TWI551155B - 應用於麥克風之骨傳導拾聲傳感器 - Google Patents

Description

應用於麥克風之骨傳導拾聲傳感器 相關申請案之交叉參考

本申請案主張2012年9月10日申請之標題為「Bone-Conduction Pickup Transducer for Microphonic Applications」的臨時申請案第61/698,978號的較早申請日期的權利。

本發明之實施例為經設計以應用於麥克風之骨傳導拾聲或振動傳感器，諸如語音活動偵測、話語增強及其他非麥克風應用。亦描述其他實施例。

語音通信系統及話語辨識系統通常使用聲學麥克風以經由由使用者說話所產生之聲波而拾聲使用者之話語。接著，將話語轉換成數位形式及用於各種類型之數位信號處理應用中，其包括出於雜訊抑制目的之語音活動偵測、話語增強及基於語音辨識輸入之使用者介面。

已建議在耳道內同時使用骨及組織振動感測傳感器(以回應於骨傳導的較低話語頻率之語音聲音)及有限頻寬聲學麥克風(以偵測較弱空氣傳播的較高話語頻率之聲音)兩者的耳內式麥克風系統。此技術據說改良尤其用於語音辨識系統的話語可懂度。振動感測傳感器可為加速度計，其可藉由適當的黏合劑或膠，或藉由摩擦配件而固定地安裝於耳機之外殼的內壁。

描述一種具有一骨傳導拾聲傳感器的個人音訊器件。該傳感器具有一外殼，其一剛性外壁具有形成於其中的一開口。一容積之軟性材料或易變形材料填充該剛性外壁中的該開口。諸如一加速度計之一電子振動感測元件嵌入於該容積之易變形材料中。該外殼經塑形且該開口經定位而使得該容積之易變形材料與正使用該個人音訊器件之一使用者的一耳朵或頰相接觸。在此一配置中，經由感測已傳輸通過該使用者之耳朵或頰且傳輸至該易變形材料中的骨傳導振動，該振動感測元件可提供指示該使用者之語音的一輸出信號。接著，可在一電話或多媒體播放期間，由數位音訊處理功能使用該輸出信號，諸如，語音活動偵測、話語辨識、主動雜訊控制及雜訊抑制。

2‧‧‧剛性外壁

3‧‧‧軟性材料

5‧‧‧耳道壁

6‧‧‧加速度計

8‧‧‧A/D轉換器

10‧‧‧數位處理器

12‧‧‧攜帶型音訊主機器件

13‧‧‧誤差麥克風

15‧‧‧聽筒揚聲器驅動器/接收器

A‧‧‧參考麥克風

在隨附圖式之圖中藉由實例而非限制說明本發明之實施例，其中類似參考指示類似元件。應注意，本發明中對本發明之「一」實施例的參考未必為對同一實施例的參考，且其意謂至少一實施例。

圖1A展示已裝配骨傳導拾聲傳感器之個人音訊器件的部分的截面正視圖。

圖1B展示另一骨傳導拾聲傳感器。

圖2為應用於麥克風之骨傳導拾聲傳感器的方塊圖。

圖3展示可使用骨傳導拾聲傳感器之個人收聽器件的一實例。

現參考隨附圖式解釋本發明之若干實施例。當未清楚地定義實施例中所描述之部分的形狀、相對定位及其他態樣時，本發明之範疇並不僅限於所展示之部分，該等部分僅僅意謂說明之目的。又，雖然闡述眾多細節，但應理解，無需此等細節可實踐本發明之一些實施例。在其他例項中，未詳細展示熟知之電路、結構及技術，以便不會 模糊對此描述之理解。

圖1A展示已形成骨傳導拾聲傳感器之個人音訊器件的截面正視圖。傳感器具有剛性外殼或可建置於其內，描繪了該剛性外殼之剛性外壁2。外殼壁可為耳機外殼(參見圖3)或另一個人收聽器件之外殼壁。如所展示，外殼壁中形成有開口，其中由一容積之軟性材料或易變形材料3填滿此開口。外殼經塑形使得其允許其中之該容積的軟性材料3與器件之佩戴者或使用者的耳道壁5相接觸。如圖1A中所見，該容積之軟性材料3可填充外殼壁2內的整個孔或開口。嵌入軟性材料的係此處在一般意義上被稱作加速度計6的電子振動感測元件；其可替代性地為另一合適之慣性感測器。加速度計可為量測線加速度且輸出可為表示加速度計6內之計測質量塊(未展示)所偵測到之加速度的類比信號之電信號的器件。習知之加速度計用於偵測重力(單位為g，其中1g=9.8米/s²)。在此狀況下，加速度計可經最佳化或定製以通過與所展示之耳道壁5相接觸，經由感測骨傳導振動而產生指示使用者之語音的輸出信號。更具體而言，骨傳導振動通過耳道壁5而傳輸至將該等振動輸送至感測該等振動之加速度計6的軟性材料3。

