导轨旋转式链条传动声源位置调节载人hrtf测量转台的制作方法
【专利摘要】本发明涉及虚拟听觉技术的声信号处理与测量【技术领域】，更具体地，本发明涉及一种导轨旋转式链条传动声源位置调节载人HRTF（头部关联传递函数）测量转台。包括：圆轨道、转台、座椅、刻度盘、音箱滑动托架、链条传动装置等，所述装置由导轨旋转和链条传动实现声源的空间位置定位，通过转台转动带动导轨水平转动，通过脚蹬转轮带动链条上的音箱在导轨上滑动实现HRTF测量所需的声源空间定位。使用本发明解决了人头、轨道圆心、音箱向心的共球心，可以准确、方便的测量音箱空间位置，使测量高空间分辨率HRTF函数不受限制，同时对场地破坏较小，满足不同场地的多种试验和研究需要。
【专利说明】导轨旋转式链条传动声源位置调节载人HRTF测量转台
【技术领域】
[0001]本发明涉及虚拟听觉技术的声信号处理与测量【技术领域】，更具体地，本发明涉及一种用于HRTF (头部关联传递函数)测量的空间声源位置调节转台。
【背景技术】
[0002]当人在真实环境中感知声音信息时，实际上处于一个由声源、传播途径、接收者共同组成的声传播系统中，声信号与听者的耳廓、头肩、躯干发生了反射、折射、衍射和散射等声学作用，人体的这些部位对声信号的调制作用可以统一的用一个函数来表示即头部关联传递函数(Head Realated Transfer Functions, HRTF)。HRTF描述了自由声场中声源到双耳的声学传输关系，与声源位置、频率等参数有关且具有个性化特征，包含了声波到达双耳的声级差(Interaural Level Difference, ILD)、时间差(Interaural TimeDifference, ITD)以及相位差(Interaural Phase Difference, IPD)等重要的定位线索。人脑听觉系统利用HRTFs提供的定位线索，综合自身的听觉经验，来判断声源的方位。
[0003]虚拟三维听觉技术通过人类听觉系统对于声源空间方位辨别的原理，模拟声波从声源到双耳的传输，从而在耳机或扬声器中重发出虚拟空间的声像。运用HRTFs将某方向的声音到左右耳的传播过程描述为左右HRTFs的两个传播信道，就可以达到利用双声道产生虚拟的三维方向性声音的目的。但要产生某个方向的虚拟声音，需要知道使用者在该方位的HRTF，全方位的虚拟听觉就需要获得使用者在整个空间的HRTF。获得HRTF最直接的方法是测量法，通常是利用一个放置在空间不同位置的扬声器播放测试信号，通过耳道入口附近或者鼓膜附近放置测量传声器来测量HRTF。在真人HRTF测量中，要在消声室中配备座椅、音箱、音箱导轨位置校准装置、放音装置及声信号采集装置；要求被试坐在椅子上，保持不动，座椅可水平转动，以调整水平方位角，水平调整范围为0°?360° ;音箱始终指向被试头部中心，并可在半径固定导轨上调节位置和倾斜角，倾斜角的调整范围为-30°?90。。
[0004]方向声源的获得方式是HRTF测量的一个实际难点问题。声源采用宽动态频率响应范围音箱，这类音箱体积重量都很大，不便于经常搬动。为能获得声源在多个不同倾斜角度的空间位置，在实验中通常有多音箱和单音箱布置两种方式。多音箱布置采用一组对应不同角度的音箱，这种布置方式受音箱体积的限制，采样密度越高，半径距离越大，要求消音室的空间范围越大；同时较多的宽动态频率响应范围音箱，不仅增加了声音的反射，影响测量结果准确性，而且经济成本很高。这种布置方式仅适合条件优越的大型专业实验室使用。