, ein psychologisches Attribut
(psychologisches Maß),
das die von einer Skala angezeigte Tonhöhe repräsentiert, ist eine Skala, bei
der die als Tonhöhe
bezeichneten Frequenzintervalle, die in gleichen Intervallen für Menschen
hörbar
sind, direkt nummeriert sind. Die Tonhöhe von 1000 Hz, 40 Phon ist
als 1000 Mel definiert. Ein akustisches Signal von 500 Mel ist als
Ton mit 0,5-mal der Tonhöhe
hörbar. Ein
akustisches Signal von 2000 Mel ist als Ton mit doppelter Tonhöhe hörbar. Der
Mel-Skala kann sich mittels der folgenden Gleichung (1) durch Anwendung
der Frequenz f [Hz] als physikalischem Wert angenähert werden.
Ferner ist die Beziehung zwischen der Tonhöhe [Mel] und der Frequenz [Hz]
in der Näherungs-Gleichung
in 1 dargestellt. Mel = (1000/log2) log (f/1000 + 1) (1)
-
Zum
effizienteren Extrahieren der Sprachmerkmale werden häufig die
Frequenzbänder
der akustischen Spektren in solche Mel-Skalen konvertiert. Die Konvertierung
der akustischen Spektren in die Mel-Skala wird normalerweise wie
die Spektrumanalyse von der auf dem Computer laufenden Software
durchgeführt.
-
Ferner
werden zum effizienteren Extrahieren der Sprachmerkmale häufig die
Frequenzbänder
der akustischen Spektren in eine Bark-Skala konvertiert. Die Bark-Skala
ist ein der Lautstärke
des psychologischen Tons eines Menschen entsprechendes Maß. Bei Tönen eines
bestimmten Grads oder eines darüber
liegenden Grads zeigt die Bark-Skala die für Menschen hörbare Frequenzbandbreite
(die als kritische Bandbreite bezeichnet wird) an, und Töne innerhalb
der kritischen Bandbreite sind, selbst wenn sie stark voneinander
differieren, dennoch hörbar. Wenn
beispielsweise laute Geräusche
innerhalb der kritischen Bandbreite auftreten, handelt es sich bei der
Skala, die das Frequenzband anzeigt, dessen Signaltöne plus
der dazugehörigen
Geräusche
trotz unterschiedlicher Frequenzen von dem menschlichen Gehörsystem
nicht bewertet werden können, um
die Bark-Skala.
-
In
einem Bereich der Sprachsignalverarbeitung ist eine kritische Bandbreite,
die auf einfache Weise von dem Computer bearbeitet werden kann, erforderlich,
und folglich ist die Frequenzachse der akustischen Spektren in einer
Bark-Skala gezeigt, bei der ein kritisches Band als ein Bark definiert
ist. 2 zeigt die Zahlenwert-Beziehung zwischen der kritischen
Bandbreite und der Bark-Skala. Der kritischen Bandbreite kann sich
durch die folgenden Gleichungen (2) und (3) unter Anwendung der
Frequenz f [kHz] als physikalischem Wert angenähert werden. Kritische Bandbreite: CB
[Hz] = 25 + 75 (1 + 1,4 f2)0,69 (2) Bark-Skala: B [Bark] = 13tan-1(0,76f) + 3,5tan-1(f/7,5) (3)
-
Es
ist gängige
Praxis, ein Entwicklungsfunktionsmodell des peripheren Hörsystems
auf dem Gebiet der Spracherkennung anzuwenden, und das Konzept des
Modells ist in "Neuro
Science & Technology
Series Speech Auditory and Neuro Circuit Network Model" (S. 162-171) genauer
beschrieben. Bei dem Entwicklungsfunktionsmodell wird die Frequenzspektrumanalyse
von Bandbreiten-Filtergruppen vorverarbeitet. Beispielsweise wird
bei der Vorverarbeitung an einem Seneff-Modell, das eines der repräsentativen
Funktionsmodelle ist, die Frequenzspektrumanalyse von den Kritisch-Bandbreiten-Filtergruppen
mit vierzig unabhängigen
Kanälen
im Frequenzbereich von 130 bis 6400 Hz durchgeführt. Dabei wird das Frequenzband
der akustischen Spektren in die Bark-Skala konvertiert.
-
Die
Konvertierung in die Bark-Skala kann normalerweise wie die andere
Spektrumanalyse von der auf dem Computer laufenden Software durchgeführt werden.
-
Beim
herkömmlichen
Verfahren zum Durchführen
der schnellen Fourier-Transformation an dem digitalen Schallsignal
unter Verwendung der auf dem Computer laufenden Software zum Analysieren
der Schallsignalspektren wird der Berechnungsumfang so immens, dass
die Berechnungslast größer wird. Selbst
beim Durchführen
der schnellen Fourier-Transformation an den Schallsignalspektren
und Durchführen
der Konvertierung in die Mel-Skala mittels der auf dem Computer
laufenden Software wird der Berechungsumfang so immens, dass die
Berechnungslast größer wird.
