ОЦЕНКА ИЗОЛИРУЮЩИХ КАЧЕСТВ ОБТУРАТОРА ДЛЯ УШНОГО КАНАЛА Российский патент 2017 года по МПК H04R29/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу и устройству для определения показания качества изоляции обтураторов для ушного канала и, в частности, но не исключительно, к определению показания качества изоляции для приложений, измеряющих звуки тела.

Уровень техники

Существует возрастающий интерес к мониторингу функций тела в различных областях применения. Например, существует интерес в мониторинге частоты сердечных сокращений и характеристик дыхания для релаксации, физических упражнений и медицинских приложений.

Было предложено измерять звуки тела, помещая микрофон в ушной канал. Действительно, звуки тела передаются по телу, среди прочего, через костную ткань. Интересующие звуки, которые можно улавливать в ушном канале, включают звуки сердца, звуки дыхания и звуки движения, например шагов. Было обнаружено, что можно делать запись таких звуков тела в ушном канале, используя эффект, известный как «эффект окклюзии». Эффект окклюзии относится к такому явлению, что в закупоренном ушном канале проводимые в кости звуки воспринимаются сильнее, чем в открытом ушном канале. Помимо такого аспекта восприятия данный эффект также может быть измерен с точки зрения увеличения звукового давления низких частот в ушном канале. Объяснение этого феномена дано в статье "Bone Conduction", J. Tonndorf; in J. Tobias (ed.), Foundations of modern auditory theory, New York: Academic press, p. 197-237. Что касается звуков в ушном канале, открытый конец канала обеспечивает высокую пропускную способность. При закрытии ушного канала высокая пропускная способность теряется и уровень звукового давления низкочастотных звуков в ушном канале возрастает. Дополнительные детали по эффекту окклюзии в отношении различных типов обтураторов представлены в статье "A model of the occlusion effect with bone-conducted stimulation", S. Stenfelt and S. Reinfeldt; International Journal of Audiology, vol. 46, p. 595-608, 2007. В этой статье эффект окклюзии измеряют от 100 Гц и выше, при этом было найдено, что он продолжается до 2 кГц для некоторых случаев.

Проводили исследование при размещении микрофона в ушном канале и изолировании уха с обеспечением эффекта окклюзии. На фиг. 1 показан пример системы ушных микрофонов, где микрофоны и обтуратор интегрированы в наушнике таким образом, чтобы установка наушника в ухе одновременно обеспечивала размещение микрофона в ушном канале и изоляцию ушного канала.

Впрочем, чтобы можно было достаточно четко записывать проводимые в костной ткани звуки тела в ушном канале при использовании микрофона, канал необходимо должным образом изолировать. Такая изоляция обеспечивает эффект окклюзии, который приводит к значительному усилению регистрируемого уровня звукового давления проводимых в костной ткани звуков тела по сравнению с открытым ушным каналом. Поскольку микрофоны страдают от собственных шумов и поэтому обладают ограниченным динамическим диапазоном, для улавливания требуемых звуков тела в месте установки микрофона необходим значительный уровень звукового давления. Таким образом, при использовании ушного микрофона для записи звуков тела, таких как звуки сердца и звуки дыхания, окклюзия ушного канала должна быть достаточно хорошей для того, чтобы обеспечивать достаточно высокий уровень звукового давления для звуков тела в ушном канале. Это требует присутствия эффективной изоляции ушного канала по отношению к внешнему миру. Если изолирование недостаточно, уровень звуков тела резко снижается и становится сложно или даже невозможно получать определенную информацию из звуков тела. Кроме того, изоляция не только обеспечивает усиление уровня звуков тела, но также и ослабления внешних звуков, улучшая, таким образом, отношения сигнала к шуму.

Поэтому качество изоляции ушного канала очень важно для приложений, связанных с измерением звуков тела в ушном канале. Впрочем, в таких примерах, как, например, на фиг. 1, требуется, чтобы наушники были правильно установлены в ухе, чтобы обеспечивать надежную изоляцию. Поскольку это может быть выполнено неопытным пользователем, расположение часто может не быть оптимальным.

Таким образом, метод оценки качества изоляции ушного канала мог бы обеспечивать преимущества. В частности, может быть выгодным метод, обеспечивающий повышенную гибкость, упрощенное выполнение, улучшенную точность и/или более высокую эффективность.

Сущность изобретения

Таким образом, изобретение стремится предпочтительно уменьшить, облегчить или устранить один или более вышеуказанных недостатков в отдельности или в любой комбинации.

Согласно аспекту изобретения предложен способ определения показания изолирующих качеств обтуратора для ушного канала, включающий: прием сигнала микрофона от ушного микрофона, размещенного в ушном канале; генерацию первого сигнала на основе сигнала микрофона и определение показания изолирующих качеств в ответ на характеристику частотного спектра первого сигнала.

Изобретение с преимуществами может обеспечивать определение изоляции. Метод может, например, позволять приложениям, улавливающим звуки тела, обеспечивать повышенную эффективность, гарантируя достаточное качество изоляции для достаточно надежного улавливания. Метод может характеризоваться низкой вычислительной сложностью и может требовать небольшого вычислительного ресурса. Например, в цифровом исполнении для определения качества изоляции может использоваться очень низкая частота дискретизации. Фактически в некоторых вариантах осуществления может использоваться частота дискретизации до 100 Гц. Могут быть сделаны надежные оценки качества изоляции, и показания изоляционных качеств могут, например, обеспечивать надежность регистрации оцениваемых звуков тела.

Определение качества изоляции на основе характеристик частотной области может обеспечивать более точное и надежное определение качества изоляции во многих случаях.

Первый сигнал может соответствовать непосредственно сигналу микрофона и в некоторых вариантах осуществления может быть самим сигналом микрофона. В некоторых случаях первый сигнал может быть взвешенной комбинацией сигнала микрофона и второго сигнала, такой как, например, разностный сигнал между ними. Первый сигнал в некоторых вариантах осуществления может соответствовать масштабированному и/или отфильтрованному варианту сигнала микрофона. В некоторых вариантах осуществления первый сигнал может соответствовать сигналу микрофона относительно второго сигнала, такого как сигнал окружения, который представляет собой шум окружающей среды.