如圖2中所見，可由A/D轉換器8取樣由骨傳導拾聲傳感器所提供之輸出信號(其最初可被假設為由加速度計6所產生之類比信號)，及接著將其轉換成數位形式。加速度計電路可併入於加速度計封裝自身內，或其可定位於單獨電子外殼中(例如，在軟性材料之外側但在耳機外殼之內側，或在含有數位處理器10且附接至沿著插塞入攜帶型音訊主機器件12(參見圖3)之配件纜線的一些點的外殼中)。此數位位元串流可接著由若干不同音訊處理功能(亦被稱作較高層音訊處理功能)中之任一者使用，諸如，語音活動偵測、話語辨識、主動雜訊控制及雜訊抑制。此等音訊處理功能可又由甚至較高層之功能性使用，亦即電話或多媒體應用，其包括語音及視訊電話呼叫、音訊記錄及播放及 話語辨識驅動使用者介面。較高層音訊處理功能通常由定位於主機音訊器件12之外殼內的數位處理器執行。

亦應注意，雖然圖2僅展示將骨傳導拾聲傳感器之輸出饋入各種音訊處理區塊，但額外資訊可伴隨骨傳導位元串流，包括來自一或多個聲學麥克風及其他感測器(其包括，例如，近接感測器及環境光感測器)之輸出信號。諸如智慧型電話及平板電腦之個人收聽器件在各種音訊處理區塊中具有其輸出可與骨傳導拾聲傳感器之輸出組合的多種此等感測器。舉例而言，回應於通過骨傳導拾聲傳感器偵測到佩戴者之語音，可作出決定，是否打開或關閉(設為靜音)整合於頭戴式耳機內之聲學麥克風。當使用者未說話時，此閘控功能允許系統設為靜音或衰減來自聲學麥克風的信號，以藉此減少由聲學麥克風拾聲的背景雜訊。

如上文所解釋，加速度計6用作骨傳導拾聲器件的部分，使得可由加速度計感測通過顱骨傳導且搖晃耳道壁的由使用者之聲帶所生成的振動。同時，加速度計及作為整體之傳感器封裝應經設計以排斥通過空氣傳輸的環境聲學雜訊(此描繪為圖1A中之聲波/音波)。除了排斥環境聲學雜訊或聲音雜訊之外，拾聲傳感器亦應經設計以排斥外殼壁之振動或搖晃。因此，雖然加速度計6自身應藉由嵌入於如所展示之軟性材料3內而可靠地安裝於外殼，但軟性材料3可係充分易彎的以便減弱通過外殼壁2到達的任何搖晃或振動。同時，材料3應能夠通過其與耳道壁5之接觸而增強傳輸來自骨傳導之振動。為滿足此等兩相衝突之要求，亦即解耦通過外殼壁之振動但增強通過耳道壁之振動的耦合，應選擇合適地軟性材料以嵌入加速度計。舉例而言，為了與耳道壁折射率匹配或阻抗匹配，需要非常軟之材料(人肉狀或人類組織狀硬度及紋理)。作為一實例，可使用展現小於10之A型肖氏硬度計分的合適之聚矽氧材料，或使用例如，具有小於20之00型肖氏硬度的額 外軟性材料。其他可能的材料包括氯丁橡膠、腈及乳膠。

骨傳導拾聲傳感器之另一考慮為加速度計6將具有可具有顯著溫度係數(溫度變化性)之靈敏度及偏移。因而，應以某種方式安裝加速度計6來提供相對較好之熱傳導，以便能夠(例如)通過外殼壁2散熱抑或直接散熱至耳道壁5。

理想地，加速度計6應直接接觸耳道壁5。但在實際意義上，此情況可係不可實現的，且因而，此處描述其中嵌入加速度計6的某一容積之軟性材料3之使用。雖然軟性材料3應減弱(例如)由外殼之搖晃所引起的任何振動，而同時提供與為耳道壁之人類組織或人肉的較好折射率匹配，但其亦應經設計以減弱將可能呈現於如所展示之外殼的一側或兩側上的聲波或音波。特定而言，外殼之外側接收環境聲學雜訊，而外殼之內側可接收由附近聲音發射傳感器所產生的聲波，亦即聽筒揚聲器驅動器或接收器15(參見圖3)。需要該容積之軟性材料3能夠最小化至由驅動器15所生成之音波的任何耦合。因而，亦需要定位加速度計6，且特定而言，應定位如圖1A中所展示的其中形成有軟性材料3之開口，以便實現與佩戴者之耳道壁5相對較強的接觸。

