專利名稱：用于聲-觸揚聲器的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
這里描述的系統(tǒng)和方法一般地涉及聲學(xué)和觸覺換能器系統(tǒng)及其驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
如今，存在對呈現(xiàn)音頻和可視數(shù)據(jù)給用戶的多媒體系統(tǒng)補充附加感官刺激的日益增長的需要。正在通過引入改進的屏幕和網(wǎng)絡(luò)能力來增強多媒體系統(tǒng)、諸如電視、便攜設(shè)備和視頻游戲。除了這些改進用戶體驗的更傳統(tǒng)領(lǐng)域之外，另一考慮的領(lǐng)域為觸覺刺激。與改進的音頻和可視效果組合，觸覺刺激可以使游戲或者電影體驗逼真和難忘得多。目前，存在能夠具體提供觸覺刺激的設(shè)備、諸如壓電換能器。這些設(shè)備必須由與用來控制音頻或者可視輸出的驅(qū)動器分離的驅(qū)動器控制。因此，它們不僅與音頻揚聲器分離， 而且它們也需要用于與多媒體系統(tǒng)的其余部件同步操作的附加部件。存在若干其他類型的提供可觸知的振動而又處理音頻信號并且生成聲音的設(shè)備、 諸如低音振動器(bass shaker)和多功能換能器。低音振動器將電音頻輸入的低音分量轉(zhuǎn)換成振動。低音振動器由如下甚低頻信號驅(qū)動，該信號使設(shè)備共振并且由此生成這些可觸知的振動。然而，這些低音振動器具有不佳的阻尼特性，這導(dǎo)致甚至在音頻/可視數(shù)據(jù)已經(jīng)結(jié)束之后的延續(xù)振動。已經(jīng)在提供音頻和觸覺刺激中獲得一些流行性的另一設(shè)備是多功能換能器 (MFT)。MFT包括連接到音圈(voice coil)的揚聲器圓錐體，以及提供磁場(線圈在該磁場中操作)的磁組件。不同于普通揚聲器，音圈和磁組件均被彈性裝配并且能夠振蕩。可以通過向音圈施加信號來驅(qū)動磁組件和揚聲器圓錐體以振蕩。磁組件由于它的質(zhì)量和它的裝配順應(yīng)性而將在用戶容易可觸知的頻率范圍內(nèi)相對低頻振蕩。雖然MFT提供音頻和觸覺刺激，但是它們的共振頻率是預(yù)定的并且在不完全分解它們的情況下難以修改。因而，存在對改進用戶與呈現(xiàn)的內(nèi)容的交互的系統(tǒng)和方法的需要。期望系統(tǒng)不從呈現(xiàn)的內(nèi)容分心。也期望系統(tǒng)易于使用、可便攜、廉價并且適合于長期使用。

發(fā)明內(nèi)容
如上文所言，存在用于提供音頻和觸覺刺激的系統(tǒng)。然而，這些現(xiàn)有系統(tǒng)不能在同時產(chǎn)生高保真度和可調(diào)振動時模仿全范圍揚聲器的保真度和音頻性能。這里描述的系統(tǒng)和方法提供這樣的聲學(xué)和觸覺換能器。特別地，這里描述的聲-觸換能器可以包括布置于揚聲器(諸如全范圍揚聲器)的振膜(diaphragm)上的質(zhì)量元件(mass element)。質(zhì)量元件可以可選地可移除并且可以具有如下質(zhì)量，該質(zhì)量被選擇成使得換能器的共振頻率落在輸入電音頻信號中存在的頻率范圍內(nèi)。該系統(tǒng)還可以包括用于將電音頻信號分成高頻和低頻部分并且放大低頻部分的控制器。在操作期間，輸入音頻信號的放大低頻部分可以與換能器的共振頻率重疊并且使它在由全范圍仰揚聲器的支承圈(spider)阻尼之時振動。特別地，在一個方面中，這里描述的系統(tǒng)和方法包括一種能夠生成聲學(xué)和觸感信號的換能器。該換能器可以包括揚聲器，該揚聲器包括振膜，被配置成將在第一頻率范圍內(nèi)具有音頻信息的電信號變換成聲學(xué)信號。換能器還可以包括附著到振膜的中心區(qū)域的質(zhì)量元件。在某些實施例中，質(zhì)量元件的質(zhì)量被選擇成使得揚聲器與質(zhì)量元件的組合的共振頻率范圍的一部分落在第一頻率范圍內(nèi)。共振頻率范圍可以從50至4000Hz。質(zhì)量元件可以可移除地附著到振膜。在某些實施例中，質(zhì)量元件粘合到振膜的中心區(qū)域。質(zhì)量元件可以從質(zhì)量的范圍約為Ig至4g的剛性材料形成。質(zhì)量元件可以從銅形成并且可以可選地是盤形。在某些實施例中，振膜的頂表面的表面面積與質(zhì)量元件的頂表面的表面面積之比約為4 :1。換能器還可以包括附著到振膜用于保持質(zhì)量元件的保持器。 在某些實施例中，換能器包括可移除地堆疊于彼此上面的多個質(zhì)量元件。換能器并且更特別地為揚聲器還可以包括附著到振膜的用于接收電信號并且響應(yīng)于電信號來移動振膜的音圈，以及附著到音圈用于阻尼音圈、振膜和質(zhì)量元件的振蕩的支承圈。