单音箱布置仅使用一个音箱，通过调整音箱空间位置获的声源方位，这种布置优点是经济成本低，测量空间要求小。最为原始的单音箱调整法是在天花板上安装一根水平移动导轨；准备多根可装卸在移动导轨上的用于调整音箱垂直位置高度的吊杆；一个音箱固定支架，可连接吊杆，并可调整音箱倾斜角度。这种方法每更换一个倾斜角度，就要进行拆卸音箱架、更换吊杆、平移位置、调整音箱倾斜角度、安装等一系列复杂繁琐、费时费力的操作，不便在大样本高分辨率的HRTFs测量中使用。[0005]《用于HRTF测量的轨道牵引式音箱位置调节装置》专利申请书中提出了由半径
1.5米圆心角为160°的圆弧形滑动导轨、音箱导轨车、导轨车牵引装置组成的轨道牵引式音箱位置调节装置。通过牵引弧形轨道上的凹槽滑轮拉动音箱轨道车移动，实现音箱在空间任意倾斜角度的定位。弧形轨道需要固定在墙体上，音箱的水平角度通过座椅水平旋转得到。如该专利申请所述，用于HRTF测量的音箱位置调节装置较原始调节方法改进，但定位准确性方面还不高、导轨圆心与人头中心的共球心问题、音箱指向球心的校准等问题还没有很好解决；其次，由于测量音箱较重，滑轮和轨道间容易打滑，音箱在轨道上滑动和定位还存在一定问题；另外该装置需要固定在测量环境的墙壁上，对测量场地破坏较大。
【发明内容】
[0006]针对已有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种测量HRTF的链条传动式音箱位置调节载人转台，就是在使用单音箱布置方法产生方向性声源的HRTF测量中，使声源调节不仅简便、省力、省时，而且位置定位准确，精度高；同时采用组合式安装，不与测量场地墙壁地面固定，对测量环境和场地损坏小，适合不同HRTF测量环境使用，便于实用化应用推广。
[0007]本发明的发明目的是通过如下技术方案实现的。
[0008]本发明用于HRTF测量，包括转台、座椅、弧形导轨。通过齿轮链条带动音箱在导轨上的运动。实现音箱在空间球纬度上的变化；通过转动载人转台的实现音箱在空间球经度上的变化；通过调节座椅上下位置使人头中心和导轨球心达到共心；通过音箱托架上的激光指示器校准音箱使之朝向球心和人头中心位置。
[0009]所述圆弧导轨采用不锈钢制成，两侧分别标有以弧长和角度为度量的刻度值。圆形轨道半径为1.2米，圆心角为360°，横截面呈“U”型。轨道垂直安装，上顶点与安装在天花板上的转动轴连接，下顶点与地板上的转台连接，可水平360°转动。上下两个连接点将轨道等分成两个半圆导轨，一半轨道槽内每隔30°装有一个小转动齿轮，共计7个小齿轮；另一半导轨上装有音箱滑动托架。
[0010]音箱滑动托架由音箱固定架、套筒和滑轮构成。套筒为弧形，半径1.2米，圆心角为5°，截面呈“口”型，可套在半圆轨道上，套筒向心的弧面与音箱固定架连接，套筒内部装有滑轮，滑轮嵌在半圆轨道槽内。音箱固定架是一个“十”字型不锈钢架构成，“十”字型架四边可调节长度以适合不同型号尺寸的音箱，“十”字型架四边向内折起，顶端装有螺栓用以固定音箱。
[0011]载人转台由转台和座椅构成,座椅固定在转台的定轴上,不随转台转动。座椅可调整高低，并能绕自身的轴转动。转台和座椅上分别安装有止动固定阀。转台上装有刻度盘，可以测量转动的角度。同时为确保轨道整体转动角度一致，在天花板上转轴上也装有刻度盘，它和转台上的刻度盘的标称一致，零位对齐。座椅为人体工学设计座椅，可缓解被试长时间测量所产生的疲劳。
[0012]链条连接音箱滑动托架，跨过圆弧导轨，与导轨槽内的小齿轮以及转台上转轮的吻合。音箱在导轨上的运动通过脚蹬转动转轮，带动链条上的音箱在其所在的半圆导轨上运动。转轮也可以通过电机驱动。