此外，接收器或驅動器15(圖3)應與加速度計6聲學地隔離。聲學隔離懸掛件應用於將驅動器15安裝至耳機外殼內側，且加速度計6亦應與驅動器15機械地隔離。此外，亦應最大化加速度計6與耳機外殼內側的空氣或區域之間的聲學失配。藉由在加速度計之間，且特定而言，在其中嵌入加速度計6之軟性材料與揚聲器驅動器15之間添加適當的減弱材料可實現此情況。作為另一實例，或許除了軟性材料之外，可建構諸如喇叭之音障以隔離加速度計，其中此音障亦有助於通過主要聲學埠開口而將由揚聲器驅動器15所產生的聲音導引出去。

在一實施例中，加速度計應充分小，使得其可定位於外殼壁2中的開口內(參見圖1A)，其中此外殼壁可為耳塞型耳機(參見圖3)的外 殼。此位置亦允許與耳道壁5良好接觸(一旦耳機已插入佩戴者之耳朵)。習知之加速度計實施當前呈微型機電系統(MEMS)質量彈簧阻尼器系統的形式。

在一實施例中，質量彈簧阻尼器系統應經設計而使得任何共振處於加速度計預期作業範圍之外側。對於此處所涵蓋的麥克風應用，加速度計預期產生至多3kHz，且或許至多4kHz的有意義之輸出信號，因此共振應遠高於此範圍。此情況亦意謂A/D轉換器之取樣應處於充分較高之頻率以減少頻疊效應。結果，預期A/D轉換取樣頻率應為8kHz以上。

圖1B展示其中嵌入加速度計的容積之軟性材料可具有不同的區段的狀況，其中一區段具有經設計以增強至耳道壁之機械振動耦合的材料，而另一區段經設計以抑制，亦即吸收或反射通過空氣進入之音波與通過外殼壁進入之振動兩者。區段之間亦可形成有分割壁(未展示)。

雖然隨附圖式中已描述且展示某些實施例，但應理解，此等實施例僅僅係說明性的且並不限制該廣泛發明，且本發明並不限於所展示及描述的具體建構及配置，此係由於對於一般熟習此項技術者而言可發生各種其他修改。舉例而言，儘管圖3中所描繪的收聽器件為頭戴式耳機與主機音訊器件組合，但骨傳導拾聲傳感器亦可實施於智慧型電話或蜂巢式電話頭戴式耳機之外殼壁中。然而，在彼狀況下，其中嵌入加速度計的容積之軟性材料將經定位以用於接觸使用者之外耳區域或頰骨區域(或頰)，而非接觸耳道壁。因此，該描述被視為說明性的而非限制性的。

10‧‧‧數位處理器

12‧‧‧攜帶型音訊主機器件

13‧‧‧誤差麥克風

15‧‧‧聽筒揚聲器驅動器/接收器

A‧‧‧參考麥克風

Claims (25)