Selbst bei der Analyse der Schallsignalspektren in den Frequenzspektren
durch die Kritisch-Bandbreiten-Filtergruppen und Konvertieren in
die Bark-Skala durch die auf dem Computer laufende Software wird
der Berechnungsumfang immens und die Berechnungslast groß.
-
Bei
den herkömmlichen
Verfahren gibt es keine Probleme mit der Sprache, wenn sich die
akustischen Spektren nicht mit der Zeit verändern, z. B. wenn nur Vokaltöne auftreten.
Eine Sprache setzt sich jedoch aus Konsonanttönen und Vokaltönen zusammen.
Wenn ein Konsonantton zuerst auftritt und ein Vokalton als zweiter
Ton auftritt, wie es generell beim Japanischen der Fall ist, wird
die Betonung des Vokaltons mit der Zeit immer stärker. Das Englische ist aus
komplizierten Konsonanttönen
und Vokaltönen
zusammengesetzt. In diesen Fällen
war es bisher schwierig zu beurteilen, wann die Töne von Konsonanttönen zu Vokaltönen übergingen,
und da die Sprache unmittelbar aufgenommen worden ist, wurden die
akustischen Spektren des gesamten Bands durch Teilung für jede Zeitkonstante
zwecks Analysierens der Sprache integriert. Dadurch wurde das Bewertungsverhältnis bei
der Spracherkennung reduziert. Zur Lösung der Probleme werden zuvor
viel mehr Sprachmuster im Computer gespeichert und an diese Sprachmuster
angelegt, wodurch sich die Berechnungslast noch weiter vergrößert.
-
In
DE-A-37 03 946 ist eine Vorrichtung zum Detektieren von Schallvibrationen
beschrieben, bei der freitragende Resonatoren verwendet werden,
die bei individuellen Frequenzen in Resonanz treten. Dadurch können einzelne
Spektrumkomponenten eines Eingangstons detektiert werden.
-
KURZER ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Schaffen eines Vibrationswellen-Detektierverfahrens
und eines Detektors, der in der Lage ist, die Frequenzspektrumanalyse
der Vibrationswellen schnell und akkurat auf einer Hardware durchzuführen.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Schaffen eines
Schallwellen-Detektierverfahrens und eines Detektors, der in der
Lage ist, die Schallsignaldetektierung und die Frequenzspektrumanalyse
schnell und akkurat auf einer Hardware durchzuführen.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Schaffen eines
Schallwellen-Detektierverfahrens und eines Detektors, der in der
Lage ist, die Schallsignaldetektierung, die Frequenzspektrumanalyse
und die Konvertierung (Konvertierung in die Mel-Skala oder die Bark-Skala)
der Frequenzskala schnell und akkurat auf einer Hardware durchzuführen.
-
Erfindungsgemäß wird ein
Vibrationswellen-Detektierverfahren mit folgenden Schritten bereitgestellt:
Empfangen
von sich in einem Medium fortzupflanzenden Vibrationswellen durch
einen Empfänger;
Fortpflanzenlassen
der empfangenen Vibrationswellen von einem Ende eines Stabs zu dem
anderen Ende des Stabs;
Fortpflanzenlassen der empfangenen
Vibrationswellen in mehrere freitragende Resonatoren, die jeweils eine
derartige Länge
aufweisen, dass sie bei einer individuellen vorbestimmten Frequenz
in Resonanz treten;
Detektieren der Vibrationsstärke für jede vorbestimmte
Frequenz jedes Resonators;
Konvertieren der detektierten Vibrationsstärke in elektrische
Signale für
jede vorbestimmte Frequenz;
Integrieren der konvertierten elektrischen
Signale während
einer Zeitspanne; und
Ausgeben der Integrationsergebnisse für jede vorbestimmte
Frequenz nach Ablauf der Zeitspanne.
-
Die
Erfindung stellt ferner einen Vibrationswellendetektor bereit, der
aufweist:
einen Empfänger
zum Empfangen von sich in einem Medium fortzupflanzenden Vibrationswellen;
eine
Resonatoreinheit mit mehreren freitragenden Resonatoren, die jeweils
eine derartige Länge
aufweisen, dass sie bei einer individuellen vorbestimmten Frequenz
in Resonanz treten;
eine Haltestange zum Halten der Resonatoreinheit;
einen
Vibrationsstärkendetektor
zum Detektieren der Vibrationsstärke
jedes Resonators anhand der von dem Empfänger empfangenen und über die
Haltestange in die Resonatoreinheit fortgepflanzten Vibrationswellen;
eine
Konvertiervorrichtung zum Konvertieren der detektierten Vibrationsstärke in elektrische
Signale für jede
vorbestimmte Frequenz;
eine Integriervorrichtung zum Integrieren
der konvertierten elektrischen Signale während einer Zeitspanne zum
Erzeugen eines Integrationsergebnisses für jede vorbestimmte Frequenz;
und
eine Ausgabevorrichtung zum Ausgeben der von der Integriervorrichtung
integrierten Ergebnisse für
jede vorbestimmte Frequenz nach Ablauf der Zeitspanne.
