通过调节振动增强声音感知的制作方法

本发明的示例实施例涉及通过振动增强声音感知。

背景技术：

人类听觉感知主要通过耳朵发生，但其也受触感支持。在低于50hz的频率下，通常需要高于80db的声压水平才能使人类听众感知声音。在这样的声压水平下，人体皮肤也开始以可感知的水平振动，从而产生触感即振动触觉来支持听力。在低于20hz的频率(次声频率)下，对空气压力振动的听觉或触觉则完全基于振动触觉感知。除低于20hz的极低频率之外，皮肤上的振动触觉感知的频率范围通常扩展到近似500hz，而对于其他感觉可能有感观障碍的敏感人群而言，该频率范围甚至可能扩展到近似1000hz。因此，振动触觉即触感在极大部分的可感知音频频谱中支持人类听觉。

虽然人类能够通过触感感觉到可感知音频频谱下端和次声频率的低频振动，但触感的动态范围相当有限。实际上，可能根本感觉不到低强度振动，而另一方面，过于强烈的振动、尤其是朝向振动触觉感知的频率范围的下部则很可能引起人类听众不适。这就为使用触感增强声音感知带来局限性，尤其是当振动通过诸如头、手或脚的敏感区域传递到人类听众的身体时。特别地，针对头骨硬表面，可以感受到过度感知冲击的风险，其中振动幅度过大甚至可能干扰人类听众的视觉和平衡感。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种有助于控制再现音频信号引起的可感知触觉冲击以便通过触觉获得可感知效果而不会给听者带来不适的技术。

根据示例实施例，提供一种用于振动和声音的联合产生的设备，该设备包括用于联合产生振动和声音的装置，其被配置成再现作为输入提供给它的输入音频信号，所述装置被布置在衬垫内以生成在衬垫的至少一个外表面上可感知为振动和声音的机械振动，并且通过所述衬垫的至少一个外表面辐射声音；以及用于根据所述输入音频信号的至少一个特性调节振动的可感知强度的装置。在一个示例中，用于调节的装置被布置成增加低于第一预定义频率点的所产生振动的幅度，以及响应于所述强度超过预定义阈值而限制所产生振动的强度。

根据另一示例实施例，提供一种用于振动和声音的联合产生的方法，该方法包括：联合产生振动和声音，以通过使用振动装置来再现输入音频信号，该振动装置被布置在衬垫内以生成在衬垫的至少一个外表面上可感知为振动和声音的机械振动，并且通过所述衬垫的至少一个外表面辐射声音；以及根据所述输入音频信号的至少一个特性调节振动的可感知强度。在一个示例中，所述调节包括增加低于第一预定义频率点的所产生振动的幅度，以及响应于所述强度超过预定义阈值而限制所产生振动的强度。

本专利申请中呈现的本发明的示例实施例不应解释为对所附权利要求的实用性构成限制。动词“包括”及其派生词在本专利申请中用作开放式限制，其不排除存在尚未记载的特征。除非另作明确说明，否则下文描述的特征可互相自由组合。

