一种耳机及心率检测方法与流程
本发明涉及耳机及心率检测技术领域，特别涉及一种耳机及心率检测方法。
背景技术：
随着社会经济的不断发展，人们的物质生活水平日渐提高，人们也越来越关注自己的健康。而心率检测将给人们提供关于健康的非常重要的信息。任何不同于正常心率的显示都表明健康出现了问题，通过心率检测可以及时发现我们的身体是否出现了问题。心率检测还可以在一定程度上反映人们的运动强度是否合适，为了能够得到最佳的锻炼效果，人们在锻炼的过程中应该将心率保持在一定的范围内，而心率检测可以为合理的运动量提供一个指标。
另外，很多人在运动的过程中，喜欢带着耳机听音乐，为了能够测得运动过程中的心率，又不需要随身携带其他设备，人们开始研究如何利用耳机来检测心率的相关技术。
现有的技术也有利用耳机紧贴耳道形成封闭空间，由于耳膜的振动，耳道内会产生一定的压力，并且压力随着振动的改变而改变，利用麦克风采集耳道内压力的变化信息，从而达到检测心率的目的。但是实际应用中，通常的情况是耳机与耳道形成的空间的密闭性并不理想，位于该空间内的麦克风采集到的压力变化信息较微弱，难以检测到心率。
技术实现要素：
基于本发明的一个目的，本发明提供了耳机及心率检测方法，以解决的耳机与耳道形成的空间的密闭性不理想，位于该空间内的压力变化微弱，麦克风难以采集的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了一种耳机，包括耳机外壳，耳机外壳上设置一开口，耳机壳体内设置有封闭壳体，封闭壳体内安装有麦克风，封闭壳体的表面设置有接触面，该接触面安装在开口处，在耳机被佩戴时接触面与人耳的外耳相接触；该耳机还包括：心率检测单元；
麦克风在耳机被佩戴时采集封闭壳体内由压力变化产生的心率信号；
心率检测单元与麦克风电性连接，根据心率信号进行心率检测。
另一方面，本发明提供了一种心率检测方法，应用于耳机，该耳机外壳上设置一开口，该耳机外壳内设置有封闭壳体，封闭壳体内安装有麦克风，封闭壳体的表面设置有接触面，该接触面安装在开口处，在耳机被佩戴时接触面与人耳的外耳相接触；该方法包括：
在耳机被佩戴时，通过麦克风采集封闭壳体内由压力变化产生的信号；
根据麦克风采集的信号进行心率检测
本发明的有益效果是：本发明通过在耳机外壳内设置封闭壳体，在封闭壳体内安装麦克风，使得即使耳机的接触面与外耳不完全接触时，封闭壳体仍然可以很好的将皮肤振动转化为封闭壳体内气体的振动，使麦克风依然可以采集到足够强的心率信号。
附图说明
图1为本发明实施例提供的耳机结构框图；
图2为本发明实施例提供的耳机安装结构的侧视图；
图3为本发明实施例提供的耳机安装结构的后视图；
图4为本发明实施例提供的支持语音拾取的耳机结构框图；
图5为本发明实施例提供的支持运动情况下测心率的耳机结构框图；
图6为本发明实施例提供的自适应滤波器的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的心率检测方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在现有的耳机检测心率的技术中，通常麦克风直接放置在耳机中正对耳道的位置，用于采集耳膜振动产生的耳腔内压力变化信息，但由于实际使用时耳机外壳与耳道的贴合效果并不一定非常紧密，耳机外壳与耳道壁围成的空间的密闭性并不理想，因此位于该空间内的麦克风采集到的压力变化信息较微弱，难以检测到心率；且由于耳机外壳与耳道壁围成的空间的密闭性差，使得位于该空间内的麦克风还会受到外界噪声的干扰，导致心率检测结果并不可靠。
基于上述情况，本发明的图1所示耳机中设计了一种麦克风的安装方式，具体可以参见图2-3；其中，图1为本发明实施例提供的耳机结构框图，图2为本发明实施例提供的耳机安装结构的侧视图，图3为本发明实施例提供的耳机安装结构的后视图。