1. 一種個人音訊器件，其包含：一外殼，其一剛性外壁具有形成於其中的一開口，該開口延伸自該壁之一面、穿過該壁且穿出於該壁之一相對面；一聲音發射傳感器，其係固持於該外殼內側並將接收一音訊信號；及一骨傳導拾聲傳感器，其具有一容積之易變形材料，其填充該剛性外壁中的該開口；及一電子振動感測元件，其包含嵌入該容積之易變形材料中之一加速度計，其中該外殼經塑形，且該開口經定位而使得該容積之易變形材料與正使用該個人音訊器件之一使用者的一耳朵或頰相接觸。
2. 如請求項1之器件，其中該外殼為其中固持有該振動感測元件及該容積之易變形材料的一耳內耳機外殼，該器件進一步包含固持於該外殼內側的一聲學麥克風。
3. 如請求項2之器件，其進一步包含一電子配件纜線，其耦接至該振動感測元件以將一振動信號傳送至一音訊源器件，且耦接至該聲音發射傳感器以傳遞來自該音訊源器件之該音訊信號。
4. 如請求項1之器件，其中該外殼為其中固持有該振動感測元件及該容積之易變形材料的一行動電話頭戴式耳機外殼。
5. 如請求項1之器件，其中該容積之易變形材料包含兩區段之不同材料，該兩區段中之一者向該外殼壁之內部延伸，且另一區段位於該外殼壁之外部。
6. 如請求項5之器件，其中該容積之易變形材料之該兩區段中的一者由增強至該使用者之耳朵或頰的機械振動耦合的一材料製 成，而另一區段由吸收或反射通過空氣進入之音波及通過該外殼壁進入之振動的一材料製成。
7. 如請求項2之器件，其進一步包含一聲學隔離懸掛件以用於將該聲音發射傳感器安裝至該外殼的該內側。
8. 如請求項2之器件，其在(a)有該加速計嵌入之該容積之易變形材料與(b)該聲音發射傳感器之間進一步包含減弱(dampening)材料以增加該加速度計與該外殼內的空氣之間的聲學失配(mismatch)。
9. 如請求項1之器件，其中該加速度計係位於該外殼之該外壁之該開口中。
10. 如請求項2之器件，其中該加速度計係位於該外殼之該外壁之該開口中。
11. 如請求項2之器件，其中該容積之易變形材料包含兩區段之不同材料，該兩區段中之一者向該外殼壁之內部延伸，且另一區段位於該外殼壁之外部。
12. 一種個人音訊器件，其包含：一頭戴式耳機，其具有一頭戴式耳機外殼及一骨傳導拾聲傳感器，其中接收一音訊信號之一聲音發射傳感器係固持於該頭戴式耳機外殼內側，該骨傳導拾聲傳感器包含填充形成於該頭戴式外殼之一剛性外壁之一開口中的一容積之易變形材料且該開口延伸自該壁之一面、穿過該壁並穿出於該壁之一相對面，及一電子振動感測元件，該電子振動感測元件包含嵌入於該容積之易變形材料中的一加速度計，其中該頭戴式耳機外殼經塑形且該開口經定位而使得該容積之易變形材料與正佩戴該頭戴式耳機之一使用者的一耳朵相接觸。
13. 如請求項12之個人音訊器件，其進一步包含在一端處連接至該 頭戴式耳機外殼的一配件纜線，其中該纜線將在另一端處連接至一主機音訊器件，該音訊信號將從該主機音訊器件被傳遞至該聲音發射傳感器。
14. 如請求項12之個人音訊器件，其進一步包含一聲學麥克風，其中該頭戴式耳機外殼為一耳塞型(earbud type)耳機的頭戴式耳機外殼且該聲學麥克風固持於該耳塞型耳機中。
15. 如請求項12之個人音訊器件，其中該電子振動感測元件包含一微型機電系統(MEMS)彈簧阻尼器系統，其共振頻率位於該骨傳導拾聲傳感器之一作業範圍之外側。
16. 如請求項15之個人音訊器件，其中該共振頻率高於3kHz。
17. 如請求項12之個人音訊器件，其中該容積之易變形材料包含兩區段之不同材料，該兩區段中之一者向該外殼壁之內部延伸，且另一區段向該外殼壁之外部延伸。
18. 如請求項17之個人音訊器件，其中該容積之易變形材料之該兩區段中的一者由增強至該使用者之耳朵的機械振動耦合的一材料製成，而另一區段由吸收或反射通過空氣進入之音波及通過該外殼壁進入之振動的一材料製成。
19. 如請求項12之個人音訊器件，其進一步包含：一聲學隔離懸掛件，其用於將該聲音發射傳感器安裝於該外殼的該內側。
20. 如請求項14之個人音訊器件，其中該電子振動感測元件包含一MEMS彈簧阻尼器系統，其共振頻率在該骨傳導拾聲傳感器之一作業範圍之外側。
21. 一種個人音訊器件，其包含：一骨傳導音訊拾聲傳感器，其具有：一外殼，其一剛性外壁具有形成於其中的一開口；填充該剛性外壁中之該開口的一容 積之易變形材料；及嵌入該容積之易變形材料中的一電子振動感測元件，其中該外殼經塑形，且該開口經定位而使得該容積之易變形材料與正使用該個人音訊器件之一使用者的一耳道壁相接觸，且該易變形材料可解耦通過該外殼壁之振動，同時增強通過該耳道壁之振動的耦合。
22. 如請求項21之個人音訊器件，其中該易變形材料具有一人肉狀或人類組織狀的硬度及紋理，以較好地與該耳道壁阻抗匹配。
23. 如請求項22之個人音訊器件，其中該易變形材料具有一小於10之A型肖氏硬度計分。
24. 如請求項23之個人音訊器件，其中該易變形材料具有一小於20之00型肖氏硬度計分。
25. 如請求項21之個人音訊器件，其中該易變形材料具有一小於10之A型肖氏硬度計分。