在所附权利要求中阐述了本发明的一些特征。结合附图，参阅下文对一些示例实施例的描述将最清楚地理解本发明关于其结构及其操作方法以及其他目的和优点的多个方面。

附图说明

在附图中通过示例而非限制性的方式示出本发明的实施例，其中：

图1a描绘出根据示例实施例的作为音频处理实体提供的调节装置的一些逻辑组件的框图；

图1b描绘出根据示例实施例的作为音频处理实体提供的调节装置的一些逻辑组件的框图；

图2a示意性图示出将频带划分成三个频率子带；

图2b示意性图示出根据示例实施例的用于处理某一频率的信号的处理规则的操作；

图2c示意性图示出根据示例实施例的用于处理某一频率的信号的处理规则的操作；

图3图示出描绘根据示例实施例的用于处理某一频率的信号的一个或多个处理规则的操作的曲线图。

图4示意性图示出根据示例实施例的用于调节振动强度的机械结构；以及

图5图示出描绘根据示例实施例的用于调节振动强度的机械结构的操作的曲线图。

具体实施方式

本发明的各种示例实施例涉及：(i)通过使用声音和振动生成设备以联合产生振动和声音，以再现作为输入提供给它的输入音频信号，其中声音和振动生成设备被设置在衬垫内以生成在衬垫的至少一个外表面上可感知为振动和声音的机械振动，并且通过所述衬垫的至少一个外表面辐射声音；以及(ii)通过使用调节设备，根据输入音频信号的至少一个特性调节振动的可感知强度。

关于前述方面(i)，在联合产生振动和声音中应用的设备或器具可以例如是公开为wo2015/118217a1的国际专利申请中所述类型的垫子，其全部内容通过引用并入本文。然而，这可作非限制性示例，并且本发明的实施例可以用于在一些其他类型的衬垫物的外表面上并且通过一些其他类型的衬垫物的外表面联合提供振动和声音。

关于前述方面(ii)，可以例如根据以下原理之一或通过使用两者的组合来提供对可感知强度的调节：

-调节设备可以包括音频处理实体，其在将该输入音频信号提供给振动布置之前修改输入音频信号。因此，在该方法中，输入音频信号被预处理以展现导致对由声音和振动生成设备提供的振动特性的期望的调节的、具有对作为提供给它的输入的音频信号的线性或基本线性的响应的特性(例如，关于其幅度和/或频率内容)。

-调节装置可以包括作为声音和振动生成设备的一部分提供的机械结构，该机械结构具有用于提供对作为提供给它的输入的音频信号的非线性响应、例如使得生成的振动的幅度至少在一个子频率范围内加强或削弱的特性。

声音和振动生成设备也可以被称为用于联合产生振动和声音的装置以反映存在多种方式来实现这样的设备的事实。就此而言，本文稍后提供一些非限制性示例。然而，为了清楚地编辑说明书，下文主要将声音和振动生成设备(例如，用于联合产生振动和声音的装置)称为声音再现装置，但也可以将其称为声音再现组件、振动装置或振动组件。类似地，下文主要将调节设备称为调节装置，但也可以将其称为调节组件或调节实体。

在下文中，首先详细描述一种设备，其中通过在提供该音频信号用于由声音再现装置再现之前在音频处理实体中修改输入音频信号的特性，对振动的可感知强度进行调节，随后还描述一种设备，其中经由以非线性方式对音频输入信号作出反应并且如此使用输入音频信号来驱动的声音再现的机械结构对振动的可感知强度进行调节。

在整个说明书中引用音频信号。虽然音频信号可以被认为是关于人类听觉系统的可听频率内容，例如大概从50hz到20khz，此处的术语音频信号应广义解释，包含低于可听频率范围(如低至5hz)的次声频率和/或高于可听频率范围(如高达30khz)的超声频率。

与通过耳朵的听觉系统并列，音频信号的扩展定义还包含对音频范围内受声学激励影响的相关感觉的作用。触感对人体皮肤和内部组织两者上的振动作出反应。在可听频率中，皮肤上的皮肤受体通常捕捉20至500hz的信息。如果流体(空气或水)传播的空气传声足够强烈，皮肤振动，并且这种振动触觉感知支持听觉感知。来自触觉和听觉的同步信息互相支持，由此提高所感知音频信息的清晰度。在较低的振动触觉音频频率下，例如低于100hz的频率，机械振动也很容易传播到位于皮肤下方的身体部位，并且关节和肌肉中的振动受体会对音频信号作出反应。振动进一步以极低的声音频率和次声频率影响更深处的身体部位。通常，人类听众无法听到低于30hz的频率，并且这类频率的信号分量主要经由与环境的机械接触而感知为身体振动。次声频率通常与高能的机械事件如地震或爆炸有关，其发生震动并使结构变形，并且能够通过脚感知到。皮肤也能作为压力感或者经由各种非线性机制(例如，衣服拍向皮肤)感觉次声频率。