В некоторых вариантах осуществления показание качества изоляции может быть бинарным показанием качества изоляции. В частности, способ может просто определять, считается ли качество изоляции достаточно хорошим или нет.

В некоторых вариантах осуществления данный подход может быть применен к обоим ушам пользователя.

В соответствии с опциональным признаком изобретения показание качества изоляции определяют в ответ на изменение величины частотного спектра с частотой.

Это может обеспечивать повышенную эффективность и во многих случаях может позволить выполнять надежное определение качества изоляции. Показание качества изоляции может быть определено в ответ на характеристики, представляющие, каким образом величина частотного спектра (такая как амплитуда или мощность) изменяется в зависимости от частоты. Например, показания качества сигнала могут быть определены в ответ на сравнение (например, накопленных) величин различных частотных интервалов.

В соответствии с опциональным признаком изобретения показание качества изоляции определяют в ответ на градиент величины как функции частоты в частотном интервале.

Это может обеспечить наиболее выгодное определение показания качества изоляции во многих случаях. Градиент может, в частности, быть крутизной увеличения уровня сигнала для понижающихся частот в низкочастотном диапазоне. Например, градиент может быть определен для частот ниже 100 Гц или даже ниже 50 Гц. Частотный спектр и/или определенный градиент могут быть усредненным частотным спектром или градиентом для обеспечения более достоверной оценки.

В некоторых вариантах осуществления частотный интервал предпочтительно может иметь верхнюю предельную частоту не выше 200 Гц, 100 Гц, 70 Гц или даже 50 Гц. Предельная частота, например, может быть предельной частотой при 6 дБ или 3 дБ.

В соответствии с опциональным признаком изобретения определение показания качества изоляции включает в себя определение показания качества изоляции для регистрации увеличивающегося значения качества при растущей амплитуде градиента.

Способ может позволить специфично определять увеличение качества изоляции при увеличении величины градиента для отражения того, что эффективная изоляция имеет тенденцию обеспечивать повышенное усиление низких частот, приводя к увеличению градиента.

В соответствии с опциональным признаком изобретения показание качества изоляции определяют в ответ на сравнение уровня комбинированного сигнала в первом частотном диапазоне, имеющим верхнюю частоту, и уровня комбинированного сигнала в частотном интервале, включающем второй частотный диапазон частот, превышающих верхнюю частоту.

Это может обеспечивать надежную регистрацию качества изоляции во многих приложениях при сохранении концепции низкой сложности. Обычно может быть достигнуто низкое использование вычислительных ресурсов.

Частотный интервал может включать в себя часть или весь первый частотный диапазон, но также включает второй частотный диапазон, который не включен в первый частотный диапазон.

Таким образом, данный подход может позволить выполнять определение показания качества изоляции на основе сравнения уровней сигнала в низком (нижнем) частотном диапазоне по отношению к уровням сигнала в высоком (верхнем) частотном диапазоне. Это может обеспечивать эффективную регистрацию достигаемого обтуратором эффекта окклюзии.

Частотный интервал в некоторых вариантах осуществления может соответствовать полному диапазону звуковых частот (или даже больше). В других вариантах осуществления частотный интервал может, например, включать только те частоты, которые не включены в первый частотный диапазон.

В некоторых вариантах осуществления первый частотный диапазон может иметь по существу такую же ширину полосы, что и частотный интервал.

В соответствии с опциональным признаком изобретения верхняя частота не превышает 100 Гц.

Это может обеспечивать наиболее выгодную регистрацию эффекта окклюзии и, таким образом, качества изоляции. В некоторых вариантах осуществления верхняя частота не превышает 70 Гц или даже 50 Гц.

В соответствии с опциональным признаком изобретения второй частотный диапазон имеет верхнюю частоту не ниже 500 Гц.

Это может обеспечивать наиболее выгодный опорный уровень для оценки достигаемого эффекта окклюзии и, таким образом, качества изоляции. В некоторых вариантах осуществления верхняя частота составляет не ниже 700 Гц или даже 1 кГц.

В соответствии с опциональным признаком изобретения показание качества изоляции определяют как функцию никаких других параметров, зависимых от сигнала, нежели уровня сигнала в частотном диапазоне, имеющем верхнюю предельную частоту не выше 100 Гц.

Это может позволить выполнять очень простое определение показания изолирующих качеств и при этом обеспечивать оценку, которая может быть достаточной во многих приложениях.

Уровень сигнала может быть накопленным или средним уровнем сигнала или, например, может быть пиковым уровнем сигнала. Верхняя предельная частота, например, может быть предельной частотой при 6 дБ или 3 дБ.

В некоторых вариантах осуществления может быть выполнено определение бинарных показаний качества изоляции.

Фактически в некоторых вариантах осуществления определение показания качества изоляции включает в себя определение бинарных показаний качества изоляции, определяемых как приемлемые, если уровень сигнала в частотном диапазоне, имеющем верхнюю предельную частоту не выше 100 Гц, превышает порог, и определяемых как неприемлемые в ином случае.

Это может позволить выполнять надежное определение того, считается ли качество изоляции достаточным или нет.

Уровень сигнала может быть накопленным или средним уровнем сигнала или может, например, быть пиковым уровнем сигнала. Верхняя предельная частота может, например, быть предельной частотой при 6 дБ или 3 дБ.

В соответствии с опциональным признаком изобретения способ дополнительно включает генерацию оповещения пользователя в ответ на обнаружение показаний качества изоляции, не соответствующих критерию.

Таким образом, можно обеспечить эффективный и при этом все же простой метод, гарантирующий, что качество изоляции является приемлемым. Например, если качество изоляции определяется как приемлемое, загорается зеленый свет, а если определяется как неприемлемое, то загорается красный свет, обеспечивая, таким образом, легкопонимаемую мгновенную обратную связь с пользователем, устанавливающим наушники в уши.

В соответствии с опциональным признаком изобретения способ дополнительно включает определение характеристик движения пользователя в ответ на сигнал микрофона и определение показаний качества изоляции в ответ на характеристику движения пользователя.