如图1-3所示，本实施例的耳机包括耳机外壳10，耳机外壳10上设置一开口101，耳机壳体10内设置有封闭壳体20，封闭壳体20内安装有麦克风30，封闭壳体20的表面设置有接触面201，接触面201安装开口101处，且在耳机被佩戴时接触面201与人耳的外耳相接触；优选地，接触面为弹性材质，以使振动能更好地由外耳传递到封闭壳体内。
如图1所示，本实施例的耳机还包括：心率检测单元40；
麦克风30在耳机被佩戴时采集封闭壳体20内由压力变化产生的心率信号；
心率检测单元40与麦克风30电性连接，根据心率信号进行心率检测；心率检测单元40可以利用现有的自相关方法、阈值方法等检测出心率信号的频率(或周期)。
本实施例中所述的外耳包括耳廓和外耳道，受限于人耳和耳机的结构，本实施例耳机外壳10上的开口101优选地设计在耳机被佩戴时与外耳道相接触的位置，从而使封闭壳体20的接触面201尽可能大面积的与外耳道接触，加强振动的传递效果。
如图1所示，由于封闭壳体20内空气振动变化最为显著的位置为封闭壳体20内正对接触面201的位置，因此本实施例优选地，麦克风30的拾音孔301与封闭壳体20的接触面201相对设置，使通过拾音孔301作用在麦克风30的振膜上的声压变化显著，加强麦克风采集到的心率信号的强度；如图3所示，在实际应用中，还可以设置接触面201凸出耳机外壳10的表面，进一步增大接触面与外耳道的接触面积；当然，为保证耳机外壳的完整性，也可以设置接触面201与耳机外壳10的表面齐平；可根据具体需求设计接触面201，本实施例对此不作具体限定。
需要说明的是，图2和图3中仅是示例性示出封闭壳体为方形，本实施例不限定封闭壳体的形状，也可以设计为其他形状，如柱形，梯台形等；本实施例亦不限定封闭壳体在耳机外壳内的安装方式，实际应用中，可以通过粘接等方式安装。
可以理解的是，本实施例图2和图3示例性示出了耳机的安装结构，在耳机的设计过程中还可以包括其他相关的部件，如图2或图3中示出的耳机线102，扬声器等，可以根据应用需求设计相应的部件，对此本实施例不做具体限定。
本实施例的耳机通过在耳机外壳内设置封闭壳体，在封闭壳体内安装麦克风，使得即使耳机的接触面与外耳不完全接触时，封闭壳体仍然可以很好的将皮肤振动转化为封闭壳体内气体的振动，使麦克风依然可以采集到足够强的心率信号。
本实施例的耳机具有结构简单，易于实现的优点。
考虑到在物理学中，对于封闭的空间(不考虑温度)，压强和体积成反比，也就是说体积越小压强越大，那么作用在一定面积上的压力也越大。当用户带上耳机后，由于血管的脉压波动导致耳壁收缩，那么在耳机的封闭壳体内会产生一定的压力变化，该压力变化信号就会被麦克风检测到。一般来说血管的脉压波动非常微弱，密闭的空间越大，那么麦克风检测到的压力变化越小，为了增加麦克风检测到的心率信号的强度，本实施例将麦克风装置在一个封闭的小壳体内,将小壳体紧贴外耳道，由于血管的脉压波动导致外耳道耳壁产生收缩振动，此振动使得小壳体内的麦克风检测到压力的变化；并且小壳体的设计会减小外界干扰信号的影响。
在本实施例的一个实现方案中，图1中的耳机还包括滤波单元和矫正单元；
滤波单元分别与麦克风30和滤波单元电性连接，将麦克风30采集的信号进行滤波处理后发送给矫正单元；矫正单元还与心率检测单元40电性连接，将矫正后的信号发送给心率检测单元40；心率检测单元40对波形矫正后的信号的周期进行检测，由检测出的信号周期的倒数得到心率。
本实现方案的滤波单元优选地采用带通滤波器，以滤除高频干扰和低频干扰。高频干扰主要是指外界噪声，低频干扰主要是指由肢体运动，如转头等运动产生的低频干扰。设计带通滤波器时，可以基于心跳脉搏的频率(0.5hz-4hz左右)设计带通滤波器的截止频率。