[0013]音箱固定架上按装有用以校准音箱向心的激光校准器，座椅靠背上安装有固定被试头部的头托，防止测量过程中被试头部活动，并可确保导轨圆心、人头中心、音箱指向的共球心。
[0014]采用本发明装置可实现空间任意俯仰角和方位角的HRTF测量，使HRTF函数测量的空间分辨率大大提高，能满足实验和研究等多种用途的需要。本发明装置自成一体并可模块化拆装。不需要对HRTF测量房间进行大的改动(如在HRTF测量的消声室墙壁钻孔、安装支架等)，对环境和场地破坏较小，通过增加支撑导轨的转轴长度或加高转台高度可以适合各种测量环境(房间)使用。使用本发明装置可方便的调整HRTF测量过程中音箱的空间位置，并能准确测量音箱的俯仰角、水平角参数。通过被试脚踏转台上的齿轮就可以将音箱的位置和方向准确的调整到预定位置，简化调整过程、节约测试人员、提高劳动效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明装置的主视图；
[0016]图2为齿轮安装的轨道横截面图
[0017]图3为音箱滑动托架安装的轨道横截面图
[0018]图4为脚踏转轮纵截面图
[0019]图5为链条安装的轨道纵截面图
[0020]图6为顶部转轴纵截面图
[0021]图7为转台和座椅的纵截面图
[0022]图中标号说明
1-天花板2-上刻度盘3-圆轨道4-头托5-音箱滑动托架6-下转轴7-下刻度盘8-转台9-转台底座10-上转轴11-座椅12-脚踏板13-链条14-转轮15-地板16-齿轮17-滑轮组18-音箱固定架19-转轮轮盘20-脚蹬21-转轮架22-上转轴轴承23-下转轴轴承24-套筒25-指针
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图进一步说明本发明是如何实现的
[0026]实施例
[0027]如图1所示，导轨旋转式链条传动声源位置调节载人HRTF测量转台包括圆导轨3，座椅11，转台8，音箱滑动托架5 (包括音箱固定架18、滑轮19)，传动装置(链条13、转轮
14、齿轮16、滑轮17)，转动装置(下转轴6、上转轴10、上转轴轴承22、下转轴轴承)，以及测量装置(上刻度盘2、下刻度盘7，及导轨上的刻度带)。所述转台底座9安置在地板15上，转台8通过轴承23安装在底座9上，转台8可水平360°转动。上转轴10通过轴承22安装在天花板1，上转轴10也可水平360°转动。上转轴10和下转轴6轴心对齐，垂直于地板15，圆轨道3竖直固定在上转轴10、下转轴6的动轴上，可随它们做水平360°转动。齿轮16的转轴固定安装在圆导轨3的“U”型凹槽内，齿轮16可转动，音箱滑动托架5的套筒24套在圆轨道3上，套筒24内的滑轮卡在圆导轨3的“U”型凹槽内，可在槽内滑动。转轮14通过转轮架21安装在转台8上，链条13两端固定在音箱滑动托架5套筒24内的滑轮组17的首尾两个轮的轮轴上，嵌在圆导轨3的槽内，链条13与齿轮16、转轮14啮合，通过脚蹬20转动转轮14转动，带动链条13及其上固定的音箱托架5运动。[0028]音箱滑动托架5的音箱固定架18在轨道内侧，音箱固定在音箱固定架18上，音箱固定架两侧安装有激光校准器，用以确保音箱对准圆轨道3的圆心。
[0029]座椅11安装在转台8上，脚踏板12、头托4安装在座椅上。座椅11高度可调节，以确保头部处于圆轨道3圆心位置。