Это может обеспечивать улучшенную работу и точность во многих случаях. В частности, звуки тела в ушном канале в значительной степени зависят от того, двигается ли человек или нет, и данный метод может позволять оценить это и, соответственно, компенсировать или даже интенсивно использовать.

В соответствии с опциональным признаком изобретения способ дополнительно включает установление параметров обработки сигнала микрофона в ответ на характеристику движения.

Это может обеспечивать повышенную эффективность. Например, на основе характеристики движения может быть выполнена выгодная настройка.

В соответствии с опциональным признаком изобретения способ дополнительно включает прием сигнала внешнего микрофона от микрофона, расположенного вне ушного канала, и регистрацию качества изоляции затем определяют в ответ на сигнал внешнего микрофона.

Это может обеспечивать более точное качество изоляции во многих случаях и может ослаблять или уменьшать влияние внешнего шума. В некоторых вариантах осуществления первый сигнал может быть определен в ответ на сравнение сигнала микрофона и сигнала внешнего микрофона. В частности, первый сигнал может быть разностным сигналом между сигналами двух микрофонов.

В соответствии с опциональным признаком изобретения способ дополнительно включает генерацию частотного спектра при усреднении частотных спектров множества окон.

Это может обеспечивать более надежную регистрацию качества изоляции.

В соответствии с опциональным признаком изобретения способ дополнительно включает: выполнение приложения, связанного со звуками тела, на основе сигнала микрофона, и настройку характеристик обработки приложения, связанного со звуками тела, в ответ на показания качества изоляции.

Это может обеспечивать повышенную эффективность приложений, основанных на улавливании звуков тела, и, в частности, может обеспечивать повышенную надежность. Например, для уменьшения качества изоляции может быть применена усиленная низкочастотная фильтрация сигнала микрофона. В качестве другого примера уменьшенный вес может быть применен к измерениям звуков тела, связанных с индикацией низкого качества изоляции, по сравнению с измерениями звуков тела, связанных с индикацией высокого качества изоляции.

Согласно аспекту изобретения предложено устройство для определения показания качеств изоляции обтуратора для ушного канала, включающее: вход для приема сигнала микрофона от микрофона в ушном канале; контур для генерации первого сигнала на основе сигнала микрофона и контур для определения показания качества изоляции в ответ на характеристику частотного спектра первого сигнала.

Эти и другие аспекты, признаки и преимущества изобретения будут очевидны из и описаны в отношении вариантов осуществления, описанных ниже.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления изобретения будут описаны лишь в качестве примера со ссылками на чертежи, на которых:

фиг. 1 - иллюстрация пары наушников для микрофона ушного канала;

фиг. 2 - иллюстрация элементов примера устройства для определения показания изолирующих качеств обтуратора для ушного канала в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения;

фиг. 3 - иллюстрация примера способа определения показаний изолирующих качеств обтуратора для ушного канала в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения; и

фиг. 4 - иллюстрация спектров мощности сигналов, улавливаемых микрофоном для ушного канала.

Подробное описание некоторых вариантов осуществления изобретения

Следующее описание направлено на варианты осуществления изобретения, применимые для определения качества изоляции изолированного микрофона для ушного канала и в особенности к такому обнаружению изоляции для приложения, измеряющего звуки тела в ушном канале. Впрочем, следует понимать, что изобретение не ограничивается указанным применением и может быть применено к любому приложению, в котором микрофон для ушного канала применяют вместе с изоляцией ушного канала. Следует также понимать, что данная концепция может применяться для любой потенциальной изоляции ушного канала и не требует, чтобы такая изоляция выполнялась самим микрофонным элементом.

Далее данная концепция будет описана в отношении изоляции одного уха, но необходимо понимать, что концепция может быть применена параллельно к обоим ушам. Фактически в некоторых случаях одно показание качества изоляции для обоих ушей может быть получено при комбинировании отдельных показаний качества изоляции для обоих ушей.

На фиг. 2 показан пример устройства для определения показаний изолирующих качеств обтуратора для ушного канала в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. На фиг. 3 показан пример способа определения показаний изолирующих качеств обтуратора для ушного канала в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. Способ фиг. 3 будет описан применительно к устройству на фиг. 2.

На фиг. 2 показан микрофон 201, который является микрофоном для ушного канала. Таким образом, микрофон предназначен для установки в ушной канал пользователя при использовании. В примере микрофон 201 также обеспечивает изоляцию ушного канала. Например, микрофон может быть расположен в корпусе, окруженном эластичным и гибким материалом, который может сжиматься и расширяться, обеспечивая подходящую изоляцию уха. Таким образом, когда пользователь вставляет микрофон в ухо, пользователь также блокирует или изолирует ушной канал. В зависимости от точной подгонки и размещения изоляция может быть более или менее эффективной и в некоторых случаях может обеспечивать лишь частичное блокирование или изоляцию ушного канала.

Устройство на фиг. 2 предназначено для определения показаний качества изоляции, обеспечиваемой микрофоном 201.

Необходимо понимать, что микрофон и изоляция, интегрированные в одном элементе, который просто устанавливают в ухо, обеспечивают более практичный подход, и во многих случаях обеспечивают увеличенную гибкость и удобство для пользователя. Впрочем, данная концепция может применяться в других случаях, когда, например, изоляцию обеспечивает отдельный элемент, такой как беруши.

Микрофон 201 подсоединен к входному приемнику 203, который выполняет этап 301, в котором устройство получает сигнал микрофона от микрофона 201. Сигнал микрофона, таким образом, может включать компоненты сигнала, обусловленные звуками тела, которые передаются в ушной канал вследствие проводимости костной ткани, и компоненты сигнала из внешних звуков.

Сигнал микрофона включает компоненты сигнала из звуков тела, таких как сердечные сокращения, дыхательные движения и движение пользователя (шаги, движения при ходьбе и беге или даже движения рук или головы). Такие компоненты сигнала могут использоваться во многих различных применениях, таких как, например, физические упражнения, при которых указанный сигнал может применяться для определения, например, частоты сердечных сокращений или темпа ходьбы/бега. Различные подобные алгоритмы будут известны квалифицированному специалисту, и при этом следует понимать, что данная концепция применима ко многим различным подобным применениям.

