包含非音频传感器的抗干扰换能器设备

背景技术

1.技术领域

本发明实施例通常涉及非声学传感器的应用和适应，作为替代的麦克风装置以感测自由场的声音，并置于使用者头部的任何部位上以获得在嘈杂环境中的高声音清晰度。

2.相关技术描述

在声学嘈杂的环境中，很难获得较高的声音清晰度/高抗噪性。高抗噪性是指高信噪比，其中信号是指使用者的声音，噪声是指周围环境的噪声。现有技术中改善抗噪性的方法包括：使用麦克风阵列来感测自由场声音，或/和，使用非声学传感器(例如置于使用者头部的骨头部分(头骨、太阳穴或乳突)上、喉咙上、或在其耳朵(外耳)中的加速度计)来感应振动，以及信号处理。后者通常会产生较差的音频质量。现有技术中，非声学传感器在诸如智能电话或平板电脑的电子设备中，一般用于确定移动方向和/或导航。

简而言之，目前没有通过非声学传感器来感测自由场声学(声音)。

此外，目前也没有使用非声学传感器来提高其对自由场声学的极化方向性的手段。

所有现有技术的噪声抑制技术/设备的共同点是采用一个或多个声学麦克风或加速度计来感测使用者头部的选定部分上的振动。然而，抗噪声能力仍然不足，包括方向性较差、高成本、尺寸大、信号处理复杂等。总之，亟待提供一种具有更优异的抗噪声能力的技术/设备，以解决现有技术的上述缺点。

发明内容

通常，本发明涉及一种在声学噪声环境中提供具有高抗噪性的音频感测的换能器设备，从而提高声音清晰度。本发明所提供的非声学传感器，可代替现有技术的声学麦克风。该非声学传感器包括加速度计、冲击传感器、陀螺仪、振动麦克风或振动传感器。本发明所提供的非声学传感器还可与声学麦克风组合，而代替现有技术的声学麦克风。本发明的实施例是用非声学传感器来感测自由场中的振动或移动(不同于现有技术的传感器需要贴在被感测物品的表面上)，以改善非声学传感器的极化方向性，以及以创新的应用方式来使用此非声学传感器连同其他声学传感器以及声学麦克风或者使用多个非声学传感器来感测皮肤上的振动或皮肤附近的移动。

在第一实施例中，非声学传感器代替了声学麦克风以感测自由场声音。在第二实施例中，非声学传感器被设计成传感器两侧具有不同的灵敏度。在第三实施例中，多个传感器一起使用，来提高方向性和/或抗噪性。在第四实施例中，非声传感器放置在电子设备或其附件的外壳内。在本发明的四个实施例中的每一个实施例均中有几种变形。

该概述没有详尽描述本发明所有方面。可以预料的是，本发明包括可以从本概述以及以下描述的各个方面的所有适当组合和替换中实践的所有方法、设备和系统。这样的组合和替换可具有同样的优点，仅未在本发明内容中特别描述。

附图说明

在附图的各图中通过示例而非限制的方式示出了本发明的实施例，在附图中，相同的附图标记指相似的元件。应注意，本文中对本发明的“一”或“一个”实施例的引用不一定是同一实施例，并且它们意味着至少一个。