-
Die
Bandbreite der Resonanzfrequenz in jedem Resonator kann auf einen
vorbestimmten Wert eingestellt werden, wobei die Distanz zwischen
zwei benachbarten Resonatoren unterschiedlich ist.
-
Der
erfindungsgemäße Schallwellendetektor,
bei dem die sich in dem Medium fortzupflanzenden Vibrationswellen
Schallwellen sind, kann derart eingestellt werden, dass die Resonanzfrequenzen
in mehreren Resonatoren in einer Mel- Skala verteilt werden können. Die
jeder Resonanzfrequenz entsprechende Bandbreite ist eine kritische
Bandbreite.
-
Der
erfindungsgemäße Schallwellendetektor,
bei dem die sich in dem Medium fortzupflanzenden Vibrationswellen
Schallwellen sind, kann derart eingestellt werden, dass die Resonanzfrequenzen
in mehreren Resonatoren in einer Bark-Skala verteilt werden können. Die
jeder Resonanzfrequenz entsprechende Bandbreite ist eine kritische
Bandbreite.
-
Der
erfindungsgemäße Schallwellendetektor kann
als Mikrofon zum Eingeben von Musiknoten zwecks Erkennung von Musiknoten,
ein Mikrofon zum Eingeben von Sprache zwecks Erkennung der Sprache
und als Mikrofon zum Eingeben von anomalen Geräuschen zum Detektieren der
anomalen Geräusche
einer vorbestimmten Frequenz verwendet werden.
-
Der
erfindungsgemäße Vibrationswellendetektor
mit mehreren Resonatoren, die jeweils unterschiedliche Längen aufweisen,
so dass jeder bei der vorbestimmten Frequenz in Resonanz tritt, überträgt die Vibrationswellen,
die sich in dem Medium fortgepflanzt haben, zu diesen Resonatoren,
so dass die Vibrationen jedes Resonators von dem Vibrationsstärkendetektor
detektiert werden können.
Die detektierte Vibrationsamplitude wird in elektrische Signale konvertiert,
die in die Integriervorrichtung eingegeben werden, welche derart
synchron mit einer Taktperiode arbeitet, dass die eingegebenen elektrischen Signale
in einer solchen Periode integriert werden. Die Integrationsergebnisse
können
für jede
Periode ausgegeben werden. In diesem Fall können die Integrationsergebnisse
für eine
vorbestimmte Frequenz oder für
jede der mehreren vorbestimmten Frequenzen ausgegeben werden.
-
Der
erfindungsgemäße Schallwellendetektor ist
im wesentlichen gleich ausgeführt
wie der oben beschriebene Vibrationswellendetektor. Er detektiert die
Schallwellen, und die Resonanzfrequenz in jedem Resonator kann linear
in der Mel-Skala statt in der mathematisch linearen Skala verteilt
werden. Die Konfi guration jedes Resonators ist leicht bestimmbar, da
die Ist-Resonanzfrequenz und die Mel-Skala einander entsprechen.
Sie wird gemäß Gleichung
(1) und 1 bestimmt. Nach dem Detektieren
der Vibrationen an jedem Resonator gemäß der Mel-Skalen-Spezifikation
durch den Vibrationsstärkendetektor
erfolgt die Verarbeitung, die der durch den oben beschriebenen Vibrationswellendetektor
erfolgenden im wesentlichen gleich ist, so dass der den Spektren der
Schallsignale entsprechende physikalische Wert in der Mel-Skala
detektiert werden kann.
-
Ein
weiterer erfindungsgemäßer Schallwellendetektor
weist eine Konfiguration auf, die der des oben beschriebenen Vibrationswellendetektors
im wesentlichen gleich ist. Er detektiert die Schallwellen, und
die Resonanzfrequenz in jedem Resonator kann linear in der Bark-Skala
statt in der mathematisch linearen Skala verteilt werden, und die
Bandbreite jeder Resonanzfrequenz kann zu einer kritischen Bandbreite
gemacht werden. Die Konfiguration jedes Resonators ist leicht bestimmbar,
da die Ist-Resonanzfrequenz und die Bark-Skala einander entsprechen. Die Grenzfrequenz
zum Bestimmen der kritischen Bandbreite kann gemäß den Gleichungen (2) und (3)
und 2 bestimmt werden. Nach dem Detektieren der Vibrationen
an jedem Resonator gemäß der Bark-Skalen-Spezifikation
durch den Vibrationsstärkendetektor
erfolgt die Verarbeitung, die der durch den oben beschriebenen Vibrationswellendetektor
erfolgenden im wesentlichen gleich ist, so dass der den Spektren
der Schallsignale entsprechende physikalische Wert mit der kritischen
Bandbreite in der Bark-Skala detektiert werden kann.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Schallwellendetektor
können
die akustischen Spektren ohne Durchführung der analytischen Verarbeitung
in Echtzeit erhalten werden, da die Schallstärke für jede gewünschte Frequenz detektierbar
ist. Die Erfindung bietet aufgrund der mechanischen Analyse der Schallsignale
auf diese Weise für
jedes Frequenzband eine höhere
Verarbeitungsgeschwindigkeit als das herkömmliche System zum Eingeben
der Schallsignale des gesamten Bands zwecks elektrischen Filterns,
da die elektrische Filterung bei der Erfindung nicht erforderlich
ist. Ferner sind die Schalldaten vollständig, selbst wenn sie für beliebige
Konstantzeitspannen aufgeteilt sind. Da die Schalldaten für jede Frequenz
in einer Konstantzeitspanne erhalten werden, kann der Verlauf der
Stärke
jeder Frequenz mit Ablauf der Zeit erkannt werden. Beispielsweise
kann die zeitliche Veränderung
der Vokaltöne
und der Konsonanttöne
korrekt bewertet werden, um das Bewertungsverhältnis bei der Spracherkennung
zu verbessern.