揚聲器可以是全范圍揚聲器。在某些實施例中，換能器可以包括殼，該殼具有帽， 使得揚聲器和質(zhì)量元件布置于殼內(nèi)。在這樣的實施例中，振膜能夠上移至殼內(nèi)的最大高度， 并且其中質(zhì)量元件具有如下高度，該高度被選擇成使得當(dāng)振膜已經(jīng)上移至最大高度時，質(zhì)量元件在殼內(nèi)和帽以下。在某些實施例中，換能器包括控制器，該控制器連接到電信號的源和揚聲器用于劃分電信號并且用包含可聽頻率中的信息的信號和包含觸感頻率中的信息的信號中的至少一個來驅(qū)動揚聲器和質(zhì)量元件。在另一方面中，這里描述的系統(tǒng)和方法可以包括一種能夠根據(jù)具有音頻信息的電信號生成聲學(xué)和觸覺信號的換能器。該換能器可以包括商業(yè)上可用的揚聲器，該揚聲器具有布置于殼內(nèi)的音圈和振膜、能夠根據(jù)在第一頻率范圍內(nèi)具有音頻信息的電信號生成聲學(xué)信號。換能器也可以包括耦合到音圈和振膜中的至少一個的質(zhì)量元件。質(zhì)量元件可以被選擇成使得換能器具有落在第一頻率范圍內(nèi)的共振頻率。在又一方面中，這里描述的系統(tǒng)和方法可以包括一種根據(jù)具有音頻信息的電信號生成聲學(xué)和觸覺信號的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以包括換能器和控制器。換能器可以包括音圈、振膜、支承圈和質(zhì)量元件。音圈可以被配置成接收在輸出頻率范圍內(nèi)具有信息的輸出電信號。 振膜和支承圈可以耦合到音圈。質(zhì)量元件可以耦合到音圈和振膜中的至少一個，并且具有如下質(zhì)量，該質(zhì)量被選擇成使得換能器的共振頻率在輸出頻率范圍內(nèi)。在某些實施例中，控制器可以包括分路器、放大器和開關(guān)。分路器可以被配置用于接收輸入電信號，并且將輸入電信號至少分成具有第一頻率范圍的第一部分和具有第二頻率范圍的第二部分，其中共振頻率在第二頻率范圍內(nèi)。放大器可以被配置用于放大第二部分。開關(guān)可以連接到分路器和放大器，并且被配置成接收第一部分、放大的第二部分以及第一部分與放大的第二部分的組合。在又一方面中，這里描述的系統(tǒng)和方法可以包括一種根據(jù)在第一頻率范圍內(nèi)具有信息的電信號生成聲學(xué)和觸覺信號的方法。該方法可以包括提供換能器，該換能器具有布置于揚聲器的振膜上的質(zhì)量元件，其中質(zhì)量元件的質(zhì)量被選擇成使得換能器的共振頻率范圍的一部分落在第一頻率范圍內(nèi)。該方法還包括在換能器處接收電信號，并且在換能器處生成歸因于振膜的振動的聲學(xué)信號以及生成歸因于質(zhì)量元件的移動產(chǎn)生的換能器在共振頻率范圍內(nèi)的頻率的共振的觸感信號。在某些實施例中，揚聲器包括用于接收電信號的音圈，以及連接到音圈的支承圈，該方法還包括支承圈阻尼振膜的振動和質(zhì)量元件的移動。在另一方面中，這里描述的系統(tǒng)和方法包括一種制造換能器的方法，該換能器能夠根據(jù)電信號生成聲學(xué)和觸感信號。該方法包括提供具有振膜、支承圈和音圈的聲學(xué)換能器并且將質(zhì)量元件附著到振膜。在某些實施例中，質(zhì)量元件包括具有如下質(zhì)量的剛性金屬， 該質(zhì)量被選擇成使得與質(zhì)量元件組合的聲學(xué)換能器的共振頻率落在電信號的頻率范圍內(nèi)。


本發(fā)明的前述和其他目的以及優(yōu)勢將從參照附圖的以下進一步描述中得以更完全理解在附圖中
圖IA和IB描繪了根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的聲-觸換能器的側(cè)視圖和透視圖。圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的聲-觸換能器的側(cè)視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的耦合到控制器的聲-觸換能器的框圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的耦合到控制器的兩個聲-觸換能器的框圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的耦合到控制器的兩個聲-觸換能器和兩個揚聲器的框圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的與環(huán)繞音響系統(tǒng)集成的聲-觸換能器的框圖。