本实现方案的矫正单元能够将滤波后的信号的波形进行矫正，将信号形状奇异的部分进行调整，如利用波峰归一化等技术对滤波后的信号进行处理，得到规整的心率信号，再利用心率检测单元40对矫正后的信号的计算周期，在计算矫正后信号的周期时，需要依据正常心率(40bpm-200bpm)，相邻时间的信号强度变化不大等客观规律计算信号的周期。
在实际情况中，人的身体运动对心率检测的影响也是不可避免的。因为，人的身体运动必然会导致耳壁的振动，而这种振动产生的封闭壳体内的压力变化同样会被麦克风检测到。那么，麦克风采集到的数据不仅包括了由于血管的脉压波动产生的压力变化信息，同时包括了人的身体运动在耳道内产生的压力变化信息。为了消除身体运动对心率检测的影响，本发明的一个实施例在耳机中加入加速度传感器，加速度传感器装置在耳机中不接触皮肤的部位，比如图2中所示的虚线框所示的耳机位置。
麦克风采集到的信号包括的是身体运动所引起的耳道压力变化信息，加速度传感器采集到的是身体运动对应的加速度信息，这两种信号具有一样的振动频率，以此为基础，本实施例通过采用下属实现方案消除人的身体运动所产生的干扰。
在本实施例的一个实现方案中，图1中的耳机还包括加速度传感器、自适应滤波单元和减法单元；
加速度传感器与自适应滤波单元电性连接，在耳机被佩戴时，采集由于佩戴者的身体运动产生的信号；
自适应滤波单元与减法单元电性连接，将加速度传感器采集的信号进行自适应滤波处理，得到麦克风采集到的信号中的由于佩戴者的身体运动产生的信号的估计信号并发送给减法单元；
减法单元分别与麦克风30和心率检测单元40电性连接，从麦克风30采集到的信号中减去所述估计信号，得到心率相关信号并发送给心率检测单元4和自适应滤波单元；
心率检测单元40，对心率相关信号的周期进行检测，由检测出的信号周期的倒数得到心率。
由于耳机的空间限制，需要在耳机的所支持的功能和器件数量之间进行权衡，为提高每个功能部件的利用效率，本实施例中的麦克风还可以拾取用户的语音信号。
参考图4，图4为本发明实施例提供的支持语音拾取的耳机结构框图，图4中耳机的结构与图1中耳机的结构不同之处在于，图4中的耳机还包括判断单元50、高频补偿单元60和处理器70；
判断单元50与高频补偿单元60电性连接，判断耳机当前的工作模式是否为语音拾取模式；
示例性的，若耳机设置有工作模式选择按钮，每种工作模式对应触发事件，判断单元50刻根据判断发生的触发事件判断耳机是否处于语音拾取模式；当然判断单元50也可以通过其他发生判断耳机是否处于语音拾取模式，如判断单元50还与麦克风电性连接，接收麦克风拾取的信号，识别该信号是否为语音信号，在识别为语音信号时，判断耳机处于语音拾取模式。
高频补偿单元60分别与麦克风30和处理器70电性连接，在判断单元50判断耳机当前的工作模式不是语音拾取模式时，不对接收到的信号进行处理和转发；在判断单元50判断耳机当前的工作模式为语音拾取模式时，将麦克风30采集的信号进行高频补偿后发送给处理器70；
处理器70根据高频补偿后的信号进行相应的信号处理，如将高频补偿后的信号发送到扬声器进行播放，或者将高频补偿后的信号进行语音识别，基于语音识别结构鉴定用户权限等。
本实施例的语音拾取方法尤其适用于嘈杂环境，在嘈杂环境中，通过空气传递过来的语音信号信噪比会比较低，难以识别语音信号的语音，而本实施例的麦克风由于处于密闭性良好的封闭壳体中，可以用来拾取耳机佩戴者说话时通过皮肤传递过来的语音信号，坏境噪音的影响较低，使得麦克风拾取到的信噪比较高的信号，保证处理器识别到准确、清晰的语音。
为便于理解本发明的耳机结构，本发明通过下述实施例进行具体说明。