-
Die
oben genannten und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden
anhand der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen besser verständlich.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
-
1 zeigt
eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Ist-Frequenz
und dem Mel-Skalen-Wert;
-
2 zeigt
eine Tabelle der Zahlenwert-Beziehung zwischen der kritischen Bandbreite
und der Mel-Skala;
-
3 zeigt
eine Ansicht der Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schallwellendetektors;
-
4 zeigt
eine schematische Darstellung einer Konfiguration einer Detektierschaltung
in dem erfindungsgemäßen Schallwellendetektor;
-
5 zeigt
eine schematische Darstellung eines Zeitdiagramms der Detektierschaltung
in dem erfindungsgemäßen Schallwellendetektor;
-
6 zeigt
eine schematische Darstellung der Beziehung jeder Detektierschaltung
entsprechend einer vorbestimmten Frequenz;
-
7 zeigt
eine grafische Darstellung der Beziehung der Distanz zwischen den
Resonatoren und der Bandbreite; und
-
8 zeigt
eine Ansicht der Beziehung zwischen Länge, Dicke, Breite und Distanz
der Resonatoren in dem erfindungsgemäßen Schallwellendetektor.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung wird konkret anhand der die Ausführungsformen
zeigenden Zeichnungen beschrieben. Ein Schallwellendetektor, bei dem
die Schallwellen die Vibrationswellen sind, die sich in einem Medium
fortpflanzen, wird nachstehend anhand von Ausführungsformen beschrieben.
-
(Erste Ausführungsform)
-
3 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schallwellendetektors.
Der erfindungsgemäße Schallwellendetektor
weist einen Sensor-Hauptkörper 2,
Elektroden 3 und Detektierschaltungen 4 als periphere
Schaltungen auf, die auf einem Halbleiter-Siliziumsubstrat 1 ausgebildet
sind. Der Sensor-Hauptkörper 2,
dessen sämtliche
Teile aus Halbleiter-Silizium gebildet sind, weist eine Resonatoreinheit 21 mit
mehreren (sechs in 3) freitragenden Teilen, von
denen jeder unterschiedlich lang ist, eine plattenförmige Haltestange 22,
die die Resonanzeinheit 21 auf der stationären Seite
der Resonanz hält,
einen kurzen stangenförmigen
Fortpflanz-Teil 23, der aufrecht an einem Endteil der Haltestange 22 angeordnet
ist, und einen plattenförmigen
Empfänger 24 auf,
der mit dem Fortpflanz-Teil 23 verbunden ist, um die Schallwellen
zu empfangen, die sich in der Luft fortpflanzen.
-
Die
Resonatoreinheit 21 ist kammzahnförmig ausgebildet, so dass die
jeweiligen Ausleger, bei denen es sich um kammzahnförmige Teile
handelt, Resonatoren 25 bilden, von denen jeder längenmäßig eingestellt
ist, um bei der vorbestimmten Frequenz in Resonanz zu treten. Die
mehreren Resonatoren 25 sind zum selektiven Vibrieren entsprechend einer
von der folgenden Gleichung (4) dargestellten Resonanzfrequenz f
vorgesehen. f = (CHE1/2)/(L2 ρ1/2) (4)wobei C:
die experimentell zu bestimmende Konstante
H: die Dicke jedes
Resonators
L: die Länge
jedes Resonators
E: der Youngsche Materialmodul (Halbleiter-Silizium)
ρ: die Materialdichte
(Halbleiter-Silizium) ist.
-
Wie
aus der vorstehenden Gleichung (4) hervorgeht, kann die Resonanzfrequenz
f durch Verändern
der Dicke H oder der Länge
L des Resonators 25 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Bei
dem in 3 gezeigten Beispiel ist die Dicke H des gesamten
Resonators 25 konstant ausgeführt und ist die Länge L derart
eingestellt, dass sie von links nach rechts sequentiell größer wird,
so dass jeder Resonator 25 eine natürliche Resonanzfrequenz aufweist.
Konkret kann eine entsprechende Operation von der niedrigen Frequenz
zu der hohen Frequenz innerhalb des Bereichs von ungefähr 15 Hz
bis 20 kHz in einem hörbaren
Band von links nach rechts durchgeführt werden.
-
Der
Sensor-Hauptkörper 2 mit
der oben beschrieben Konfiguration wird unter Anwendung eines Herstellverfahrens
für integrierte
Schaltungen oder unter Verwendung einer Mikromaschine auf dem Halbleiter-Siliziumsubstrat 1 aus gebildet.