强烈的振动还可能影响或干扰其他感觉：对头部的低频振动可能会干扰视觉感知，从而对平衡感产生不利影响。眼睛(视觉系统)、耳朵(前庭系统所在的位置)和身体对其所在空间的感觉(本体感受)共同作用。因此，振动刺激可以用作人类听觉的辅助，但优选对振动刺激进行调节，以避免或至少限制振动可能引起对多种感觉的干扰和不适。

无论设置调节装置的方式如何，调节装置可以被布置成以一种或几种方式调节声音再现装置将产生的振动的可感知强度。就此而言列举一些示例，调节装置可以被布置成根据输入音频信号的频率调节振动的可感知强度和/或根据输入音频信号的幅度调节振动的可感知强度。在下文中，就此提供一些非限制性示例。适用于调节振动的机制可以用于压缩由声音再现装置所提供的振动的动态范围(与将会导致以线性方式基于输入音频信号的特性生成振动的动态范围相比较)。

例如，调节装置可以被布置成在低于第一预定义阈值(如第一预定义频率点)的频率增加所产生的振动的幅度。第一预定义阈值可以例如是表示传达声音和振动的音频触觉频率上限的阈值。例如，可以将第一预定义阈值设定为例如200hz、1000hz或200～1000hz范围内的合适值，如500hz。这种振动调节用于确保音频触觉频率具有足够的强度，以便在也能用于调动触觉来增强声音感知的强度下传达振动。

又例如，附加地或替选地，调节装置可以被布置成在低于第二预定义阈值(如第二预定义频率点)的频率减小所产生振动的幅度。第二预定义阈值可以例如是表示听力下限的阈值。例如，第二阈值可以是50hz。进一步举例而言，可以将第二预定义阈值设定为例如30hz、80hz或30至100hz范围内的合适值。这种振动调节用于确保触觉或次声频率下足够的相对强度，以便在调动触觉来支持声音感知的强度下传达振动。

再举一例，附加地或替选地，调节装置可以被布置成基于预定义幅度阈值来减小所产生(将产生)的振动的幅度。这样调节可能涉及限制振动的幅度使其不超过预定义幅度阈值，或者响应于观察到振动超过预定义幅度阈值而限制振动幅度。这样的调节可以跨整个频带或跨一个或多个频率子带进行，例如，覆盖音频触觉频率(即传达可听声音和可感知振动两者的频率)的频率子带和/或覆盖触觉频率(即低于传达可感知振动的可听频率范围的频率)的频率子带。

图1a描绘出作为音频处理实体110提供的调节装置的一些(逻辑)组件的框图。音频处理实体110包括频带分解实体112、音频触觉带处理实体114、触觉带处理实体116和频带合成实体118。音频处理实体110可以包括本文未描述的其他(逻辑)组件或子实体。

频带分解实体112用于将输入音频信号分解成两个或更多个频率子带，并且提供这些频带中至少两个以供音频处理实体110的相应处理实体来进一步处理。例如，频带分解实体112可以将输入音频信号分解成音频带、音频触觉带和触觉带。例如，频带分解实体112可以作为合适的分析滤波器组提供。例如，频带分解实体112可以被布置成将触觉带提供为覆盖近似5hz至50hz触觉频率的频率子带，将音频触觉带提供为覆盖近似50hz至1000hz频率的频率子带，并且将音频带提供为覆盖近似1000hz至20khz的可听频率的频率子带。

音频触觉带处理实体114用于修改音频触觉带中的信号的一个或多个特性。这可能涉及修改音频触觉带中的信号的幅度和/或音频触觉带中的信号的频率内容。在音频触觉带处理实体114中执行的修改可以通过使用一个或多个数字滤波器来执行。就此举例而言，数字滤波器可以采用固定的预定义滤波特性。另举一例，数字滤波器可以采用自适应滤波器特性，其中这些滤波特性可以根据音频带中的信号和/或音频处理实体110处接收的输入音频信号的至少一个特性来调适。