具體實施例方式這里描述的系統(tǒng)和方法涉及一種能夠產(chǎn)生聲學(xué)和觸覺刺激的換能器。該換能器包括布置于揚聲器的振膜上的質(zhì)量元件。質(zhì)量元件可以可選地可移除并且可以具有如下質(zhì)量，該質(zhì)量被選擇成使得換能器的共振頻率落在輸入電音頻信號中存在的頻率范圍內(nèi)。現(xiàn)在將參照某些示例實施例描述這里描述的系統(tǒng)和方法。然而，本發(fā)明并不限于這些舉例說明的實施例，提供這些實施例僅為了描述本發(fā)明的系統(tǒng)和方法而并不理解為以任何方式進行限制的目的。特別地，圖IA和IB描繪了根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的聲-觸換能器100的側(cè)視圖和透視圖。換能器100包括耦合到揚聲器101的質(zhì)量元件102。揚聲器101可以是布置于殼Iio內(nèi)的聲學(xué)換能器并且包括在磁組件112生成的磁場中懸置的音圈106。音圈106 包括某一長度的如下導(dǎo)線，該導(dǎo)線繞芯纏繞并且能夠在電流穿過引線114時生成磁場。音圈106通過支承圈108附著到殼110。揚聲器101還包括布置于音圈106上并且被配置成經(jīng)由柔性緣120耦合到殼110的振膜。振膜104能夠響應(yīng)于電信號而振動。振膜104直徑可以在0. 5英寸與4英寸之間，優(yōu)選的大小依賴于用戶的大小。薄襯墊(未示出)可以覆蓋振膜104并且布置于振膜104與用戶之間以弱化振動對用戶的沖擊。薄襯墊可以由充分彈性并且可以提供填充的任何適當(dāng)材料(諸如硅膠)制成。振膜104的外表面可以是在外表面與皮膚或者常用于衣物中的織物相抵?jǐn)R放時充分粘性以防滑移的任何適當(dāng)材料。適當(dāng)材料的例子包括合成橡膠、聚亞安酯、用來覆蓋音頻揚聲器的織物和用來覆蓋頭戴式受話器揚聲器的泡沫襯墊。表面材料通常厚度在Imm與5mm之間。襯墊可以圍繞換能器100以保護振膜104的邊緣。在操作期間，可以通過引線114向音圈106傳輸包含音頻和觸感或者觸覺信息中的至少一個的電信號(通常為寬帶振蕩信號)。流過音圈106的電流在音圈106的螺線管與磁組件112之間產(chǎn)生洛倫茲(Lorentz)力。在某些實施例中，磁組件112固定并附著到殼 110，并且因此響應(yīng)于洛倫茲力，音圈106可以開始振蕩。支承圈108可以阻尼該振蕩，使得允許揚聲器跨全頻率范圍具有高保真度。音圈106可以充當(dāng)將質(zhì)量元件102與振膜一起移動的致動器。質(zhì)量元件102有利地允許用戶通過變化質(zhì)量元件102的質(zhì)量來調(diào)整換能器100 的共振頻率。特別地，換能器可以具有位于電信號的頻率范圍內(nèi)的共振頻率范圍?？梢酝ㄟ^調(diào)整質(zhì)量元件的一個或者多個特性(包括它的質(zhì)量)來關(guān)于頻譜移動該共振頻率范圍。當(dāng)音圈106由頻率在共振頻率范圍內(nèi)的信號激勵時，換能器100將振動以產(chǎn)生觸感信號。用戶可以將換能器100與皮膚非常接近地放置以感知這些觸感信號生成的觸覺感覺。在某些實施例中，質(zhì)量元件102可以從具有高密度的剛性材料形成。替代地，質(zhì)量元件102可以僅包括非剛性材料或者與剛性材料組合的非剛性材料。非剛性材料可以包括但不限于硅。質(zhì)量元件102可以從金屬或者金屬合金形成。質(zhì)量元件102可以從銅、鎳、 銀、金、鎂、鋁和鈦中的至少一種形成。質(zhì)量元件102可以從任何適當(dāng)?shù)膭傂圆牧闲纬啥幻撾x本發(fā)明的范圍。在某些實施例中，質(zhì)量元件102可以從如下材料形成，該材料被選擇成使得質(zhì)量元件102的質(zhì)量、覆蓋區(qū)(footprint)、高度和/或體積適合于與具有預(yù)定尺寸的揚聲器101組合。在一個例子中，揚聲器101可以是商業(yè)上可用的如下?lián)P聲器，該揚聲器具有預(yù)定尺寸的振膜、音圈和殼。在這樣的例子中，質(zhì)量元件102可能需要具有特定尺寸和形狀，并且因而質(zhì)量元件102可以從用于在商業(yè)上可用的揚聲器的預(yù)定尺寸施加的約束內(nèi)提供質(zhì)量的材料形成。質(zhì)量元件100的質(zhì)量可以約為2g。在某些實施例中，質(zhì)量元件100的質(zhì)量可以從約0. Ig到約20g。在其他實施例中，質(zhì)量可以是從約Ig至約4g的范圍。質(zhì)量元件的質(zhì)量可以少于或者等于約 0. lg、0. 25g、0. 5g、lg、l. 5g、2g、2. 5g、3g、3. 5g、4g、4. 5g、 5g、10g、15g 或者 20g?！愣裕S著質(zhì)量元件102的質(zhì)量增加，換能器的共振頻率減少。