Впрочем, чтобы гарантировать точную фиксацию звуков тела, требуется, чтобы ушной канал был достаточно изолирован. Для определения этого система продолжает генерировать показания качества изоляции, которые характеризуют качество изоляции ушного канала. В частности, качество изоляции может быть бинарным показанием, которое просто указывает, считается ли изоляция приемлемой или нет.

Показание качества изоляции основано на сигнале, улавливаемом микрофоном 201, и может быть специфично определено на основе только этого сигнала. Таким образом, прибор на фиг. 2 обрабатывает улавливаемый сигнал микрофона и обеспечивает оценку степени изоляции ушного канала, которая достигается.

Приемник подсоединен к контуру предварительной обработки 205, который выполняет этап 303, который обеспечивает первый сигнал, генерируемый на основе входного сигнала. В некоторых вариантах осуществления первый сигнал может просто соответствовать сигналу микрофона, например, после некоторой фильтрации, дискретизации, усиления и т.д. В других вариантах осуществления может быть применена более сложная обработка, и первый сигнал может генерироваться в ответ на другие сигналы и может специфично генерироваться в виде разностного сигнала.

Следующее описание направлено на пример, в котором первый сигнал является по существу таким же, как сигнал микрофона (обычно усиленный до подходящего уровня сигнала).

Контур предварительной обработки 205 подсоединен к контуру преобразования частоты 207, который предназначен для выполнения этапа 305, в котором преобразование частоты применяют к первому сигналу для генерации частотного спектра. Преобразование частоты обычно может быть преобразованием Фурье, таким как быстрое преобразование Фурье (FFT).

Контур преобразования частоты 207 генерирует частотный спектр для первого сигнала и, соответственно, в данном примере генерирует частотный спектр для сигнала микрофона.

Контур преобразования частоты 207 также подсоединен к блоку оценки качества изоляции 209, который выполняет этап 307, в котором показание качества изоляции определяется в зависимости от частотного спектра.

Таким образом, в системе на фиг. 2 показание степени изоляции ушного канала генерируется на основе частотного спектра и, таким образом, на основе частотных характеристик сигнала микрофона. Фактически было обнаружено, что при оценке частотных характеристик улавливаемых сигналов микрофона может быть получено очень надежное показание качества изоляции. Соответственно, при низкой сложности все же может быть получено надежное показание качества изоляции. Это может быть достигнуто без оценки каких-либо других параметров или измерений и, соответственно, может снизить стоимость.

Данный подход может применяться для обеспечения улучшенного приложения, которое включает измерения звуков тела в ушном канале. Например, показание качества изоляции может применяться в качестве показателя надежности для измеряемых звуков тела и может применяться приложением для анализа результатов измерения. Например, в случае бинарного качества изоляции приложение может игнорировать все результаты измерения, которые сделаны, когда показание качества изоляции указывает на неэффективную изоляцию.

Во многих вариантах осуществления система может быть предназначена для генерации оповещения пользователя в ответ на показание качества изоляции. Например, звуковой сигнал может подаваться с частотой, которая зависит от качества, указываемого показанием качества изоляции. Это может помочь пользователю при установке наушника в ухе. В качестве конкретного примера, вставляя наушник, пользователь может начать процесс инициализации, в котором показание качества изоляции измеряется и используется для генерации звукового сигнала. Частота звукового сигнала является высокой, когда изоляция отсутствует, и уменьшается при повышении качества изоляции. Таким образом, пользователь просто устанавливает наушники, пока частота звукового сигнала не становится минимальной. Звуковой сигнал после этого может быть выключен.

Другие примеры включают голосовую обратную связь, условные звуковые сигналы (earcons) и акустические образы. Акустический образ в данном случае может быть, например, звуком пробки в бутылке. Такие звуки могут воспроизводиться через тот же наушник, если добавлен громкоговоритель.

Альтернативно или дополнительно оповещение пользователя может подаваться в ответ на определение того, что обнаружение качества изоляции не соответствует критерию. Например, когда показание качества изоляции указывает, что качество изоляции недостаточно, может загораться красный свет. Пользователь может при этом поправлять беруши до выключения света. В некоторых вариантах осуществления отдельные показания качества изоляции могут генерироваться для двух ушей пользователя, при этом оповещение пользователя может генерироваться отдельно для двух ушей. Например, могут использоваться два красных огня для указания, является ли изоляция каждого уха достаточной.

Следовательно, применяя описанный подход, можно анализировать изоляцию и определять, является ли изоляция достаточно хорошей для извлечения полезных данных, основанных на измерениях звуков тела в ушном канале. В противном случае пользователь может быть уведомлен таким образом, чтобы он мог вставить наушник более правильно.

Во многих вариантах осуществления частотный спектр может генерироваться во временные сегменты/интервалы. Например, первый сигнал может быть разделен на блоки из 256 импульсов, к которым может быть применено FFT. Получаемые частотные спектры затем могут быть усреднены по множеству блоков с получением частотного спектра, который оценивает блок оценки качества изоляции 209. Усреднение, таким образом, соответствует определению частотного спектра с большей продолжительностью, чем отдельный блок FFT, обеспечивая при этом определение более репрезентативного и более плавного среднечастотного спектра, а также низкую сложность и использование ресурсов по сравнению с применением меньшего FFT. Альтернативно или дополнительно некоторое сглаживание или усреднение могут быть выполнены в частотной области. Например, для одной и той же скорости дискретизации может быть выполнено 4096 импульсов FFT. Частотный спектр, поделенный на 256 элементов дискретизации, может затем генерироваться каждым элементом, являющимся средним для 16 элементов FFT дискретизации. Это может быть эквивалентно выполнению FFT с 256 точками в 16 последовательных временных интервалах и усреднению полученных спектров.

Необходимо понимать, что в различных вариантах осуществления могут применяться различные характеристики частотного спектра.