触觉带处理实体116可以被布置成根据一个或多个预定义处理规则来修改触觉带中的信号的幅度。就此而言，处理规则可以实现例如前文中描述的调节所产生(将产生)的振动的强度的示例之一：

-第一处理规则可以促使触觉带处理实体116增加触觉带(因此，低于用作触觉频率的上限阈值的频率点)中的信号的幅度，以确保提供足够的触觉效果来补充直接可听的信号分量，以便增强声音感知。

-第二处理规则可以促使触觉带处理实体116关于预定义幅度阈值来限制触觉带中的信号的幅度，以确保触觉效果的程度不会引起听者感到不适。

举例而言，触觉处理实体116可以通过触觉带中的信号乘以合适的增益系数(其值大于一)来实现第一处理规则，从而跨该触觉带以类似方式增加振动强度。在另一示例中，触觉带处理实体116可以通过使用(第一)预定义数字滤波器对触觉带中的信号滤波来实现第一处理规则，由此能够跨触觉带根据频率来按预期增加振动强度。

类似地，触觉带处理实体116可以通过触觉带中的信号乘以合适的增益系数(其值小于一)使得不超过预定义幅度阈值来实现第二处理规则，由此跨触觉带以类似方式来减小振动强度。

可以直接从频带分解实体112向频带合成实体118提供音频带，以使其可在该频带合成实体中连同来自音频触觉带处理实体114和触觉带处理实体116的经处理的频率子带信号一起用来创建合成音频信号。频带合成实体118用于将由频带分解实体112中的分解(例如，音频带、音频触觉带和触觉带)产生的频率子带组合成合成音频信号，以便作为输出音频信号提供给声音再现装置。例如，频带合成实体118可以被提供为合适的合成滤波器组。

来自频带合成实体118的输出音频信号用作来自音频处理实体110的输出信号。采用输出音频信号来驱动声音再现装置，以相应地联合产生振动和声音。在一个示例中，输出音频信号经由音频放大器提供给声音再现装置。音频放大器可以对输出音频信号应用固定的预定增益，或者可以接收控制其中所应用的增益的用户输入。在另一个示例中，输出音频信号被提供给声音再现装置，而无需额外的放大。

图1a进一步描绘出向音频触觉带处理实体114和触觉带处理实体116中的每一个的相应可选控制输入，如果由相应的处理实体114、116来处理信号，则可提供该控制输入来实现水平控制。控制输入用于能够提供用户命令，这些用户命令引起调整相应处理实体114、116中的信号水平，由此能够在于其他频率子带无关的相应频率子带调整振动和/或声音的可感知强度。这样的用户控制能够微调所产生的振动和/或声音的强度以匹配听者的个人偏好。

在图1a的示例中，输入音频信号被(频带分解实体112)分解成两个或更多个频率子带，在其之外还提供至少两个频率子带分别供音频触觉带处理实体114和触觉带处理实体116来进行处理。在其他示例中，可以提供更多个的频率子带来在相应处理实体中进行进一步处理。就此举例而言，图1b描绘出音频处理实体110’的一些(逻辑)组件的框图，该音频处理实体是音频处理实体110的变型。音频处理实体110’包括频带分解实体112’、第一子带处理实体114’、第二子带处理实体115、第三子带处理实体116’以及频带合成实体118’。音频处理实体110’可以包括本文未描述的其他(逻辑)组件或子实体。与音频处理实体110的不同之处在于，在音频处理实体110’中，从输入音频信号中提取的频率子带中的每个被提供用于由第一子带处理实体114’、第二子带处理实体115和第三子带处理实体116’中的相应一个来进行处理。来自子带处理实体114’、115、116’的相应输出信号被频带合成实体118’分解成合成音频信号，该合成音频信号用作来自音频处理实体110’的输出音频信号。