Bei einer solchen Konfiguration wird, wenn sich die Schallwellen
zu dem Empfänger 24 fortpflanzen,
der plattenförmige
Empfänger 24 in
Vibration versetzt, und die Vibrationen zeigen an, dass die Schallwellen über den Fortpflanz-Teil 23 derart
zu der Haltestange 22 übertragen
werden, dass die Schallwellenvibrationen in 3 von links
nach rechts übertragen
werden, während
jeder Resonator 25 der Resonatoreinheit 21 dadurch
bei der vorbestimmten Frequenz sequentiell in Resonanz tritt.
-
Eine
angemessene Vorspannung Vbias wird an den Sensor-Hauptkörper 2 angelegt.
Ein Kondensator ist aus einem vorderen Endteil jedes Resonators 25 der
Resonatoreinheit 21 gebildet, und jede Elektrode 3 ist
auf dem Halbleiter-Siliziumsubstrat 1 ausgebildet
und gegenüber
dem vorderen Endteil angeordnet. Der vordere Endteil des Resonators 25 ist eine
bewegliche Elektrode, die sich aufgrund der Vibration des Resonators 25 vertikal
in diese Position bewegt. Die Elektrode 3, die auf dem
Halbleiter-Siliziumsubstrat 1 ausgebildet ist, ist eine
feststehende Elektrode, die sich nicht in diese Position bewegt. Wenn
der Resonator 25 bei der individuellen vorbestimmten Frequenz
vibriert, verändert
sich die Distanz zwischen der beweglichen Elektrode und der feststehenden
Elektrode und verändert
sich die Kapazität
des Kondensators.
-
Jede
Detektierschaltung 4 ist mit einer entsprechenden Elektrode 3 verbunden.
Die Detektierschaltung 4 konvertiert eine solche Kapazitätsänderung
in Spannungssignale, integriert die konvertierten Spannungssignale
innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne und gibt die Integrationsergebnisse aus. 4 zeigt
eine schematische Darstellung einer Konfiguration der Detektierschaltung 4.
Die Detektierschaltung 4 weist Operationsverstärker 41 und 42,
die eine Spannung bei einem Verstärkungsverhältnis verstärken, das einem Impedanzverhältnis zwischen
der Kondensatorkapazität
Cs und der Referenzkapazität Cf entspricht, eine Integrierschaltung 43 zum
Integrieren der Ausgangssignale des Operationsverstärkers 42,
die die Referenzspannung Vref während der
vorbestimmten Zeitspannung übersteigen,
und eine Abtast- und Halteschaltung 44 zum Entnehmen der
Ausgangssignale aus der Integrier schaltung 43 und temporären Halten
der Ausgangssignale zu Ausgabezwecken auf. Eine solche Detektierschaltung 4 wird
beispielsweise durch Anwendung eines CMOS-Verfahrens hergestellt.
-
Taktimpulse ϕ0, ϕ1 und ϕ2 werden dem Operationsverstärker 41,
der Integrierschaltung 43 bzw. der Abtast- und Halteschaltung 44 zugeführt. Der Operationsverstärker 41,
die Integrierschaltung 43 und die Abtast- und Halteschaltung 44 arbeiten
jeweils synchron mit diesen Taktimpulsen. Diese Taktimpulse können extern
zugeführt
werden oder können
von einer Zählerschaltung
zugeführt
werden, die auf dem gleichen Halbleiter-Siliziumsubstrat 1 ausgebildet
ist.
-
Eine
Operation wird nachstehend beschrieben. Wenn die Schallwellen, die
sich in der Luft fortpflanzen, an den Empfänger 24 des Sensor-Hauptkörpers 2 übertragen
werden, wird der plattenförmige Empfänger 24 in
Vibration versetzt, damit sich die Vibrationen in den Sensor-Hauptkörper 2 fortpflanzen. In
diesem Fall werden die Schallwellen in 3 von links
nach rechts übertragen,
wobei jeder der sequentiell länger
werdenden freitragenden Resonatoren 25 in Vibration versetzt
wird. Jeder Resonator 25 weist eine natürliche Resonanzfrequenz auf.
Jeder Resonator 25 tritt in Resonanz, wenn sich die Schallwellen
der natürlichen
Frequenz derart fortpflanzen, dass der vordere Endteil in vertikale
Vibrationen versetzt wird. Die Kapazität des zwischen dem vorderen Endteil
und der Elektrode 3 anzuordnenden Kondensators verändert sich
durch die Vibrationen. Wenn die Energie der Schallwellen bei Fortpflanzung
der Schallwellen sequentiell in die Vibrationsenergie der Resonatoren 25 konvertiert
wird, wird die Energie der Schallwellen durch eine solche Resonanz
allmählich gedämpft. Die
Energie ist zu dem Zeitpunkt, an dem die Schallwellen den längsten Resonator 25 erreichen
(auf der rechten Seite in 3) nahezu
verschwunden, so dass keine Reflexionswellen hervorgerufen werden.