因而質(zhì)量元件 102的質(zhì)量可以被選擇成在特定頻率范圍內(nèi)生成觸感信號。除了質(zhì)量元件102的質(zhì)量之外， 揚聲器101和殼110的質(zhì)量可以與換能器100的性能相關(guān)。特別地，整個換能器100的質(zhì)量可能影響共振頻率范圍內(nèi)的振動幅度。一般而言，換能器100的質(zhì)量越大，幅度就越低。一般而言，質(zhì)量元件102可以大小和形狀被修改成適合于期望的應(yīng)用。質(zhì)量元件102可以具有圓形橫截面并且可以是盤形、半球形、圓錐形或者截頭圓錐形 (frusto-conical)0質(zhì)量元件102可以具有矩形橫截面并且可以是立方形或金字塔形。在一個實施例中，質(zhì)量元件102具有與1美分硬幣的形狀和尺寸相似的形狀和尺寸。特別地， 質(zhì)量元件102可以是盤形并且直徑約為0. 75英寸(19. 05mm)而厚度約為0. 061英寸(約 1. 55mm)。一般而言，可以基于下層振膜104或者音圈106或者殼110的形狀來選擇質(zhì)量元件102的形狀。質(zhì)量元件102可以被選擇成使得它的覆蓋區(qū)(橫截面積)足夠小，從而不影響振膜的聲學(xué)特性。一般而言，質(zhì)量元件102的覆蓋區(qū)越大，換能器100產(chǎn)生的聲音的幅度就越低。因此，可能期望具有如下質(zhì)量元件102，該質(zhì)量元件102的覆蓋區(qū)小到足以使得振膜104振膜104可以產(chǎn)生可聽聲音。在一個實施例中，振膜104與質(zhì)量元件102的橫截面表面面積之比可以約為四。在某些實施例中，換能器100可以包括可選和可移除的防塵帽116。在這樣的實施例中，質(zhì)量元件102的尺寸被選擇成使得在操作期間(當(dāng)質(zhì)量元件102移向帽116和從帽 116移開時)，質(zhì)量元件102不與帽116進行接觸。在這樣的實施例中，通過換能器的殼110 的慣性振動向用戶傳輸觸感信號。在某些實施例中，換能器可以被配置成在換能器出故障或者被不正確或者不適當(dāng)?shù)厥褂脮r向用戶提供告警信號。質(zhì)量元件102可以被配置成在操作期間與帽116進行接觸。在這樣的實施例中，用戶可以與皮膚接觸地放置帽116并且可以在使用期間感受質(zhì)量撞擊帽116的內(nèi)側(cè)。這樣的觸感信號可能比其他信號更強，并且因而可能向用戶用信號發(fā)送告警。質(zhì)量元件102可以布置于振膜104的中心區(qū)域附近。質(zhì)量元件可以從振膜104上的中心區(qū)域取走。在某些實施例中，換能器100包括多個質(zhì)量元件102，它們具有相同或者不同質(zhì)量大小和形狀，在振膜104上的一個或者多個位置處堆疊于彼此之上。在一個這樣的實施例中，換能器100包括位于振膜104上的兩個或者更多位置處的多個質(zhì)量元件102。 在這樣的實施例中，換能器100可以具有不止一個可調(diào)共振頻率范圍，并且在以這些頻率中的一個或者多個頻率振動時，換能器100可以生成觸感信號。在某些實施例中，基于它們在振膜104上的位置而具有不同質(zhì)量的多個質(zhì)量元件102可以能夠除了縱向振動之外還能夠橫向振動。在這樣的實施例中，用戶可以選擇性地控制多個質(zhì)量元件102中的哪個質(zhì)量元件來共振。在某些實施例中，質(zhì)量元件102可以使用粘合劑(諸如膠水)來附著到振膜104。在某些實施例中，振膜104可以在中央?yún)^(qū)域中具有開口。在這樣的實施例中，質(zhì)量元件102可以附著到音圈106和/或附著到振膜104的包圍開口的部分。在某些實施例中，質(zhì)量元件 102可以永久地附著到振膜104和/或音圈106。在某些其他實施例中，質(zhì)量元件102可以移除地附著或者可移除地耦合到振膜104和/或音圈106。在這樣的實施例中，質(zhì)量元件 102可以通過暫時或者可移除粘合劑來附著到振膜104和/或音圈106。在其他實施例中， 質(zhì)量元件102可以附著到殼110的一個或者多個部分。在這樣的實施例中，質(zhì)量元件102 可以附著到殼的內(nèi)側(cè)或者外側(cè)部分。在一個實施例中，質(zhì)量元件包括與殼110關(guān)聯(lián)的一個或者多個部件。例如，如果振膜104直接連接(例如，粘合)到殼模塊的框架，則磁體和/或揚聲器的框架可以充當(dāng)共振質(zhì)量。因此，可以以為了向換能器系統(tǒng)提供共振質(zhì)量而選擇的方式對換能器系統(tǒng)的各種部件進行配置、成形、連接、重量設(shè)定和/或布置。在某些實施例中，如圖2中所示，質(zhì)量元件102可以經(jīng)由保持器250間接耦合到振膜104和/或音圈106。