[0030]上刻度盘2安装在上转轴10的定轴上，下刻度盘6安装在转台8的定轴上不转动，动轴上安装有指针25，通过指针读出轨道转过的角度。圆轨道3内侧刻有刻度，音箱滑动托架5上装有指针，可指示音箱在轨道上划过的角度或弧长。
[0031]导轨旋转式链条传动声源位置调节载人HRTF测量转台可实现载人HRTF测量，通过轨道旋转和链条传动可调节音箱在空间的位置。所述装置将座椅、转台、轨道、音箱集成为一体，它们之间的位置相对固定，可有效解决人头中心、轨道圆心、音箱指向球心三者的共心问题，并且采用模块化组装设计，除了双转轴需要固定在测量环境的天花板上外，其他不需要对测量环境进行改造，并且安装有转台底座，可以升降底座以满足不同尺寸房间使用，实现了对场地破坏小、适合多种场地使用的要求。所述装置安装了导轨转动和音箱滑动的测量装置，可实时读取音箱空间位置的俯仰角，定位准确。所述装置音箱滑动托架采用一定长度套筒加滑轮组设计成止偏器，保证链条带动音箱滑动的力量始终处于圆弧的切向，解决了音箱指向的向心问题。套筒内部和圆轨道外壁采用精密滑动设计，套筒内部滑轮和轨道槽内采用精密滚动设计，避免卡死现象的发生。
【权利要求】
1.导轨旋转式链条传动声源位置调节载人HRTF测量转台，包括:圆轨道，音箱滑动托架，链条传动装置，刻度盘，转台，座椅，其特征在于:所述圆弧轨道截面为U型圆轨道，开口向圆弧外，圆型轨道一半装音箱滑动托架，一半装转动齿轮；所述的音箱滑动托架通过弧形套筒穿在圆轨道上，套筒内部装有滑轮组，滑轮为双轮，两个双轮滑轮组成一个滑轮组，滑轮组的连接轴与弧形套筒远心一侧的内表面固定，滑轮嵌在轨道的凹槽内，滑轮组和套筒可沿圆轨道滑动，链条两端分别固定在滑轮组首尾两个滑轮的公共轴上；所述的转动齿轮为单轮，轮轴两端固定在U型槽壁上，齿轮可转动，链条套在轨道的凹槽中，与轨道内的齿轮和转台上转盘齿轮啮合，通过脚蹬转盘带动链条牵引音箱在导轨上滑动；所述转台为上下轴承的的共轴转台，上轴固定在天花板上，下轴安装在转台底座上，中间通过圆轨道连接成为整体，圆轨道随转台转动而转动，所述的座椅安装在转台上，座椅为人体工学设计，装有脚踏板和头托，并可升降，所述刻度盘安装在转轴定轴上，通过随动轴转动的指针读数。
2.根据权利要求1所述的导轨旋转式链条传动声源位置调节载人HRTF测量转台，其特征在于采用套筒加滑轮组形成止偏器，使位于轨道内侧的音箱始终对准圆轨道的圆心。
3.根据权利要求1所述的导轨旋转式链条传动声源位置调节载人HRTF测量转台，其特征在于采用了共轴转台，上轴安装在天花板上，下轴安装在底座上，上下转轴之间用圆导轨连接，导轨半径为1.2米，圆心角为360°，导轨可随转台转动。
4.根据权利要求1和2所述的导轨旋转式链条传动声源位置调节载人HRTF测量转台，其特征在于用了链条传动方式，音箱滑动托架采用了止偏结构，脚蹬转盘带动带动链条拖动沿轨道运动。
5.根据权利要求1所述的导轨旋转式链条传动声源位置调节载人HRTF测量转台，其特征在于采用人体工学座椅，装有脚踏板和头托，高度可调整使人头和轨道圆心重合。
6.根据权利要求1和3所述的导轨旋转式链条传动声源位置调节载人HRTF测量转台，其特征在于转轴的定轴上安装了刻度盘，读数通过随动轴运动的指针读出。
【文档编号】G05D3/00GK103631270SQ201310616620
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】师国伟, 郭小朝, 王聪, 国佳, 邓学谦, 郝学芹 申请人:中国人民解放军空军航空医学研究所