Somit ist es nicht wahrscheinlich, dass Reflexionswellen die Kapazitätsveränderungen beeinflussen,
und es können
korrekte Kapazitätsänderungen
ent sprechend den Spektren der sich fortpflanzenden Schallwellen
detektiert werden.
-
Die
erhaltenen Kapazitätsänderungen
werden der Detektierschaltung 4 zugeführt. 5 zeigt eine
grafische Darstellung eines Zeitdiagramms für die Detektierschaltung 4,
wobei die Taktimpulse ϕ0, ϕ1 und ϕ2 dem
Operationsverstärker 41,
der Integrierschaltung 43 bzw. der Abtast- und Halteschaltung 44 zugeführt werden.
Die Taktimpulssteuerung der vorliegenden Ausführungsform ist auf niedrigem
Niveau im EIN-Zustand.
-
In
der Detektierschaltung 4 wird ein Verstärkungsverhältnis entsprechend dem Impedanzverhältnis zwischen
der von dem Operationsverstärker 41 erhaltenen
Kapazität
Cs des Kondensators und der Referenzkapazität Cf bestimmt. Wenn beispielsweise
der Wert 1/ωCs
zu 1/ωCf
(ω=2πf, f: Frequenz) ½ ist,
verdoppelt sich das zu erhaltende Spannungssignal. Da die Operationsverstärker 41 und 42 auch Inverter
sind, bei denen der +-Eingangsanschluss geerdet ist, wird die Spannungsphase
einmal von der nächste
Stufe des Operationsverstärkers 42 verstärkt. Die
erhaltenen verstärkten
Spannungssignale werden in die Integrierschaltung 43 eingegeben.
In der Integrierschaltung 43 werden die verstärkten Spannungssignale,
die die Referenzspannung Vref übersteigen,
innerhalb der vorbestimmten Zeitspanne entsprechend dem Taktimpuls 1 integriert,
um das integrierte Signal an die Abtast- und Halteschaltung 44 auszugeben.
In der Abtast- und Halteschaltung 44 wird das Abtasten
und Halten des integrierten Signals entsprechend dem Taktimpuls ϕ2 wiederholt, und das integrierte Signal
wird ausgegeben.
-
Eine
solche Verarbeitungsoperation wird für jede jeweils Resonatoren 25,
von denen jeder eine andere Länge
aufweist, zugeordnete Detektierschaltung 4 parallel durchgeführt. Die
in 5 dargestellte Periode solcher Taktimpulse ϕ0, ϕ1 und ϕ2 ist nur beispielhaft. Es versteht sich
von selbst, dass die Periode jedes Taktimpulses einstellbar ist.
-
Bei
der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, kann die Ablaufveränderung
der Schallstärke
der vorbestimmten Frequenz – wobei
eine optionale Zeit zur Periode gemacht worden ist – aufgrund
der Prüfung
des Ausgangssignals der dem Resonator 25, welcher bei der
individuellen vorbestimmten Frequenz in Resonanz tritt, zugeordneten
Detektierschaltung 4 bekannt sein. Die Ablaufveränderung der
Schallstärke
für jedes
der mehreren Frequenzbänder – wobei
eine Zeit zur Periode gemacht worden ist – kann durch Prüfung der
Ausgangssignale der mehreren Resonatoren 25 entsprechenden
Detektierschaltungen 4 bekannt sein.
-
6 zeigt
eine schematische Darstellung der Beziehung jeder Detektierschaltung 4 entsprechend
der vorbestimmten Frequenz. Wenn beispielsweise vorgesehen ist,
dass eine Anzahl n von Resonatoren in Reaktion auf die n Arten von
Resonanzfrequenzen f1, f2,
f3, f4, ..., fn jeweils selektiv in Vibration tritt, können die
Ausgangssignale V1, V2,
V3, V4, ..., Vn entsprechend der Resonanzstärke für jede Resonanzfrequenz
erhalten werden. Wenn beispielsweise der erfindungsgemäße Schallwellendetektor
als Mikrofon zum Eingeben von Sprache zur Spracherkennung verwendet
wird, wird die Frequenzstärke
entsprechend der Resonanzstärke
für jede
Resonanzfrequenz im hörbaren
Band erhalten, damit die Sprache anhand des erhaltenen Analysemusters
erkennbar ist.
-
Beim
Detektieren der Stärke
nur selektierter Frequenzen der Schallwellen braucht nur das Ausgangssignal
der Detektierschaltung 4, das der erforderlichen Resonanzfrequenz
entspricht, erhalten zu werden. Beispielsweise wird beim Detektieren
der Stärke
der Frequenzen f1 und f3 in 6 erhalten, wobei
die Ausgangssignale der anderen Detektierschaltungen 4-2 und 4-4,
... 4-n, die nicht
entsprechend ausfallen, abgeschnitten werden oder die Detektierschaltungen
4-2, 4-4, ..., 4-n nicht vorher bereitgestellt werden, so dass die
erforderlichen Ausgangssignale V1 und V3 erhalten werden, jedoch die nicht erforderlichen
Ausgangssignale V2, V4,
..., Vn nicht erhalten werden. Bei einem
Mikrofon zum Detektieren der anomalen Töne, die als eine oder mehrere
Fre quenzen vorbestimmt sind, handelt es sich um eine bevorzugte
Ausführungsform
als Beispiel für die
Verwendung eines solchen Schallwellendetektors.