特別地，圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的聲-觸換能器 200的側(cè)視圖。換能器200可以在很多方面與圖1的換能器100相似，然而，質(zhì)量元件200 (該質(zhì)量元件可以與質(zhì)量元件100相似)使用保持器250來可移除地耦合到揚聲器101。質(zhì)量元件200可以扣(snap)入保持器250中以允許換能器200作為觸感換能器來適當(dāng)?shù)夭僮?。如期望的那樣，可以通過將質(zhì)量元件200從它的保持器250解扣來減少觸感功能。保持器250可以從任何適當(dāng)材料形成，并且大小和形狀如期望的那樣來修改而不脫離本發(fā)明的范圍。在某些實施例中，保持器250可以被配置成保持多個質(zhì)量元件102。換能器100和200可以被配置有多個質(zhì)量元件100或者200。用戶可以有利地添加或者移除一個或者多個質(zhì)量元件100或者200以調(diào)整和修改換能器的共振頻率范圍。在某些實施例中，質(zhì)量元件100或者200可以通過粘合劑來堆疊于彼此之上并且附著在一起。 在其他實施例中，質(zhì)量元件100或者200可以堆疊在一起并且扣到保持器250上。多個質(zhì)量元件100或者200中的每個質(zhì)量元件可以具有相同或者不同的尺寸、形狀、密度、質(zhì)量、材料和其他特性。一般而言，揚聲器101可以是任何音頻產(chǎn)生設(shè)備。例如，音頻揚聲器101可以是諸如擴音器、高頻揚聲器、低音喇叭、耳機、頭戴式受話器或者頸項式受話器等任何適當(dāng)音頻設(shè)備。揚聲器101和質(zhì)量元件102裝入殼110內(nèi)。如下文將參照圖3-9詳細(xì)描述的那樣， 殼110可以包圍揚聲器101、質(zhì)量元件102和/或其他處理電路。殼110可以被配置成支持用戶控制接口、諸如按鈕、開關(guān)、轉(zhuǎn)盤(dial)或者屏幕。殼110可以適于至少通過導(dǎo)線引線114附著(直接或者間接)到音頻或者觸感數(shù)據(jù)的任何適當(dāng)數(shù)據(jù)源，諸如便攜音樂設(shè)備或者視頻游戲控制臺。在另一替代實施例中，殼可以包括板載電源以及用于傳送音頻或者觸感數(shù)據(jù)的無線接收器、無線收發(fā)器和無線發(fā)射器。如前文所言，在操作期間，來自數(shù)據(jù)源的電信號使換能器100或者200生成聲學(xué)和觸感信號。在某些實施例中，控制器和/或其他處理電路可以布置于數(shù)據(jù)源與換能器100 或者200之間以增強信號。圖3是根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的耦合到控制器的聲-觸換能器的框圖。特別地，圖3示出了系統(tǒng)300，該系統(tǒng)300包括連接到控制器302的聲-觸換能器100。向控制器302中并且具體地向濾波器304中饋送包含音頻和/或觸感信號的電信號312。分路器304將信號312分成具有第一頻率范圍的第一部分314和具有第二頻率范圍的第二部分 316。觸感信息通?？梢园趥魅胍纛l信號312的低頻區(qū)域中。分路器304可以包括用于將信號312分成與第一部分314對應(yīng)的高頻部分和與第二部分316對應(yīng)的低頻部分的一個或者多個高通、低通、帶通濾波器的組合。在放大器306處放大第二部分316以產(chǎn)生放大的信號318。下文是對放大或者增強信號的低頻或者低音部分(低音增強)的更詳細(xì)描述?？刂破?00可以包括用于控制向換能器100發(fā)送的信號320的性質(zhì)的開關(guān)308。 在某些實施例中，開關(guān)308包括3路開關(guān)。在這樣的實施例中，在第一模式中，開關(guān)308可以被配置成向換能器100傳輸?shù)谝徊糠?14。在第二模式中，開關(guān)308可以被配置成向換能器100傳輸放大的第二部分318。在第三配置中，與其他處理電路310 (例如，求和電路、 放大器、晶體管、運算放大器或者類似信號組合器)結(jié)合的開關(guān)308可以被配置成傳輸兩個部分314和318的組合。開關(guān)308可以是機械式、機電式、微電機的(micromachined)、基于 MEMS的、基于集成電路(IC)的、基于硬件和/或軟件的。部件304、306或者308中的任何部件可以包括用于控制部件304、306或者308中的任何部件的操作的微處理器。在一個實施例中，在單獨IC中包括微處理器，并且微處理器控制控制器302中的一些或者所有部件。微處理器可以包括如下存儲器或者與如下存儲器對接，該存儲器被配置成存儲軟件程序、功能和/或應(yīng)用的指令。