图5为本发明实施例提供的支持运动情况下测心率的耳机结构框图，如图5所示，图5中耳机的结构与图1中耳机的结构不同之处在于，图5中的耳机还包括滤波单元80、矫正单元90、加速度传感器110、自适应滤波单元120和减法单元130，其中，自适应滤波单元120包括参数可调滤波器1201和参数自适应调整单元1202。
如图5所示，麦克风30输出端连接滤波单元80输入端，滤波单元80输出端连接矫正单元90输入端，矫正单元90输出端连接减法单元130第一输入端；加速度传感器110分别连接参数可调滤波器1201和参数自适应调整单元1202的第一输入端，参数自适应调整单元1202输出端连接参数可调滤波器1201第二输入端，参数可调滤波器1201输出端连接减法单元130第二输入端，减法单元130输出端连接参数自适应调整单元1202第二输入端。其中，滤波单元80和矫正单元90的功能如前所述，在此不再赘述。
而图5中的加速度传感器110，当耳机被佩戴时，采集由于佩戴者的身体运动所产生的信号并输出给自适应滤波单元120中的参数可调滤波器1201和参数自适应调整单元1202。
参数自适应调整单元1202，根据加速度传感器110采集到的信号、心率相关信号以及预设的自适应算法去调整参数可调滤波器1201的滤波参数。
参数可调滤波器1201，利用滤波参数对加速度传感器110采集的信号进行自适应滤波，输出麦克风采30集到的信号中的由于佩戴者的身体运动所产生的信号的估计信号给减法单元130。
减法单元130，从矫正单元90输出的信号中减去参数可调滤波器1201输出的估计信号，得到心率相关信号输出给心率检测单元40；减法单元130，还将心率相关信号输出给参数自适应调整单元1202。
这里参数自适应调整单元1202根据输入的加速度传感器110采集的信号以及减法单元130反馈的心率相关信号，采用自适应算法计算出参数可调滤波器1201的滤波参数。
心率检测单元40，根据心率相关的信号进行心率检测；示例性地，心率检测单元40利用现有的自相关方法、阈值方法等检测出心率相关信号的周期，由检测出的信号周期的倒数得到心率。
图6是本发明实施例提供的自适应滤波器的结构示意图。如图6所示，自适应滤波器主要由参数可调滤波器和调整滤波器系数的参数自适应调整单元两部分构成。自适应滤波器在设计时不需要事先知道有关信号的统计特性的知识，它能够在自己的工作过程中逐渐“了解”或估计出所需的统计特性，并以此为依据自动调整自己的参数，以达到最佳滤波效果。图6中，ex(n)是期望信号，in(n)是输入信号，out(n)是输出信号，e(n)为估计误差，e(n)＝ex(n)–out(n)。自适应滤波器的滤波系数受误差信号控制，e(n)通过预定自适应算法对自适应系数进行调整，最终使得e(n)的均方误差最小，此时输出信号最逼近期望信号。
在图5所示的耳机中，采用了自适应滤波器对加速度传感器采集到的信号进行滤波处理，以准确估计出麦克风采集到的由于人体运动产生的信号。如图5所示，y1(n)是加速度传感器110采集到的信号，即对应自适应滤波单元120中的输入信号，y2(n)为自适应滤波单元120的输出信号，xl(n)表示对应的期望信号，
具体过程如下：
假定麦克风30检测到的信号为：x(n)＝y(n)+d(n)，加速度传感器110检测到的信号为y1(n)。
其中，y(n)表示由于人的身体运动所产生的压力变化信号，d(n)表示由于血液流动所产生的压力变化信号；y1(n)表示由于人的身体运动所产生的加速度信号，n表示采样时间点。
x(n)经过带通滤波、矫正后信号变为：xl(n)＝yl(n)+dl(n)。