В частности, оценка может быть основана на анализе компонентов низкочастотного сигнала, присутствующих в ушном канале и поступающих либо посредством проводимости через костную ткань, либо из-за звуков, присутствующих в полости среднего уха. Что касается звуков в ушном канале, то открытый конец ушного канала приводит к свойству пропускания верхних частот. Как только ушной канал изолируют, пропускание верхних частот уменьшается и уровень звукового давления низких частот в ушном канале возрастает. Данный эффект можно измерять до 2 кГц при определенных окклюзиях. Что касается звуков тела, то увеличение уровня звукового давления является наибольшим для частот ниже приблизительно 100 Гц, что соответствует диапазону частот, в котором находятся наиболее важные элементы звуков сердца и движения. Звуки дыхания большей частью можно обнаружить между 100 Гц и 500 Гц, но обычно они значительно менее мощные, чем компоненты частоты ниже 100 Гц. В зависимости от глубины вставки окклюдирующего объекта увеличение уровня звукового давления низких частот изменяется. Для неглубоких вставок показано, что когда окклюдирующий объект помещен в часть ушного канала, который окружен мягкой тканью, увеличение является наибольшим. Глубокие вставки, когда окклюдирующий объект помещен в костистую часть ушного канала, приводят к более низкому увеличению уровня для низких частот. Материал, используемый для создания окклюзии, такой как пена с эффектом памяти (memory foam) или резина, также влияет на конечную частотную характеристику изолированного ушного канала. Помимо усиления низких частот в ушном канале изоляция эффективно ослабляет уровень внешних звуков в ушном канале и, таким образом, в сигнале микрофона для ушного канала.

Таким образом, система на фиг. 2 может, в частности, оценивать частотный спектр для определения наличия любого низкочастотного усиления.

Данный эффект может быть показан на фиг. 4, на которой показаны измерения частотного спектра микрофона для ушного канала (электретный микрофон Knowles Acoustics MB4015ASC-1 диаметром 4 мм), установленного в модифицированном наушнике Philips SHS8001 (соответствующем примеру на фиг. 1). Измерение было сделано у пользователя, сидящего на стуле без движений кроме дыхания. Измерения подтверждают, что было достигнуто значительное повышение частот ниже 100 Гц и, в частности, частот ниже 50 Гц при хорошем прилегании, то есть когда достигнута плотная изоляция. Глубина вставки наушника могла считаться неглубокой и приводила к большому увеличению уровня низких частот, как и ожидалось из статьи Stenfelt and Reinfeldt, хотя материал наушника был другим. Из-за используемого оборудования измерения могли идти до 3 Гц и демонстрировали эффект окклюзии приблизительно 48 дБ для частот ниже 20 Гц для конкретного наушника.

В качестве примера малой сложности блок оценки качества изоляции 209 может просто измерять уровень сигнала в низкочастотном диапазоне, а затем в зависимости от этого определять качество изоляции. Фактически в некоторых вариантах осуществления не нужно учитывать никакие другие параметры сигнала.

Например, в некоторых вариантах осуществления система может просто определять пиковую амплитуду, среднюю амплитуду или накопленную амплитуду (или соответствующие показатели мощности или энергии) в низкочастотном диапазоне и генерировать показание качества изоляции как их монотонную функцию. В качестве другого примера амплитуду можно просто сравнивать с порогом, при этом изоляция может считаться приемлемой, если порог превышен, и считаться неприемлемой в другом случае.

Низкочастотный диапазон предпочтительно может быть диапазоном, который не превышает 200 Гц, 100 Гц, 70 Гц или 50 Гц, в зависимости от требований и предпочтений отдельного варианта осуществления. Таким образом, верхняя предельная частота во многих вариантах осуществления предпочтительно может не превышать 200 Гц, 100 Гц, 70 Гц или 50 Гц. В случае постепенного спада предельная частота может быть определена как частота спада при 3 дБ, 6 дБ или 10 дБ. В большинстве случаев специфическая выгодная эффективность достигается для верхней частоты ниже 100 Гц.

В некоторых вариантах осуществления блок оценки качества изоляции 209 может быть, в частности, предназначен для определения бинарного качества изоляции, которое считается приемлемым, когда уровень сигнала в частотном диапазоне, имеющем верхнюю предельную частоту не выше 100 Гц, превышает порог, и считается неприемлемым в другом случае.

Во многих случаях другие параметры или особенности могут, конечно, влиять на уровень сигнала при таких низких частотах. Например, внешний шум может приводить к высоким уровням сигнала; микрофон может давать собственный шум, более интенсивный при более низких частотах, что приводит к тому, что в сигнале микрофона усилены низкие частоты даже в неизолированной конфигурации (и в тихой среде), и т.д. Впрочем, во многих применениях или случаях такие особенности могут быть компенсированы или учтены или недостаточны, чтобы быть значительными. Например, в случае тихой среды известная частотная характеристика сигнала микрофона (то есть известный частотный спектр собственного шума) и известные параметры настройки предварительного усилителя, эффекты могут быть спрогнозированы и компенсированы. Например, простое определение уровня сигнала или обнаружение порога часто достаточны, чтобы обеспечивать достаточно точное показание качества изоляции. Порог, например, подбирают с учетом прогнозируемых характеристик.

В некоторых вариантах осуществления блок оценки качества изоляции 209 предназначен для определения характеристики детектирования, которая является показателем изменения величины частотного спектра с частотой. Качество изоляции затем определяют на основе характеристики детектирования. Таким образом, во многих вариантах осуществления блок оценки качества изоляции 209 переходит к определению показания качества изоляции на основе оценки изменения величины частотного спектра с частотой.

Фактически в некоторых вариантах осуществления характеристика детектирования может соответствовать градиенту величины как функции частоты в частотном интервале. Таким образом, градиент или крутизну оценивают при определении показания качества изоляции. Частотный интервал обычно предпочтительно является низкочастотным диапазоном с верхней частотой ниже 150 Гц или же в некоторых случаях предпочтительно ниже 100 Гц, 70 Гц или даже 50 Гц.

Следовательно, блок оценки качества изоляции 209 может приступить к определению крутизны или градиента величины в низкочастотном диапазоне. Как можно заметить на фиг. 4, при хорошей изоляции присутствует очень высокая величина градиента, тогда как величина крутизны сильно уменьшается в случае менее эффективной изоляции. Показание качества изоляции, таким образом, может быть определено как характеризующее увеличение качества изоляции при возрастании величины градиента.