功能或者應(yīng)用可以被配置成基于存儲器(例如，計算機可讀介質(zhì))中存儲的指令控制部件304、306、308或者其他部件中的一個或者多個部件。例如，應(yīng)用可以基于檢測到的信號312、314和/或者316來動態(tài)控制開關(guān)308的切換。應(yīng)用可以例如控制分路器306或者濾波器304以設(shè)置用于濾波或者分路的頻率和/或帶寬。微處理器可以包括運行微代碼等以執(zhí)行某些功能的數(shù)字信號處理器(DSP)。這里公開的各種示例系統(tǒng)中的任何系統(tǒng)可以包括如上文描述的微處理器控制器。在一些實施例中，任何信號在任何信號處理階段可以被轉(zhuǎn)換和處理為數(shù)字信號，并且然后被轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動輸出音頻和/或觸感信號的模擬信號。開關(guān)308和處理電路310的布置是可以如何組合信號和/或向揚聲器100或者驅(qū)動器電路單獨提供信號的一個例子?？梢圆捎闷渌贾?。例如，一組開關(guān)可以用來阻止或者傳遞任一信號給揚聲器100。放大器可以用來組合信號314和318，而開關(guān)被使能或者禁用以向揚聲器100或者驅(qū)動器電路或者其他部件傳遞組合的信號。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解各種其他布置可以用來實現(xiàn)對各種信號的組合和/或選擇。在某些實施例中，傳入電音頻信號312可以是被配置成由多個換能器處理和變換成聲音的立體聲信號。圖4是根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的耦合到控制器用于處理立體聲和觸感的兩個聲-觸換能器的框圖。特別地，圖4示出了系統(tǒng)400，該系統(tǒng)400包括連接到控制器402的兩個聲-觸換能器IOOa和100b。與圖3的控制器302相似，傳入電信號312 被分成兩個部分。信號312的與觸感部分對應(yīng)的一個部分可以被放大并且可選地與音頻部分重新組合?？刂破?02還包括用于單獨驅(qū)動左換能器IOOa和右換能器IOOb的處理電路 450。上文描述的聲-觸系統(tǒng)300和400可以從各種媒體和設(shè)備接收包含音頻、觸感和其他數(shù)據(jù)的電信號。示例媒體包括音樂、電影、電視節(jié)目、視頻游戲和虛擬現(xiàn)實環(huán)境。可以提供數(shù)據(jù)并且與振動設(shè)備結(jié)合使用的示例設(shè)備包括便攜音樂播放器、便攜視頻播放器、便攜視頻游戲控制臺、電視、計算機和家庭娛樂系統(tǒng)。示例性聲-觸系統(tǒng)可以經(jīng)由耦合到導(dǎo)線的音頻插孔連接到示例性設(shè)備或者可以包含用于從配備有無線發(fā)射器的設(shè)備無線接收信號的無線接收器。與媒體設(shè)備結(jié)合使用聲-觸設(shè)備可以通過產(chǎn)生與媒體設(shè)備呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)同步的觸覺感覺來增強用戶與媒體的交互。例如，伴隨電影的聲道通常除了音樂和對白之外還具有在電影中與動作相伴的聲音、諸如關(guān)門或者爆炸。聲-觸設(shè)備通過將這些聲音變換成振動來允許用戶除了看見和聽見該動作之外還同時感受它，這可以產(chǎn)生用戶的更浸入式的體驗。當(dāng)可視數(shù)據(jù)不佳(例如，便攜設(shè)備具有小型視頻屏幕或者計算機監(jiān)視器具有相對低的分辨率)時可能尤其期望該浸入式的效果。作為另一例子，用戶對音樂的感知可以由振動設(shè)備增強，該震動身邊可以通過使用與音頻揚聲器相同的數(shù)據(jù)源來產(chǎn)生與音樂同步的觸覺感覺。體驗低頻分量(也稱為低音)可能尤其期望該增強。如上文所言，聲-觸系統(tǒng)300和400可以包括能夠處理電信號以便增強用戶感知的內(nèi)容或者允許用戶修改內(nèi)容的處理電路。處理電路的示例性功能包括選擇聲學(xué)和/或觸感信號部分、音調(diào)控制、音量控制、淡入、幅度上限、自動關(guān)機、聲道分離、相位延遲和低音增強，它們的實現(xiàn)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。音調(diào)控制允許用戶增加或者減少電信號的總頻率。音量控制允許用戶增加或者減少電信號的總幅度。淡入組件逐漸地增加電信號的開始幅度以減少振動對用戶的初始沖擊。幅度上限對電信號的幅度量值產(chǎn)生上界以防用戶體驗過度強烈的振動。自動關(guān)機將處理電路關(guān)斷以在沒有從用戶接收輸入時和在不接收電信號持續(xù)預(yù)設(shè)時間量時節(jié)能。聲道分離將立體聲或者多聲道信號分離成它的分量聲道。相位延遲關(guān)于向第一換能器發(fā)送的信號延遲向第二振動器發(fā)送的信號以向用戶給予如下印象聲音源于更接近第一換能器而不是第二換能器的位置。低音增強將電音頻信號的低音分量的幅度相對于信號的其余分量增加。