作为使用三个频率子带的示例，图2a示意性图示出将频带划分成三个频率子带，其中各条实曲线表示相应的频率子带。三个频率子带可以包括5至50hz的触觉带(例如，次声带)、50至500(或1000)hz的音频触觉带以及500(或1000)hz至20khz的音频带。在一个示例中，第一子带处理实体114’可以处理音频带信号，第二子带处理实体115可以处理音频触觉带信号，并且第三子带处理实体116’可以处理触觉信号。

图2b和图2c进一步图示出可以在处理实体中应用的处理规则的操作，该处理实体处理由音频处理实体110所考虑的最低频率子带(例如，上述触觉带)。该处理实体可以例如包括音频处理实体110的触觉带处理实体116或者音频处理实体110’的第三子带处理实体116’。在图2b中，虚线表示从频带分解实体112、112’获得的次声频带，并且频率轴中基本相同位置处的实曲线表示提供给频带合成实体118、118’来生成合成音频信号的触觉带。因此，沿用前文针对第一处理规则所述的思路，图2b图示出一种增加触觉带信号的幅度以便确保触觉效果足以补充可听信号分量来增强声音感知的场景。

参照图2c，虚线表示从频带分解实体112、112’获得的触觉带，并且频率轴中基本相同位置处的实曲线表示提供给频带合成实体118、118’来产生合成音频信号的触觉带。因此，沿用前文针对第二处理规则所述的思路，图2c图示出一种限制触觉带信号的幅度以便确保避免因过度的振动强度而使听者感到不适的场景。

图3中所示的曲线进一步表征由图2b和图2c的示例所示的第一处理规则和第二处理规则的操作产生的组合效果。图中示出布置用来处理该频率子带的处理实体的输入与输出中的触觉带中的信号的幅度之间的关系：利用水平检测器来监视触觉带强度(例如，能量)。以适当的时间常量(攻击时间和释放时间)进行检测。根据检测到的强度，自适应地调整输出增益。在低输入强度(例如，在低于第一预定义强度阈值的强度)下，频率子带中应用增益来增加触觉带信号中的能量，以使其更容易被感知。高于第二预定义强度阈值，所应用的增益逐渐减小。由此调节来自操作成处理触觉带信号的处理实体的所得输出信号，使得应用到其输入信号的增益在高强度值(例如，高于第二预定义强度阈值的强度值)时变得衰减。由此将输出强度调整成与人类感知的极限匹配更佳。

音频处理实体110、110’中的每个可以由硬件装置或者硬件装置与软件装置的组合来提供。就后者举例而言，音频处理实体110、110’可以由包括处理器和存储器的设备来联合提供，该存储器被布置成存储包括计算机可执行指令的计算机程序代码，这些计算机可执行指令被处理器执行时促使该设备作为如前文若干示例所述的音频处理实体110、110’进行操作。

这里，引用处理器不应理解为仅包含可编程处理器，而还应包含诸如现场可编程门阵列(fpga)、专用电路(asic)、信号处理器、模拟电路等的专用电路。

来自音频处理实体110的输出音频信号可以被提供用于由声音再现装置通过声音联合产生振动，该声音再现装置提供对输出音频信号的线性或基本线性的响应，即相对幅度跨输出音频信号的频带与输出音频信号的幅度匹配或基本匹配的振动和声音。

就此举例而言，声音再现装置包括至少一个机械致动器和至少一个板，其中所述至少一个机械致动器被布置成根据从音频处理实体110接收的输出音频信号振动至少一个板。举例而言，可以提供这样的解决方案，例如，通过将可移动磁体机械地连接或悬挂到至少一个板并且通过从音频处理实体110接收的输出音频信号驱动可移动磁体的移动。在该示例的变型中，可移动磁体可以是以机械方式连接到至少一个板的扬声器元件的磁体组件。