В качестве примера малой сложности блок оценки качества изоляции 209 может просто сравнивать градиент с порогом и решать, что качество изоляции является приемлемым, если величина градиента превышает порог, и неприемлемым, если она ниже порога.

Преимущество подхода на основе градиента состоит в том, что он менее чувствителен к абсолютным уровням сигнала и что он более точно оценивает форму частотного спектра.

Альтернативно или дополнительно показание качества изоляции может быть определено в ответ на сравнение уровня комбинированного сигнала в первом частотном диапазоне, имеющем верхнюю частоту, и уровня комбинированного сигнала в частотном интервале, включающем второй частотный диапазон выше верхней частоты.

Показание качества изоляции во многих случаях может быть предпочтительно основано на относительном определении, в котором сравнивают энергию в первом частотном диапазоне с энергией в другом частотном диапазоне, который включает более высокие частоты.

Опять же, низкочастотный диапазон предпочтительно может иметь верхнюю частоту не выше 150 Гц или же в некоторых случаях предпочтительно не выше 100 Гц, 70 Гц или даже 50 Гц.

Частотный интервал можно рассматривать как опорный диапазон, с которым сравнивают уровень низкочастотного сигнала. Фактически использование такого опорного частотного диапазона может компенсировать многие переменные параметры, такие как параметры настройки усиления предварительного усилителя, и до некоторой степени внешние шумовые сигналы (поскольку они, вероятно, не будут иметь низкочастотного усиления, сопоставимого с таким усилением при эффекте окклюзии).

Опорный частотный диапазон во многих вариантах осуществления предпочтительно может иметь верхнюю частоту не ниже 500 Гц. Фактически во многих случаях выгодно, что такие более высокие частоты включены в опорный частотный диапазон, поскольку они обеспечивают улучшенное сравнение.

В некоторых вариантах осуществления более низкая частота опорного частотного диапазона может распространяться на первый частотный диапазон, то есть он может включать низкие частоты. Например, опорный частотный диапазон может охватывать весь звуковой диапазон, то есть энергия опорной частотной полосы может просто соответствовать энергии частотного спектра в целом.

В других вариантах осуществления опорный частотный диапазон может не перекрываться с первым частотным диапазоном. Фактически в некоторых вариантах осуществления опорный частотный диапазон может быть узким опорным диапазоном в намного более высоких частотах, чем первый частотный диапазон. Он может, в частности, иметь такую же ширину полосы, как и первый частотный диапазон.

Опорный частотный диапазон в некоторых вариантах осуществления предпочтительно может иметь нижнюю частоту не ниже 500 Гц или в некоторых случаях 700 Гц или 1 кГц. Фактически во многих случаях выгодно, что в опорный частотный диапазон включены только более высокие частоты, поскольку они обеспечивают улучшенное сравнение во многих случаях.

Фактически звуки сердца обычно обнаруживаются ниже 100 Гц, а звуки дыхания обычно обнаруживаются в диапазоне между 100 Гц и 500 Гц. Описанный алгоритм обнаружения изоляции направлен на диапазон частот звуков сердца, и для высокого опорного диапазона часто может быть выгодным рассматривать частоты, которые не содержат значительные звуки тела. Поэтому может быть выгодным не включать частоты в частотный диапазон дыхания.

Необходимо понимать, что в целом может применяться много различных проектных решений для фильтров и для оценки частот.

Например, система может определять качество изоляции при сравнении минимального уровня шума, скажем, выше 800 Гц, с уровнем при частотах ниже 50 Гц. В зависимости от типа изоляции большое различие можно ожидать в отношении между теми уровнями, когда изоляция будет хорошей, по сравнению с тем, когда изоляция плохая. Это работает как в неподвижном состоянии, так и в случаях движения (включая, например, ходьбу, бег, езду на велосипеде и т. д.).

Примеры такого подхода включают, например:

Обнаружение элемента дискретизации по частоте с самым высоким значением в первых 50 Гц и деление данного значения на значение элемента дискретизации по частоте спектра вблизи 800 Гц. Интегрирование области от 0-50 Гц (например, путем суммирования элементов дискретизации по частоте) и деление полученного значения на значение, полученное при интегрировании области от 800-850 Гц.

Простое бинарное показание качества изоляции может быть определено в ответ на такие отношения энергии. Например, если отношение достаточно высокое, то изоляция является правильной, а если отношение недостаточно высокое, изоляцию можно считать недостаточной.

Как и в предыдущих примерах, частотное преобразование может быть применено к первому сигналу с генерацией частотного спектра для первого сигнала. Показание качества изоляции может быть затем определено в ответ на частотный спектр. Таким образом, частотная характеристика может быть определена по частотному спектру, а показание качества изоляции может быть определено на основе данной частотной характеристики.

Впрочем, можно отметить, что для определения частотной характеристики не требуется генерировать полный определенный частотный спектр. Например, в некоторых вариантах осуществления могут быть получены только уровни сигналов в соответствующих частотных диапазонах, используемых для определения показания качества изоляции. Это может быть сделано, например, путем фильтрации первого сигнала.

Например, показание качества изоляции может быть просто определено как соответствующее энергии сигнала в низкочастотном диапазоне. Например, низкочастотный фильтр с предельной частотой в диапазоне от 50-100 Гц может быть применен к первому сигналу, и выходной сигнал фильтра может использоваться непосредственно как показание качества изоляции, или может быть, например, сравнен с порогом для определения бинарного показания качества изоляции. В качестве другого примера фильтр высоких частот с более низкой предельной частотой, скажем, 500 Гц, может быть применен к первому сигналу для генерации уровня опорного сигнала. Показание качества изоляции может быть затем приведено в виде отношения между выходными сигналами фильтров.

В некоторых вариантах осуществления система может быть дополнительно предназначена для определения характеристики движения пользователя в ответ на сигнал микрофона. В качестве примера малой сложности система может просто оценивать, двигается ли пользователь или нет. Характеристика движения пользователя может затем учитываться при определении показания качества изоляции.

Например, показание качества изоляции может быть определено только тогда, когда характеристика движения пользователя соответствует критерию, и/или другая обработка для определения качества изоляции может использоваться в зависимости от характеристики движения пользователя.