處理電路可以分離的多聲道信號的例子包括立體聲、環(huán)繞聲和多聲道觸感數(shù)據(jù)。 立體聲通常使用兩個聲道。聲道分離電路可以將立體聲兩聲道電音頻信號分離成將預(yù)期將由用戶分別從左手側(cè)和右手側(cè)體驗的左聲道信號和右聲道信號。多聲道電音頻信號(諸如在5. 1和6. 1環(huán)繞聲中使用的信號)可以類似地被分離，并且通常包含預(yù)期將由用戶從后側(cè)體驗的后聲道信號。聲道分離電路也可以分離多聲道觸感數(shù)據(jù)，諸如與視頻游戲或者虛擬現(xiàn)實環(huán)境一起使用的數(shù)據(jù)，其類似地包含預(yù)期將由用戶從具體方向體驗的數(shù)據(jù)。低音增強的多個實現(xiàn)是可能的。在一個實現(xiàn)中，在輸入處接收電信號用于向換能器和/或音頻揚聲器傳輸。低頻跨越電路可以僅濾過接收的電信號的低頻分量，該電信號的總幅度在到達換能器之前由放大器增加。另一低音增強實現(xiàn)增加低音分量而不濾除信號的其余部分。處理電路可以對接收的電信號采樣以產(chǎn)生采樣信號、調(diào)制采樣信號的音調(diào)以產(chǎn)生調(diào)制的采樣信號并且混合調(diào)制的采樣信號與接收的電信號以產(chǎn)生用于換能器的信號。音調(diào)的調(diào)制優(yōu)選地降低采樣信號的音調(diào)以增加換能器接收的信號的低音分量。用戶也可以通過使用音調(diào)控制來降低信號的總頻率來控制低音增強的程度。在某些實施例中，聲-觸換能器可以與一個或者多個揚聲器組合。在圖5和圖6 中示出了兩個這樣的實施例。圖5是根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的耦合到控制器的兩個聲-觸換能器和兩個揚聲器的框圖。系統(tǒng)500包括連接到輸入電信號源的兩個揚聲器50 和50沘。系統(tǒng)500允許用戶在通過換能器IOOa和IOOb體驗觸感效果時通過揚聲器50 和502b單獨地享受音頻。在某些實施例中，換能器IOOa和IOOb可以由電信號生成器504 單獨驅(qū)動，電信號生成器504可以與包含音頻信息的傳入信號源分離。各種信號可以在切換電路506處被切換并且驅(qū)動換能器IOOa和100b。系統(tǒng)500可以包括驅(qū)動器512和514 以及分路器和/或放大器元件508和510。如果不是大部分家庭，則為很多家庭配備用于生成將用戶包圍的浸入式環(huán)繞聲的多揚聲器系統(tǒng)。將利用包括一個或者多個使用適當(dāng)處理電路來與用于完全浸入式的娛樂體驗的傳統(tǒng)環(huán)繞聲系統(tǒng)集成的聲-觸換能器來進一步增強這樣的系統(tǒng)。圖6是根據(jù)本發(fā)明一個示例實施例的與環(huán)繞聲系統(tǒng)集成的示例性聲-觸換能器的框圖。特別地，圖6示出了一起連接到媒體源的環(huán)繞聲系統(tǒng)600和聲-觸換能器604。換能器604可以容納于用于附著到用戶身體(例如，繞著肩部或者在胸骨上)的緊湊可調(diào)殼中。換能器606可以被配置成與椅子或者沙發(fā)或者用戶與之接觸的另一件家具非常接近地定位。換能器604和606通過處理電路602連接到媒體源。處理電路602可以與上文參照圖3-5描述的處理電路相似。在某些實施例中，處理電路602可以向不同目的地發(fā)送不同信號，每個信號基于從數(shù)據(jù)源接收的電信號。不同目的地可以包括音頻揚聲器和換能器604和606 (按照它們相對于身體的位置來區(qū)分)。例如，可以向相對于身體具有適當(dāng)位置的揚聲器或者換能器傳輸通過聲道分離而生成的電信號。特別地，可以向左右中間(left-right median)平面左側(cè)的揚聲器或者振動器發(fā)送預(yù)期將從左側(cè)體驗的信號，可以向左右中間平面右側(cè)的揚聲器或者振動器發(fā)送預(yù)期將從右側(cè)體驗的信號，可以向前后冠狀平面后部的揚聲器或者振動器發(fā)送預(yù)期將從后側(cè)體驗的信號，并且可以向前后冠狀平面前部的揚聲器或者振動器發(fā)送預(yù)期將從前側(cè)體驗的信號。示例性系統(tǒng)可以包括用于接收由聲道分離處理電路生成的后聲道的后換能器。