-
(Zweite Ausführungsform)
-
Es
wird nun eine zweite Ausführungsform beschrieben,
bei der die Resonanzfrequenz in jedem Resonator linear in der Mel-Skala
verteilt ist, bei welcher es sich um ein psychologisches Attribut
handelt, das die Tonhöhe
wie auf einer Tonleiter dargestellt repräsentiert. Bei der Konfiguration
des Schallwellendetektors gemäß der zweiten
Ausführungsform,
die der Konfiguration gemäß der ersten
Ausführungsform
im wesentlichen gleich ist, wird die Resonanzfrequenz in jedem Resonator 25 linear
in der Mel-Skala und nicht in der mathematisch linearen Skala verteilt.
Wenn nämlich
die Resonanzfrequenzen in der Anzahl n von Resonatoren 25 f1, f2, f3,
..., fn sind, wird f1
[Mel] = α f2 [Mel] = ... = αn-1fn[Mel]anstelle von f1 [Hz] = α f2 [Hz] = ... αn-1fn [Hz]eingestellt, wobei α ein Koeffizient
ist, der eingestellt werden kann.
-
Da
die Resonanzfrequenz jedes Resonators 25 mit der Gleichung
(4) bestimmt wird und die Übereinstimmung
zwischen der Ist-Vibrationsfrequenz und der Mel-Skala gemäß der Gleichung
(1) und 1 bestimmt wird, wie oben beschrieben,
kann die Resonanzfrequenz in der Mel-Skala auf einfache Weise jedem
Resonator 25 zugeordnet werden. Bei dieser Ausführungsform
kann die Resonanzfrequenz entsprechend der Frequenz, die in der
Mel-Skala die gleiche Distanz bekommt, mit konstanter Dicke H sämtlicher
Resonatoren 25 und unterschiedlicher Länge L erhalten werden.
-
Da
die anderen Konfigurationen und die Operation die gleiche sind wie
bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, wird auf die Beschreibung
verzichtet.
-
Da
nun die Resonanzfrequenz jedes Resonators 25 bei der zweiten
Ausführungsform
in der Mel-Skala verteilt ist, können
für Menschen
hörbare Oktavtöne, Halbtöne etc.
selektiv in Echtzeit erkannt werden, so dass ein Mikrofon, dessen
Frequenzcharakteristiken an das menschliche Hörvermögen angepasst ist, hergestellt
werden kann. Es kann ein Mikrofon zum Eingeben von Sprache konstruiert
werden, das nicht nur bei der Spracherkennung und der Detektierung
anomaler Töne
bessere Leistungen erbringt, sondern auch bezüglich der Unterscheidungseigenschaft
hinsichtlich intonierter Sprache, wie z. B. beim Lesen, Vortragen
von Poesie u. dgl., und Tönen auf
einer Tonleiter, wie z. B. Musiknoten, da die zeitliche Veränderung
der Tonhöhe
der Oktavtöne,
Halbtöne
etc. korrekter bewertet werden kann.
-
(Dritte Ausführungsform)
-
Es
wird nun eine dritte Ausführungsform
beschrieben, bei der die Resonanzfrequenz in jedem Resonator linear
in der Bark-Skala verteilt ist, bei welcher es sich um ein psychologisches
Attribut handelt, das die Lautstärke
des Tons repräsentiert.
Bei der Konfiguration des Schallwellendetektors gemäß der dritten
Ausführungsform,
die der Konfiguration gemäß der ersten
Ausführungsform
im wesentlichen gleich ist, ist die Resonanzfrequenz in jedem Resonator 25 in
der Bark-Skala statt in der mathematisch linearen Skala verteilt
und ist die Bandbreite der Resonanzfrequenz in jedem Resonator 25 die
kritische Bandbreite.
-
Anhand
der in 2 gezeigten entsprechenden Beziehung zwischen
der Bark-Skala und
der Ist-Frequenz wird die Resonanzfrequenz jedes Resonators 25 bestimmt.
Obwohl die Resonanzfrequenz jedes Resonators 25 mittels
der Gleichung (4) bestimmt wird, wird bei dieser Ausführungsform
die in der Bark-Skala aufgeführte
Resonanzfrequenz durch Einstellen einer konstanten Dicke H sämtlicher
Resonatoren 25 und einer unterschiedlichen Länge jedem Resonator 25 zugeordnet.
-
Die
Bandbreite der Resonanzfrequenz jedes Resonators 25 hängt von
der Wechselwirkung mit dem benachbarten Resonator 25 ab.
Die Bandbreite wird nämlich
durch das Veränderungsverhältnis der Resonanzfrequenz
des benachbarten Resonators 25, dem Auslegungswert der
Konfiguration, wie z. B. der Distanz zwischen benachbarten Resonatoren 25, der
Viskosität
des Mediums zwischen benachbarten Resonatoren 25 etc. bestimmt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird die Bandbreite der Resonanzfrequenz jedes Resonators 25 jedoch
durch Verändern
der Distanz zwischen benachbarten Resonatoren 25 gesteuert.
