一種通過選擇性激發(fā)和接收平板非對稱聲波實現(xiàn)的交互界面的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及人機交互領域，特別涉及一個用戶與電腦交互的觸控界面，特別涉及一個新的在平板里激發(fā)和接收超聲波的設施，該平板可用于人機交互，并附有麥克風、觸摸屏以及音響功能。
【背景技術】
[0002]觸控意即讓電腦使用者透過觸覺達至圖像應用控制的輸入技術。觸控技術可以實現(xiàn)更具個性化的人機交互方式，能夠為用戶帶來更好的應用體驗。觸控界面的展示載體通常為LCD或LED屏幕。觸摸屏為典型的應用，該應用中，用戶透過自己的手指將信息傳給機器，機器透過視覺(顯示屏)來將這個信息解釋和展示給用戶。在這個過程中，用戶的手指往往要接觸觸摸屏，通過手指在觸控屏上的位置和運動傳遞信息給機器。能讓電腦感受到物理上的觸碰的事物包括:熱力、指壓、高速攝影機、紅外線、光學感應、電阻改變、超聲波接收器，微音器、雷射波幅感應器及影子感應器等。要使用觸控技術，傳統(tǒng)裝置必需配備觸模屏或觸控版，同時需裝載可辨認手指觸碰的軟件。
[0003]根據(jù)已公布的資料，如W09611378 (Al)，W00038104 (Al)，以及 W02004055661 (Al)，存在一種根據(jù)點擊或碰撞在一個平板里產(chǎn)生的超聲波進行計算，推導(X，y)坐標值的觸控技術。此類技術通常應用在玻璃或金屬材質(zhì)上，具有四對超聲波換能器，并通常對界面的機械機構進行優(yōu)化，提高信噪比，從而收集點擊產(chǎn)生的聲波到達不同換能器產(chǎn)生的信號。此類技術往往具有相應的算法，能根據(jù)觸碰產(chǎn)生的振動波(超聲波)達到不同換能器組的時間差計算推導位置信息。此類技術可以支持多達數(shù)平方米的交互界面的設計和制造。
[0004]需要提及的是，此處及本發(fā)明提及的超聲波為觸碰產(chǎn)生的機械彈性波，在固體內(nèi)部傳遞。在物理學上，該超聲波依然是屬于聲波(acoustic waves)。
[0005]然而，目前應用此類技術的發(fā)明擁有多項不足。首先，通常交互界面的面積越大，應用此類技術的觸摸屏的精度越低，這通常是由于超聲波信息在平板里進行固體傳遞時的衰減造成。另一方面，超聲波換能器的大小，精度以及抗電磁干擾的能力，甚至電線接入的質(zhì)量，都會對此類技術的精度造成影響，從而，為了提升精度和準確性，工程設計人員往往需要在換能器外布置保護殼或通過絕緣涂層等方式減少環(huán)境因素帶來的信號污染。從而，傳統(tǒng)應用此類超聲波到達時間差技術的發(fā)明并不適合家具或建筑行業(yè)內(nèi)的工程人員直接使用。事實上，根據(jù)現(xiàn)有的文獻檢索，尚未存在一種集成了換能器后依然保持平面度的交互界面，并且該交互界面可以作為窗戶或桌面的一部分直接整合進現(xiàn)有的工作環(huán)境如雙層玻璃或餐館桌臺里。
[0006]最后，由于此類觸控平板使用平板里傳遞的機械振動超聲波來進行計算，通常其所采用的聲-電換能器，既可以作為麥克風記錄語音，也可以在加載高電壓時作為音響使用，此時平板即可作為麥克風或擴音器的振膜。然而在人機交互界面同時提供麥克風和音響功能時，會產(chǎn)生相應的干擾。眾所周知，音響功能需要大功率的輸出，而相應的發(fā)明使用的超聲波換能器會接收到音響功能輸出的振動，該振動產(chǎn)生的電信號遠遠大于點擊產(chǎn)生的信號的強度，極易造成信號飽和。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題即是解決所有上述問題，并提供相應的解決方案。本發(fā)明提供一種將點擊觸控產(chǎn)生的超聲波通過特別設計的結構，使得超聲波在平板里傳遞時會根據(jù)預先制定的傳遞路線傳遞，從而提升觸控檢測的精度和準確性。
[0008]為此，本發(fā)明設計了一種平面化的人機交互平板，該平板經(jīng)過特殊方法的加工，從而既可以提升觸控精度，亦可以在提供麥克風以及音響功能時優(yōu)化信號質(zhì)量。本發(fā)明也同時提供了一種利用平板本身振動作為音響播放的高保真方案。