图1描绘了用于非声学传感器(加速度计、冲击传感器、陀螺仪、振动麦克风、振动传感器)和声学麦克风的方向的空间三轴的定义，其中还描述了空间三轴的前后方向。

图2描绘了现有技术的全向和心形声学麦克风的极响应图。

图3描绘了现有技术中放置在靠近使用者的嘴并连接到电子设备的声学麦克风。

图4为本发明的第一实施例所述非声学传感器靠近使用者的嘴放置并连接到电子设备。

图5描绘了一单轴非声学传感器以及另一种传感器的极坐标图，其中另一种传感器在一个方向上的灵敏度比与之相反的方向上的灵敏度低。

图6描绘了本发明的第二实施例，其中发明了各种设计方法以获得非声学传感器的极坐标图，该非声学传感器在一个方向上的灵敏度比与之相反的方向上的灵敏度低。

图7描绘了本发明的第三实施例，其中发明了各种设计方法以将非声学传感器的功能与其他非声学传感器和/或声学麦克风相结合。

图8描绘了本发明的第四实施例，其中发明了各种设计方法，以通过电子设备或其附件中的非声学传感器来感测使用者的声音引起的振动。

具体实施方式

在以下描述中阐述了许多具体细节。然而，应理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实现。此外，本发明的以下实施例可以被描述为流程图、结构图或框图。流程图、结构图或框图中的操作可以是按照顺序进行的过程、并行或并发的过程，也可以重新排序。所述过程可对应于技术、方法、程序等。

图1(a)定义了x轴、y轴和z轴这三个空间轴。图1(b)描述针了非声学传感器1，其中下标f和b分别表示非声学传感器1的正面和反面。为了便于定义，x轴的0°方位角是x

图2(a)描述了现有技术的声学传感器10的典型的极性响应，例如图1(d)和(e)中的声学传感器，其极性响应是全向的。图2(b)描绘了现有技术的声学传声器的典型极性响应，其极性响应呈定向心形。现有技术中还有涉及多个声学麦克风的多个不同极性响应。

图3(a)描绘了连接到电子设备20的单个声学麦克风10的现有技术应用。声学麦克风10的声学输入端13指向电子设备20的使用者的嘴。如图3(a)所示，声学输入端13沿x轴0°方位角方向。

图4(a)描绘了本发明的第一实施例，其中非声学传感器1置于靠近电子设备20的使用者的嘴。非声学传感器1优选为单轴非声学传感器，例如，加速度计，其内部质量运动沿图4(b)中的x轴，对垂直于使用者的嘴的方向敏感。非声学传感器1的前表面2位于使用者的嘴之前且与使用者的嘴表面平行，即沿x轴的方位角为0°。

由于单轴非声学传感器1的正确放置，图5(a)描绘了非声学传感器1作为感应声音的声学换能器的极性响应。在图5(a)和(b)中，0°和180°方位分别是沿x轴的方向，该方向垂直于图4中的非声学传感器1的前表面2和后表面3。应当理解，加速度计1的极性响应是非常定向的，比现有技术的单个声学麦克风10和现有技术的声学麦克风阵列明显更定向。

然而，图5(a)中非声学传感器1在180°方位角的高灵敏度是不可取的。这是因为在图4的本发明的第一实施例中，使用者的大部分声音的信号处于0°方位角，并且大多数噪声以180°的方位角存在，即，声音和噪声都被感测。换句话说，如图5(b)所示，期望在180°方位角处的灵敏度被大大衰减，而在0°处的灵敏度保持不变(或被加重)。

图6中(a)至(f)描绘了本发明的第二实施例，其中发明了各种设计方法以使图5(a)至图5(b)中的单轴非声学传感器的极坐标图适应于获得高极向指向性，因此具有抗扰性。具体而言，图6中(a)至(e)的四种设计方法用于降低图5(b)中180°方位角上的波瓣灵敏度，即噪声。另一方面，图6(f)中的第五种调整用于增加图5(b)中0°方位角处的波瓣的灵敏度，即信号，同时降低180°方位角处的波瓣的灵敏度，如果应用了图6(a)至(e)中的设计方法。

图6(a)描绘了本发明的第二实施例的第一种设计方法。在此，非声传感器1被封装在外壳100a中。外壳100a具有外壳前表面102a和外壳后表面103a。非声学传感器1的前表面2接触外壳前表面102a的内表面，优选地，采用机械的方法粘附到外壳前表面102a的内表面。在非声传感器1的后表面3与外壳后表面103a之间存在空气间隙104a(即，空隙)。如前所述，非声传感器1的前表面2(和外壳前表面102a)如图4所示，位于使用者的嘴之前并与使用者的口腔表面平行。相对于图5(a)或5(b))，非声学传感器1(和外壳前表面102a)的前表面2为0°方位角，非声学传感器1(和外壳后表面103a)的后表面3为180°方位角。