y1(n)和y(n)都是同样的运动产生的信号，y1(n)对应的是加速度信息，y(n)对应的是压力信息，虽然两者对应的幅度不同，但具有相同的振动频率。为了将y(n)从x(n)中消除，选择自适应滤波器(冲击响应为h(n))对y1(n)进行滤波，得到y2(n)＝y1(n)*h(n)，使y2(n)尽可能地接近x(n)经过低通滤波后的由于人的身体运动所产生的压力变化信号yl(n)。
这样由于耳道收缩产生的信号可以表示为：
滤波器的自适应参数利用自适应算法来获得，实现自适应算法的方法很多，比如可以采用均方误差最小的方法，即使得
求得
由此，图5中的耳机能够获得人们在各种情况(安静，运动等)下的心率，以便获取人的健康状况信息，或者以此为依据人们可以根据具体情况将自己的运动量控制在一个合适的范围内。
与前述耳机实施例相对应的，本发明还提供了一种心率检测方法实施例，在方法实施例中，心率检测方法应用于耳机，该耳机外壳上设置一开口，该耳机外壳内设置有封闭壳体，封闭壳体内安装有麦克风，封闭壳体的表面设置接触面，接触面安装在开口处，且在耳机被佩戴时接触面与人耳的耳廓相接触；本实施例中的耳机的结构参见前述耳机实施例，在此不再赘述。
图7为本发明实施例提供的心率检测方法流程图，如图7所示，该方法包括：
s700，在耳机被佩戴时，通过麦克风采集封闭壳体内由压力变化产生的信号。
s710，根据麦克风采集的信号进行心率检测。
其中，可以通过下述方法进行心率检测：
对麦克风采集的信号进行滤波处理，得到滤波后的信号；优选地，对麦克风采集的信号进行带通滤波处理，以滤除低频干扰信息和高频干扰信号；对滤波后的信号进行波形矫正，对波形矫正后的信号的周期进行检测；由检测出的信号周期的倒数得到心率。
当耳机外壳内安装有加速度传感器时，图7中的方法还包括：
在耳机被佩戴时，通过加速度传感器采集由于佩戴者的身体运动产生的信号；
相应的，根据麦克风采集的信号进行心率检测，具体包括：
对加速度传感器采集的信号进行自适应滤波处理，得到麦克风采集到的信号中的由于佩戴者的身体运动产生的信号的估计信号；从麦克风采集到的信号中减去所述估计信号，得到心率相关信号；对心率相关信号的周期进行检测；由检测出的信号周期的倒数得到心率。其中，估计信号可通过下述方法获得：
根据加速度传感器采集到的信号、心率相关信号以及预设的自适应算法计算自适应滤波参数；根据自适应滤波参数对加速度传感器采集到的信号进行自适应滤波，得到估计信号，具体方法可参见图5中的关于自适应滤波单元120的相关描述，在此不再赘述。
在本实施例的一个优选方案中，图7中的方法还包括：判断耳机当前的工作模式是否为语音拾取模式；
在耳机当前的工作模式不是语音拾取模式时，不对麦克风采集的信号进行处理和转发；在耳机当前的工作模式为语音拾取模式时，对麦克风采集的信号进行高频补偿，得到高频补偿后的信号；将高频补偿后的信号发送至耳机的处理器，由处理器根据接收到的高频补偿后的信号进行相应的信号处理，如处理器可将高频补偿后的信号发送到扬声器进行播放，或者将高频补偿后的信号进行语音识别，基于语音识别结构鉴定用户权限等。
本实施例的语音拾取方法尤其适用于嘈杂环境，在嘈杂环境中，通过空气传递过来的语音信号信噪比会比较低，难以识别语音信号的语音，而本实施例的麦克风由于处于密闭性良好的封闭壳体中，可以用来拾取耳机佩戴者说话时通过皮肤传递过来的语音信号，坏境噪音的影响较低，使得麦克风拾取到的信噪比较高的信号，保证处理器识别到准确、清晰的语音。
本发明方法实施例中各步骤的具体执行方式，可以参见本发明耳机实施例的具体内容，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
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