[0009]為了實現(xiàn)這些目標，本發(fā)明首先建議了一種激發(fā)-接收超聲波的設施，該設施包含了一個硬質(zhì)平板，該平板可以自由振動，并連接有數(shù)個壓電陶瓷換能器。該平板的厚度，其邊緣的加工以及該平板的固有振動頻率均是本發(fā)明的核心參數(shù)。事實上，當該平板被應用于檢測一個點擊觸碰的位置時，根據(jù)信號處理的算法，我們檢測由點擊產(chǎn)生的非對稱超聲波，該點擊可以由手指，筆，硬塑料外殼，鑰匙，戒指等各類物體產(chǎn)生。為了實現(xiàn)良好的精度，我們主要關心點擊時產(chǎn)生的多頻率振動波中高頻的部分，特別是80kHz到10kHz的部分。根據(jù)實驗結果，當點擊平板的物體越大材質(zhì)越軟，觸碰產(chǎn)生的超聲波頻譜約偏向低頻，而檢測的精度越低。
[0010]本發(fā)明涉及的機械彈性振動波，或所謂超聲波的典型波長為40_，涉及平板材質(zhì)為玻璃或硬鋁。本發(fā)明涉及的壓電陶瓷換能器的尺寸需要小于波長的一半。平板材質(zhì)為玻璃時，其厚度處于0.5mm和20_之間，其邊長最高為6.8米。在此配置條件下，點擊觸碰所產(chǎn)生的機械彈性波為Lamb型超聲波。此類超聲波特點，為在我們考慮的頻率范圍內(nèi)，只存在兩種振動波傳遞模式，一種為對稱型，一種稱為非對稱型。而當平板材質(zhì)為玻璃或金屬時，非對稱型傳遞方式的超聲波的振幅遠遠高于對稱型傳遞方式下的超聲波。從而，針對非對稱型傳遞超聲波進行檢測，對于點擊觸碰的力度輕微時更有優(yōu)勢。然而，問題在于非對稱型傳遞的速度比對稱型傳遞要慢，在典型的玻璃平板應用場合下，非對稱型超聲波傳遞速度為每秒3300米，而對稱型傳遞速度為每秒5400米。
[0011]考慮到我們并不預先了解點擊觸碰的大小和方式，我們需要事先選擇兩種傳遞方式中的一種進行監(jiān)測。Lamb型超聲波的另一個特點，是其傳遞模式可以根據(jù)邊界條件進行篩選。Lamb型超聲波的傳遞，可以看做是平板內(nèi)部的一個機械彈性橫波和一個機械彈性縱波的集合?？梢杂^察到，在非對稱傳遞模式下，橫波針對平板中層面為非對稱分布，而縱波為對稱分布，而在對稱傳遞模式下則恰恰相反，縱波為非對稱分布。此種特性可以被利用來在監(jiān)測時對不同傳遞模式進行限定和篩選。我們只需將尺寸完全相同，具有完全一致規(guī)格的聲電換能器兩兩一對，分別在平板的上下表面對稱粘貼，在激發(fā)或檢測超聲波時同時檢測，可以根據(jù)電信號的疊加或相減，選擇非對稱模式或?qū)ΨQ模式下的超聲波信號強度。典型情況下，我們選擇將兩兩一對的換能器信號疊加，也就是說，增強了非對稱模式超聲波信號的同時，通過結構設計去除了對稱模式下的超聲波信號。
[0012]類似結構設計，除了將兩兩一對的換能器對稱的貼在平板的倒腳的上下表面，也可以在平板的側邊使用。而此時對加工精度的要求更高，此時平板邊緣往往需要拋光打磨，且尺寸較小對換能器的安裝精度要求更高。
[0013]在上述配置下，我們可以使用四組換能器來檢測點擊位置。每組換能器擁有兩兩相對的一組聲電換能器，分別占據(jù)平板的四個幾何頂點。平板的幾何形狀可以是正方形也可以是長方形。檢測位置的計算，通過觀察觸碰產(chǎn)生的超聲波到達不同頂點的時間差來計算。同時，此平板也具有了聲波信號的天線性質(zhì)，本發(fā)明涉及的設施可利用四組換能器以檢測非對稱模式下的聲波信號傳入平板內(nèi)的振動信號的方式，實現(xiàn)麥克風功能。從而，換能器在非對稱模式下檢測到的超聲波生成的電信號需要進行兩步處理。首先，是針對換能器采集到的信號進行編程放大，其次是根據(jù)不同的功能需求進行帶通濾波。分別是針對位置檢測也就是觸控功能，在10kHz附近的濾波，以及針對錄音功能，在0-4kHz范圍內(nèi)的模擬麥克風信號的濾波。每組換能器均可單獨提供一組錄音信號，考慮到超聲波信號達到不同換能器組的時間不同，不