关于图4，使用者的声音沿x轴处于0°方位，而180°方位的声音则是在嘈杂的声学环境中的噪声。180°方位上的噪声声音垂直于(并撞击)外壳后表面103a。因为现在空气间隙将外壳后表面103a和非声学传感器1的后表面3分开，所以非声学传感器1在180°方位处感测到的振动(由噪声引起)被衰减。以这种方式，图6(a)中的本发明第二实施例的该第一设计方法提供了单轴非声学传感器1的设计方法，参照图5(b)，其现在已经适应了图5(a)中其原始极性响应。结果是非声学传感器1在180°方位角上的灵敏度降低，因此极性响应的方向性越来越强。

图6(b)描述了本发明第二实施例的第二种设计方法。该第二种设计方法类似于前述第一种设计方法，但是改变了外壳的背面的形状。具体地，现在使图6(a)中的外壳100a的外壳后表面103a的平坦表面成为图6(b)中的外壳100b的外壳后表面103b的弯曲表面。这是为了减小有效表面积，该有效表面积有助于非声学传感器1在180°方位角上的灵敏度。这将进一步降低图5(b)中极坐标图的180°方位角波瓣的灵敏度，从而进一步加重极性响应的方向性。

对于本领域技术人员显而易见的是，存在几种其他设计方法来使外壳后表面103a和103b成形以减小有效表面积，这有助于降低非声学传感器1在180°方位角的灵敏度。举例来说，外壳后表面103a或103b可呈半球形或金字塔形。

图6(c)描述了本发明第二实施例的第三种设计方法。该第三种设计方法与前述第一种和第二种设计方法的不同之处在于：分别去除了图6(a)和6(b)中的外壳100a和100b中的空气间隙104a或104b。取而代之，现在非声学传感器1的后表面3通过由诸如橡胶之类的柔顺材料制成的脚105c与外壳100c的外壳后表面103c接触。图6(d)描绘了位于非声学传感器1后表面3的四个角上的四个不同的脚105c。

以这种方式，仅小部分由撞击外壳后表面103c的180°方位角的垂直噪声产生的振动被传递至非声学传感器1的后表面3。第三种设计方法的结果是与前述的第一种和第二种设计方法相同，图5(b)中极坐标图的180°方位角的灵敏度衰减，因此加重了极坐标响应的方向性。

图6(e)描述了本发明第二实施例的第四种设计方法。在这种设计方法中，不是使用带有背面的外壳来衰减撞击非声学传感器1后表面3的声音，而是将衬板105e简单地粘附到非声学传感器1的后表面3上。换句话说，非声学传感器1的外壳不必具有背面，即，它可为包括五个表面而背面开口的开放式外壳。背衬105e分别具有与外壳100a(图6(a))、100b(图6(b))和100c(图6(c))中的外壳后表面103a、103b和103c相同的功能。

总之，图6中(a)至(e)中的四种设计方法用于降低图5(b)中180°方位角上的波瓣灵敏度，即噪声。现在考虑图6(f)中的第五种设计方法，其相反地用于增加图5(a)中的0°方位角处的波瓣的灵敏度，即信号。

在图6(f)中，外壳100f具有外壳前表面102f和外壳后表面103f。为了说明，非声传感器1的后表面3通过与图6(c)和图6(d)中的脚105c类似的脚105f与外壳后表面103f接触。

为了增加图5(b)中0°方位角处的波瓣灵敏度，需要强调来自使用者在0°方位处(图4)的声音撞击非声学传感器1的顶面2的影响。这是通过机械共振方式获得的，例如薄膜，薄膜优选在0度方位角方向上具有顺应性，并且置于非声学传感器1的前表面2之上。在图6(f)中，来自使用者在0°方位上的声音通过外壳前表面102f中的孔107f撞击此机械共振装置106f。由于机械共振，在非声学传感器1的前表面2上随之产生的机械振动增加，从而增加了图5(b)中0°方位处的波瓣灵敏度。