Как правило, звук, проводимый в костной ткани, имеет в ушном канале по существу более высокий уровень в случае шагов, чем в случае звуков в результате сердечных сокращений или дыхания. Фактически обычно уровень звуков шагов по меньшей мере на 10-20 дБ громче, чем звуки сердечных сокращений, и часто на 40-50 дБ громче, чем звуки дыхания. Поэтому система может адаптировать свою работу в зависимости от того, указывает ли характеристика движения пользователя на то, что пользователь двигается или является неподвижным.

Обнаружение движения может быть основано просто на обнаружении уровня низкочастотных звуков. Таким образом, система может просто отслеживать уровень сигнала в низкочастотном диапазоне, и, если уровень превышает данный порог, можно считать, что пользователь двигается, а в ином случае пользователя можно считать неподвижным. Такое измерение может быть относительно надежным из-за значимой разности между уровнями сигнала в результате шагов и в результате сердечных сокращений или дыхания.

В более сложных вариантах осуществления характеристика движения пользователя альтернативно или дополнительно может быть определена в ответ на другие параметры. Например, система может обнаруживать отдельные структуры в сигнале временной области или частотном спектре и сравнивать их со структурами, ожидаемыми для дыхания, сердечных сокращений и шагов.

Система может быть приспособлена для установки параметра обработки сигнала микрофона в ответ на характеристику движения. Параметр обработки может быть, например, настройкой усиления, характеристикой фильтра и т. д. В частности, система может быть предназначена для выполнения регулировки усиления в ответ на характеристику движения пользователя. Таким образом, когда характеристика движения пользователя указывает на то, что пользователь двигается, усиление может быть сильно уменьшено, чтобы отразить существенно возросший уровень сигнала.

В некоторых вариантах осуществления система может включать в себя автоматический контроль усиления, который задает усиление с получением по существу постоянного уровня сигнала в низкочастотном диапазоне (например, с верхней частотой не выше 150 Гц, 100 Гц, 70 Гц или 50 Гц). Настройки усиления могут при этом использоваться для получения характеристики движения пользователя.

Система может быть выполнена таким образом, чтобы различать пользователя, находящегося в движении (идущего или бегущего), и неподвижного пользователя. Например, выходной сигнал детектора уровня сигнала можно сравнивать с порогом, чтобы отличать неподвижное состояние и состояние движения. Это может помочь различать указанные состояния при определении показания качества изоляции. Например, структуры или блоки, содержащие движение, могут обрабатываться отдельно от структур или блоков без очевидного движения. Затем спектры для обоих случаев могут быть определены, и показания качества изоляции могут быть получены для обоих случаев. Одно показание качества изоляции может быть затем получено путем усреднения или взвешивания отдельных показаний качества изоляции.

В некоторых вариантах осуществления система может быть приспособлена для компенсации акустической среды, в которой система применяется. Система может включать в себя микрофон, предназначенный для улавливания звуков внешней среды. Например, микрофон может быть расположен за пределами наушника и/или внешний микрофон может быть, например, прикреплен в другом месте на пользователе или помещен на удалении от пользователя.

Сигнал внешнего микрофона, улавливаемый микрофоном снаружи ушного канала, может затем использоваться для определения показания качества изоляции. Таким образом, система может компенсировать изменения во внешней акустической среде. Компенсация может быть динамической компенсацией, позволяющей, таким образом, адаптировать систему к текущей акустической среде.

Например, сигнал микрофона от микрофона в ушном канале 201 и от внешнего микрофона может быть соединен с контуром предварительной обработки 205, который может приступить к генерации первого сигнала как разностного сигнала между ними. Таким образом, контур предварительной обработки 205 вычитает компонент, соответствующий внешнему шуму, из улавливаемого сигнала в ушном канале. Это может быть особенно эффективно в случае применения в шумных и переменных акустических средах. Обычно сигнал внешнего микрофона можно фильтровать до вычитания из сигнала микрофона в ушном канале. Фильтрация может точно эмулировать фильтрацию, обеспечиваемую при изоляции уха наушником.

Как указано ранее, сигнал микрофона может применяться в приложении, связанном со звуками тела, в котором оценивают звуки тела, улавливаемые в ушном канале. Такие применения могут, например, включать релаксацию, физические упражнения или медицинские применения.

В некоторых вариантах осуществления система может быть приспособлена для адаптации характеристики обработки приложения, связанного со звуками тела, в ответ на показание качества изоляции. Например, показание качества изоляции можно рассматривать как показание надежности того, можно ли считать, что сигнал микрофона включает в себя звуки тела или нет. Таким образом, приложение может просто игнорировать сигнал микрофона, когда показание качества изоляции указывает, что качество изоляции является слишком низким. В качестве другого примера усреднение результатов, основанных на звуках тела, может быть взвешено согласно показанию качества изоляции.

В примерах, где отдельные показания качества изоляции генерируются для обоих ушей, соответствующие показания качества изоляции могут, например, применяться для выбора между измерениями звуков тела для двух ушей или, например, для взвешивания измерений согласно указанной надежности.

Следует понимать, что в представленном выше описании для ясности описаны варианты осуществления изобретения в отношении различных функциональных схем, элементов и процессоров. Впрочем, будет очевидно, что любое подходящее распределение функциональности между различными функциональными схемами, блоками или процессорами может применяться без умаления изобретения. Например, функциональность, выполняемая, как проиллюстрировано, отдельными процессорами или регуляторами, может быть выполнена одним и тем же процессором или регулятором. Следовательно, ссылки на определенные функциональные блоки или схемы следует рассматривать только как ссылки на подходящие средства для обеспечения описанной функциональности, а не указывающие на строгую логическую или физическую структуру или организацию.

Изобретение может быть осуществлено в любой подходящей форме, включая аппаратные средства, программные средства, программируемое оборудование или их любую комбинацию. Изобретение опционально может быть осуществлено, по меньшей мере частично, как компьютерная программа, запущенная на одном или более процессорах для обработки данных и/или процессорах для обработки цифрового сигнала. Блоки и компоненты вариантов осуществления изобретения могут быть физически, функционально и логически осуществлены любым подходящим способом. Фактически функциональность может быть осуществлена в одном блоке, во множестве блоков или как часть других функциональных блоков. Также изобретение может быть осуществлено в одном блоке или может быть физически и функционально распределено между различными блоками, схемами и процессорами.