在另一个示例中，声音再现装置包括至少一个机械致动器，该机械致动器包括至少一个板，所述至少一个板可根据从音频处理实体110接收的输出音频信号振动，例如驱动。举例而言，这样的解决方案可以由包括压电或磁致伸缩元件的至少一个板来提供，该压电或磁致伸缩元件根据从音频处理实体110接收的输出音频信号引起至少一个板发生变形。

如前文已简要描述，作为音频处理实体110、110’的替代(或补充)，可以通过声音再现装置的机械结构来提供调节装置。在这种方法中，可以在声音再现装置中应用机械振动调谐和谐振器来提供调节装置，例如使得它们布置成在低频下(例如低于50hz)具有共振放大。机械结构的共振频率被确定为振动部件的有效质量与振动部件的弹性悬架的刚度之比。弹性悬架中的非线性机械材料能够用来提供所需的共振频率，由此对相应频率的振动幅度形成限制。

就此举例而言，能够实现硬化弹簧，该硬化弹簧在小振动幅度下具有低弹簧常数，而在更大振动幅度下具有更大的有效弹簧常数。所得的行为是，在中等水平的振动幅度下，共振放大增强了所产生的振动和声音中的低频，而在高振动幅度下，机械共振放大则转移到更高的频率。在图4中描绘出用于调节振动强度的机械结构的示例：由输入音频信号驱动经由至少一个第一非线性弹簧弹性耦合到板124的可移动质量块122。因此，由输入音频信号引起可移动质量块122的移动经由第一非线性弹簧传递到板124，而板124的移动联合产生振动和声音，以再现输入音频信号。这里，由于经由机械式连接/悬挂到可移动质量块122而在其中引起移动，板124也构成可移动质量块。图4中的结构进一步包括至少一个第二非线性弹簧，该第二非线性弹簧从第一端附接到板124并且从板124突出，但其并未延伸到可移动质量块122。换而言之，至少一个第二非线性弹簧的第二端与可移动质量块122之间存在间隙。至少一个第一非线性弹簧具有弹簧常数k1，并且至少一个第二非线性弹簧具有弹簧常数k2。

通过图5中所示的曲线图进一步图示出对使用图4中简要示出的机械结构所产生的振动强度的频率相关调节，该曲线图示出并行布置的第一弹簧和第二弹簧的组合弹性行为(例如，弹性恢复力与挠度)。在图4中可移动质量块124和122的较低相对偏转幅度下，第一弹簧(具有弹簧常数k1)充当弹性元件。在较高偏转幅度下，一部分偏转周期还表现出第二弹簧(具有弹簧常数k2)的刚度增加，因此会增加可移动质量块122与板124之间的机械连接/悬挂的有效弹簧常数。因此，在大振幅振动的情况下，由第一弹簧和第二弹簧与可移动质量块122和板124共同形成的弹簧-质量块系统的共振频率上移。

提供调节装置作为声音再现装置的机械结构的一部分的另一个示例包括通过有意预先张紧一个或多个非线性弹簧来调整结构的弹性。这使用户能够调整共振放大，例如通过按压如本文所述在联合产生振动和声音中应用的器具或设备的表面或以其他方式使其变形。例如，如果器具/设备被提供为垫子，则用户可以用他/她的头部按压器具，并且这种按压可以导致弹簧常数(例如，图4中的示例的k1和k2)的变化，因此通过作为调节装置应用的机械结构进行有效的共振放大。

例如根据图4中的示例作为调节装置应用的声音再现装置的机械结构涉及非线性动态行为，可能在所产生的声音中形成一些不理想的失真。然而，这通常不会对该布置的性能造成严重限制，因为人类听觉对低频失真并不敏感。通常，通过低音频率的谐波部分发生人类听觉的低频感知，并且低音失真的产物通常被感知为自然的声音分量，而不是被用户感知为可听见的干扰。

在前文的描述中，尽管已经参照某些特征描述了一些功能，但这些功能可以通过其他特征来执行，无论描述与否。尽管已经参照某些实施例或示例描述了一些特征，但这些特征也可能存在于其他实施例或示例中，无论描述与否。