接下来将说明本发明的第三实施例，其中图4所示的本发明的第一实施例增加了其他非声学传感器和声学麦克风换能器。为了便于说明，图7(a)示出了3轴参考体系。请注意，如前所述，沿x轴的0°方位角垂直于非声学传感器1的顶面，并指向使用者的嘴。

图7(b)描绘了本发明的第三实施例的第一种设计方法，其包括两个非声学传感器。目的是通过从第一非声学传感器感测使用者在0°方位的强声音信号和弱噪声信号，并从第二非声学传感器感测180°方位的强噪声信号和使用者的弱声音信号来获得高抗干扰性。这是通过在空间上将两个非声学传感器不同地放置并根据其方向性(最好是图6中(a)至(f)中的调整)来定向来实现的。还可通过信号处理进一步获得抗干扰性，主要是通过从第二非声学传感器获得的强噪声信号中去除第一非声学传感器检测到的弱噪声信号。

在图7(b)中，第一单轴非声学传感器、第二单轴非声学传感器分别是非声学传感器1和非声学传感器1a。非声学传感器1的排列方式应使其顶面2靠近并平行于使用者的嘴(在其之前)，即在图7(a)和图5(a)中的方位角为0°。然后，非声学传感器1的后表面3处于180°方位角，即背对使用者的嘴。非声学传感器1b可布置为：使得其顶面2a相反地处于180°方位角，并且其底面3a处于0°方位角。

非声学传感器1和1a的输出端连接至电子设备20，例如智能手机。在智能手机组件的示例中，非声学传感器1可以置于智能手机的底部，且顶面2可与其屏幕侧(顶侧)平行或成45°，请参见图8(a)为平行放置。另一方面，非声学传感器1a可以被放置在智能手机的顶部上，并且顶面2a可与智能手机的后表面平行或成45°角。

非声学传感器1感应到的声学信号主要是来自0°方位的使用者声音和一些处于180°方位的噪声。这是因为非声学传感器1放置在使用者的嘴附近。非声学传感器1的高方向性提供了一定的抗噪能力。另一方面，非声学传感器1a感测到的声学信号主要是来自180°方位角的噪声和一些声音，因为它离使用者的嘴相对较远。通过电子设备20中的信号处理，其中由非声学传感器1a感测到的大部分噪声抵消了由非声学传感器1感测到的一些噪声，从而获得了高抗噪性。

在本发明的第三实施例的略微修改的第一设计方法中，可以通过在附图6(a)-6(f)中描绘的本发明的第二实施例的一种或多种本发明的设计方法来减小由非声传感器1在180°方位角处感测到的噪声。以这种方式，由非声学传感器1感测到的声学信号主要是来自0°方位角的使用者声音，并且在180°方位角处的噪声很小，该噪声比上述第三实施例的第一种设计方法小得多。相反，通过非声学传感器1a感测到的声学信号主要是来自180°方位角的噪声和来自0°方位角的很少的声音。通过信号处理可以获得更高的抗干扰性，其中非声学传感器1感测到的噪声几乎被非声学传感器1a感测到的噪声抵消了。

图7(c)描绘了本发明的第三实施例的第二种设计方法，其包括三个单轴非声学传感器，即非声学传感器1、非声学传感器1b和非声学传感器1c。此目的是抑制垂直于使用者的声音的轴的两个轴方向的噪声。例如，关于图7(a)中定义的方位，声音沿x轴，而噪声沿y轴和z轴。每个轴对应一个单轴非声学传感器。

非声学传感器1、非声学传感器lb和非声学传感器lc分别沿x轴，z轴和y轴感应信号。由于使用者的声音位于前表面2的0°方位，而噪声则位于x轴的180°方位，因此非声学传感器1既可以感知到声音，也可以感知到噪声，见图5(a)。非声学传感器1b，其前表面2b和后表面3b朝向z轴，主要感应沿z轴的噪声。非声学传感器lc的前表面2c和后表面3c朝向y轴，主要沿y轴感应噪声。