Хотя настоящее изобретение было описано в связи с некоторыми вариантами осуществления, оно не должно быть ограничено определенной формой, представленной в настоящем описании. Предпочтительнее охват настоящего изобретения ограничивается только прилагаемой формулой. Кроме того, хотя может казаться, что признак описан в отношении конкретных вариантов осуществления, специалист, квалифицированный в данной области техники, сумеет понять, что различные признаки описанных вариантов осуществления можно комбинировать в соответствии с изобретением. В формуле изобретения термин "включающий" не исключает наличие других элементов или этапов.

Кроме того, хотя перечислено отдельно, множество средств, элементов, схем или этапов способа может быть осуществлено, например, одной схемой, блоком или процессором. Кроме того, хотя отдельные признаки могут быть включены в различные пункты формулы, они, вероятно, могут быть скомбинированы с преимуществом, при этом включение в различные пункты формулы не подразумевает, что комбинация признаков неосуществима и/или не обеспечивает преимуществ. Также включение признака в одной категории пунктов формулы не подразумевает ограничения до указанной категории, а скорее указывает, что данный признак одинаково применим к другим категориям пунктов формулы в соответствующих случаях. Кроме того, порядок признаков в формуле изобретения не подразумевает какого-либо определенного порядка, в котором они должны быть осуществлены, и, в частности, порядок отдельных этапов в заявленном способе не подразумевает, что этапы должны быть выполнены в указанном порядке. Предпочтительнее этапы могут быть выполнены в любом подходящем порядке. Кроме того, указание единственного числа не исключают множества. Таким образом, ссылки на "некоторый", "первый", "второй" и т. д. не исключают множества. Условные обозначения в формуле изобретения представлены просто в качестве примера для большей ясности и никоим образом не должны рассматриваться как ограничение объема формулы.

Изобретение относится к акустике, в частности к средствам измерения звукоизолирующих свойств обтураторов. Устройство содержит микрофон ушного канала, приемник, контур предварительной обработки, блок преобразования частоты, блок оценки качества изоляции. При этом определение показателя качества изоляции выполняется на основе Фурье-анализа с получением частотного спектра сигналов. Затем выполняется сравнение уровней сигнала в первом и втором частотных диапазонах. Показание качества изоляции вычисляется при обнаружении усиления низких частот, либо при изменении величины частотного спектра, либо при вычислении градиента измеренной величины как функции частоты. При этом в качестве тестовых сигналов используют звуки, издаваемые телом человека. В случае несоответствия измеренных характеристик установленным требованиям, формируется сигнал оповещения. Технический результат – снижение габаритных размеров устройства, повышение энергосбережения, повышение точности оценки показателей качества звукоизоляции. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения показания качества изоляции для обтуратора ушного канала, включающий в себя:

получение (301) сигнала микрофона от микрофона (201) для ушного канала, установленного в ушной канал, причем сигнал микрофона содержит сигналы, обусловленные звуками тела;

генерацию (303) первого сигнала на основе сигнала микрофона; и

определение (307) показания качества изоляции в ответ на характеристику частотного спектра первого сигнала, причем показание качества изоляции определяют в ответ на сравнение уровня комбинированного сигнала в первом частотном диапазоне, имеющем верхнюю частоту, и уровня комбинированного сигнала в частотном интервале, включающем второй частотный диапазон частот, превышающих верхнюю частоту.

2. Способ по п. 1, в котором показание качества изоляции определяют в ответ на изменение величины частотного спектра с частотой.

3. Способ по п. 2, в котором показание качества изоляции определяют в ответ на градиент величины как функцию частоты в частотном интервале.

4. Способ по п. 3, в котором определение показания качества изоляции включает в себя определение показания качества изоляции для указания увеличивающегося значения качества при увеличении амплитуды градиента.

5. Способ по п. 1, в котором верхняя частота не превышает 100 Гц.

6. Способ по п. 1, в котором второй частотный диапазон имеет верхнюю частоту не ниже 500 Гц.

7. Способ по п. 1, в котором показание качества изоляции определяют как функцию никаких других параметров, зависимых от сигнала, нежели уровня сигнала в частотном диапазоне, имеющем верхнюю предельную частоту не выше 100 Гц.

8. Способ по п. 1, дополнительно включающий в себя генерацию оповещения пользователя в ответ на обнаружение показания качества изоляции, которое не соответствует критерию.

9. Способ по п. 1, дополнительно включающий в себя определение характеристики движения пользователя в ответ на сигнал микрофона и определение показания качества изоляции в ответ на характеристику движения пользователя.

10. Способ по п. 9, дополнительно включающий в себя установление параметров обработки сигнала микрофона в ответ на характеристику движения.

11. Способ по п. 1, дополнительно включающий в себя получение сигнала внешнего микрофона от микрофона, внешнего по отношению к ушному каналу, при этом показание качества изоляции также определяют в ответ на сигнал внешнего микрофона.

12. Способ по п. 1, дополнительно включающий в себя генерацию частотного спектра при усреднении частотных спектров множества интервалов.

13. Способ по п. 1, дополнительно включающий в себя:

выполнение приложения, регистрирующего звуки тела, на основе сигнала микрофона; и

адаптацию характеристик обработки звуков тела приложением, регистрирующим звуки тела, в ответ на показание качества изоляции.

14. Устройство для определения показания качества изоляции для обтуратора ушного канала, включающее в себя:

вход (203) для приема сигнала микрофона от микрофона для ушного канала (201), причем сигнал микрофона содержит сигналы, обусловленные звуками тела;

контур (205) для генерации первого сигнала на основе сигнала микрофона; и

контур (209) для определения показания качества изоляции в ответ на характеристику частотного спектра первого сигнала, причем контур (209) для определения показания качества изоляции предназначен для определения показания качества изоляции в ответ на сравнение уровня комбинированного сигнала в первом частотном диапазоне, имеющем верхнюю частоту, и уровня комбинированного сигнала в частотном интервале, включающем второй частотный диапазон частот, превышающих верхнюю частоту.