-
7 zeigt
eine grafische Darstellung der Veränderung der Bandbreite (Ordinate)
bei Veränderung
der Distanz D (Abszisse), wobei D eine Distanz zwischen benachbarten
Resonatoren 25 bei einem aus einem Einkristall-Silizium
gefertigten Resonator 25 ist, der eine Resonanzfrequenz
von 3 kHz aufweist. 8 zeigt die Beziehung zwischen
der Länge L,
der Dicke H, der Breite W und der Distanz D in dem Resonator 25.
Der Auslegungswert des Resonators 25 beträgt Länge L =
1706 μm,
Dicke H = 10 μm
und Breite W = 80 μm.
Bei dem zwischen den Resonatoren 25 und 25 befindlichen
Gas handelt es sich um Luft. Gemäß 7 kann
die gewünschte
Bandbreite durch Einstellen der Distanz D zwischen benachbarten
Resonatoren 25 justiert werden. Unter Berücksichtigung
dieser Tatsache wird bei dieser Ausführungsform die Distanz D zwischen
benachbarten Resonatoren 25 und 25 derart bestimmt,
dass die Bandbreite jedes Resonators 25 eine in 2 gezeigte
kritische Bandbreite sein kann.
-
Bei
der dritten Ausführungsform
ist die Resonanzfrequenz jedes Resonators 25 derart in
der Bark-Skala verteilt, dass Frequenzcharakteristiken und eine
Bandbreite vorgesehen sein können,
die auf die menschliche Hörfähigkeit
eingestellt sind, und dass die in den Geräuschen enthaltenen Signale leichter
selektierbar sind, um ein verbessertes Bewertungsverhältnis bei
der Spracherkennung in einer Situation zu ermöglichen, in der mehr Geräusche auftreten.
Ferner kann ein der menschlichen Hörfähigkeit stärker angenäherter Sensor vorgesehen sein.
-
(Vierte Ausführungsform)
-
Selbst
bei der zweiten Ausführungsform,
bei der die Resonanzfrequenz in jedem Resonator 25 linear
in der Mel-Skala verteilt ist, ist es sinnvoll, dass die Bandbreite
der Resonanzfrequenz in jedem Resonator 25 wie bei der
dritten Ausführungsform
zu einer kritischen Bandbreite wird.
-
Bei
jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist das Band der
vorbestimmten Resonanzfrequenz bei mehreren Resonatoren 25,
das einen Bereich von 15 Hz bis 20 kHz umfasst, ein beispielhaftes
Band. Es versteht sich von selbst, dass das Band andere Frequenzbereiche
umfassen kann. Da die Wellen Schallwellen sind, umfasst der Frequenzbereich
mehrere Hz bis 50 kHz (maximal bis zu 100 kHz).
-
Wie
oben beschrieben, ist bei dem erfindungsgemäßen Schallwellendetektor keine
herkömmliche
elektrische Filterung unter Verwendung einer Software erforderlich,
wodurch die Verarbeitungsgeschwindigkeit gesteigert wird, da die
Schallwellen für
jedes Frequenzband mechanisch analysiert werden, bevor sie in elektrische
Signale konvertiert werden. Da dies auf einfache Weise auf dem Halbleitersubstrat
erfolgen kann, kann der Platzbedarf gegenüber dem herkömmlichen
System verringert werden, so dass eine Kostensenkung möglich ist.
Ferner können,
da die Schallstärke
für sämtliche gewünschten
Frequenzen detektiert werden kann, die akustischen Spektren ohne
analytische Bearbeitung in Echtzeit erhalten werden. Ferner können die akustischen
Daten für
Frequenzen jeder Konstantzeitspanne erhalten werden, kann der Verlauf
der Stärke
jeder Frequenz bei Ablauf der Zeit bestätigt werden, und kann die zeitliche
Veränderung
der Sprache korrekt bewertet werden, um das Bewertungsverhältnis bei
der Spracherkennung zu verbessern.
-
Der
erfindungsgemäße Schallwellendetektor kann
die Sprache in einem näher
an der menschlichen Hörfähigkeit
liegenden Zustand erkennen, so dass die Sprachcharakteristiken bei
der Spracherkennung effizienter extrahiert werden können, da
der Detektor eine Resonatoranordnung mit einer in der Mel-Skala
zu verteilenden Resonanzfrequenz oder eine Resonatoranordnung mit
der kritischen Bandbreite aufweist, wobei die Resonanzfrequenz in
der Bark-Skala verteilt ist.
-
Obwohl
als Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung der Schallwellendetektor für die Verwendung
bei Vibrationswellen als Schallwellen beschrieben worden ist, versteht
es sich von selbst, dass die Frequenzspektrumanalyse der Vibrationswellen
mit einer im wesentlichen gleichen Konfiguration auch dann durchgeführt werden
kann, wenn die Vibrationswellen keine Schallwellen sind.