三个非声学传感器的输出端连接到电子设备20。信号处理涉及从非声学传感器lb和lc获得的噪声信号中消除/减少来自非声学传感器1的信号中的噪声，因此抗干扰性较强。

需要注意的是，在本发明的第三实施例的第二种设计方法中，可以不必使用三个独立的单轴非声学传感器。而是可以使用一个对三个轴均敏感的3轴非声学传感器。

在本发明的第三实施例的稍作修改的第二种设计方法中，可以通过图6中(a)至(f)所示的本发明的第二实施例的一种或多种本发明的设计方法来减小由非声传感器1在180°方位角处感测到的噪声。

通过这种方式，由非声学传感器1感测到的信号主要是在0°方位角处的声音，并且在沿x轴的180°方位角处具有少量噪声，并且非声学传感器1b和1c主要感测噪声。

图7(d)描述了本发明第三实施例的另一种稍微修改的第二种设计方法。在此经过进一步修改的设计方法中，将第四个非声学传感器，即非声学传感器1a，扩展为三个单轴非声学传感器，即在图7(c)中非声学传感器1、非声学传感器1b以及非声学传感器1c。第四非声学传感器，即非声学传感器1a，与图7(b)中的非声学传感器1a相同，并且具有与本发明第三实施例的第一种设计方法相同的功能。具体地，在x轴上，非声学传感器1a距离使用者的嘴更远，它感测的噪声比非声学传感器1大得多，并且此来自非声学传感器1a的更多噪声信号用于消除由非声学传感器1感测到的噪声。此消除过程是通过电子设备20中的信号处理实现的。为了进一步强调经过进一步稍加修改的第二种设计方法，可以采用图6中(a)至(f)中的设计方法可适用于非声学传感器1和非声学传感器la。

图7(e)描绘了本发明的第三实施例的第三种设计方法，其包括一个单轴非声学传感器、非声学传感器1和四个声学麦克风，即声学麦克风10、声学麦克风10a、声学麦克风10b和声学麦克风10c。请注意，在许多现代智能手机中，其中有3-4个声学麦克风，它们通常基于现有技术诸如波束成形、降噪算法等而用于抗噪声干扰，并且经常利用其空间位置。该空间位置的示例是靠近使用者的嘴放置的声学麦克风10的位置和相对远离嘴放置的声学麦克风10a的位置。这些空间位置是通过放置在智能手机各个部分的位置获得的，请参见后续的图8(a)。

在本发明的第三实施例的第三种设计方法中，非声学传感器1感测到的信号主要是沿着x轴在0°方位上的使用者声音和在180°方位上的一些噪声(图7(a))。由于声学麦克风10是全向(图2(a))或略微定向(图2(b))，因此非声学传感器1感测到的使用者声音信号与噪声之比将比声学麦克风10感测的高得多。由于从非声学传感器1上通过声学麦克风10获得的这种改进的信噪比，电子设备20中的信号处理将能够提供优于现代智能手机中现有技术的多麦克风系统的抗干扰性。

第三实施例的修改的第三种设计方法是将本发明的第二实施例中的一种或多种设计方法应用于非声学传感器1，即，图6中(a)至(f)中的一种或多种设计方法。以这种方式，减少了非声学传感器1在180°方位处感测到的噪声。

现在将描述本发明的第四实施例，其中非声传感器1可置于电子设备或其附件中。在图8中(a)至(d)中，电子设备200优选为智能手机或可用作智能手机进行通信的平板电脑。

当代的电子设备在其外壳内的不同位置具有几个声学麦克风，通常是两个或多个。在图8(a)所示的电子设备200的示例中，在其背面有四个声学麦克风：声学端口201a中的声学麦克风202a、声学端口201b中的声学麦克风202b、耳塞端口201c中的声学麦克风202c和声学扬声器202d中的声学麦克风202d。

在本发明第四实施例的第一种设计方法中，图8(a)中的电子设备200进一步包括非声学传感器1。

在当代电子设备中，这种非声学传感器是一种加速度计，并不应用于声学，它可用于确定电子设备的方向、运动和导航。各种声学麦克风通常用于嘈杂环境中的抗噪性，例如声学麦克风202a和202b可用于朝着噪声的嘴波束成形，而声学麦克风202c和202d主要用于感测噪声。现代电子设备中的信号处理器对这些不同的麦克风的输出进行采样，以消除声学噪声，因此具有抗干扰性。

在本发明的第四实施例的第一种设计方法中，当正常使用电子设备1时，如此设置：将耳塞端口201c放置于使用者耳廓上、与使用者耳廓上接触或压在使用者耳廓上，并且将声学麦克风202a(和声学麦克风202b，如果有的话)将定向为靠近使用者的嘴。

与不将非声学传感器用于声学目的的当代电子设备不同，本发明将非声学传感器1用于声学目的。特别地，在本发明中，其被应用来感测由使用者的声音引起的自由场振动或运动，如在图4的本发明的第一实施例中所描述的。为了提高非声学传感器1朝向说话人的嘴的方向性，即如图5(b)所示的0°方位角是朝向嘴的方向，图6中(a)至(f)所示的本发明第二实施例的各种设计方法是适用的。

第四实施例的第二种设计方法包括多个非声学传感器1，类似于图7中(b)至(d)所示的本发明的第三实施例的各种设计方法中所描述的。在这种情况下，通常使用电子设备1，通常将图7中(b)-至(d)中电子设备1放置在不同空间位置的其他非声学传感器la、lb和lc主要用于感应噪声，而图8(a)中的声传感器1主要感应声音和一些噪声。电子设备1中的信号处理器处理这些非声学传感器的各种输出中的两个或多个，可能包括电子设备1中的一个或多个声学麦克风，以获得高抗干扰性。

在一些情况下，在图7(b)-(d)中电子设备1的位于不同空间位置的一个或多个非声学传感器1a，1b和1c可用于相反地感测声音和噪声。例如，考虑以下情况：将图7(b)中的非声学传感器2a放在图8(a)的耳塞端口201c中，并且将其定向或布置为对耳塞端口201c表面上的振动或运动敏感，注意，该取向与非声学传感器1相同，并且与图7(b)中描绘的非声学传感器1a相反。在嘈杂的环境中，使用者通常将电子设备1推向他的头部，特别是将图8(a)中的耳塞端口201c推向他的耳廓。以这种方式，放置在电子设备1的耳塞端口201c(未显示)中的非声学传感器2a现在可以感测使用者头部(包括使用者耳廓皮肤)上的振动或运动，该振动或运动类似于或源自使用者的声音。

图8(b)描绘了本发明的第四实施例的第三种设计方法，其中附件300可以借助于附件300中的公插头连接器203m插入电子设备200的母插座连接器203f中而附接到电子设备200。在现代电子设备中，这些连接器通常是Micro-USB，USB-C或闪电连接器。在第三种设计方法中，可将非声学传感器1放置在附件300的外壳中。图8(b)中附件300中非声学传感器1的功能与图8(b)中的非声学传感器1相同。

图8(c)描绘了本发明的第四实施例的第四种设计方法，其中附件300现在具有可从枢轴摆动的臂304。在这种设计方法中，将非声学传感器1放置在臂304中。在非嘈杂环境中，可以将臂304推入空腔305中。在嘈杂环境中，臂304摆动打开，以便现在将非声学传感器1布置为将其放置在靠近使用者嘴的位置，以感应使用者嘴附近的自由场振动或移动。如果臂304充分摆动，则非声学传感器1现在可以触摸或挤压使用者的皮肤，该区域靠近使用者的嘴。现在，非声学传感器1可以感应到靠近使用者嘴的皮肤表面的振动或移动。

图8(d)描述了本发明的第四实施例的第五种设计方法。在这种设计方法中，图8(c)中的臂304和空腔305现在分别对应臂204和空腔205。臂204和空腔205位于电子设备200的外壳内，并且它们分别起到与图8(c)中的臂304和空腔305相同的作用。

上述描述仅是本发明原理的示例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下做出许多替换、变形和各种修改。上述实施例可以单独地或以任何组合或排列来设计和实现。

参考专利