示例性軀干(torso)換能器604可以包括用于分別接收由聲道分離處理電路生成的左聲道和右聲道的左換能器和右換能器。處理電路也可以組合多個功能并且可以根據(jù)電信號的目的地向電信號應(yīng)用不同的功能集合。優(yōu)選地，向換能器發(fā)送的信號已經(jīng)經(jīng)歷低音增強。不同揚聲器和換能器也可以每個都具有用于允許用戶更靈活控制浸入式體驗的個別控制器。如圖6中所示，換能器606可以與一件家具(諸如沙發(fā)椅608)接觸或者非常接近， 該家具又可以與用戶直接接觸。類似地，換能器606可以定位于房間的可以與用戶間接接觸的另一部分中。例如，換能器606可以與房間內(nèi)的墻壁接觸地定位。在這樣的例子中，換能器606可以面向墻壁或者背向墻壁。在某些實施例中，當(dāng)換能器606背向墻壁時，聲學(xué)信號可以通過在換能器606與用戶之間的空間從換能器606向用戶傳播，而觸感信號可以通過墻壁和家具向用戶傳播。根據(jù)所期望應(yīng)用，可以選擇換能器606中的質(zhì)量元件的質(zhì)量。在某些實施例中，觸感信號從換能器606到用戶的路徑越間接，換能器606的質(zhì)量元件的所期望質(zhì)量就越大。在一個例子中，如為了在大型電影院中向用戶提供聲-觸效果而期望的那樣可以選擇大于20g的質(zhì)量。例如，在家庭影院系統(tǒng)的情況下，如果例如通過向房間內(nèi)的墻壁安裝聲觸換能器來使用間接觸感遞送方法，則范圍為0. l-20g的質(zhì)量將不適用。因為這樣的質(zhì)量范圍是基于共振模塊與用戶直接接觸(即它使用于蜂窩電話、頭戴式受話器或者KOR-fx型系統(tǒng)中)的假設(shè)。這樣的設(shè)備的質(zhì)量低到足以允許提到的小共振質(zhì)量為用戶產(chǎn)生充分強的觸感效果。 然而，對于家庭影院系統(tǒng)或者類似更大規(guī)模系統(tǒng)，那么質(zhì)量可以具有更大的大小，甚至以Kg 為單位(例如，用于電影院墻壁)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，可以在包括計算機可用和/或可讀介質(zhì)的計算機程序產(chǎn)品中實施控制器302的操作中涉及到的某些方面。例如，這樣的計算機可用介質(zhì)可以由具有存儲于其上的計算機可讀程序代碼的只讀存儲器設(shè)備組成，只讀存儲器設(shè)備諸如CD ROM 盤或者傳統(tǒng)ROM設(shè)備或者隨機訪問存儲器(諸如硬驅(qū)動設(shè)備或者計算機盤)或者閃存設(shè)備。前述實施例僅是這里描述和公開的振動系統(tǒng)的部件的各種配置的例子而并不被理解為以任何方式進行限制?？梢愿鶕?jù)前文容易推斷附加配置(包括其組合)并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)包括這樣的配置和延續(xù)?？梢圆捎脤γ枋龅膬?nèi)容的變化、修改和其他實現(xiàn)而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。特別地，上文描述或者通過引用結(jié)合的任何方法、系統(tǒng)和設(shè)備特征可以與這里公開或者通過引用結(jié)合的任何其他適當(dāng)方法、系統(tǒng)或者設(shè)備特征組合并且在設(shè)想的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種能夠生成聲學(xué)和觸感信號的換能器，包括包括振膜的揚聲器，被配置成將在第一頻率范圍中具有音頻信息的電信號轉(zhuǎn)換成聲學(xué)信號，以及質(zhì)量元件，其附著到所述振膜，其中所述質(zhì)量元件的質(zhì)量被選擇成使得所述揚聲器與所述質(zhì)量元件的組合的共振頻率范圍的一部分落在所述第一頻率范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述質(zhì)量元件可移除地附著到所述振膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述質(zhì)量元件粘合到所述振膜的中心區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述質(zhì)量元件從具有約0.Ig至20g的范圍中的質(zhì)量的剛性材料形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述質(zhì)量元件從金屬形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述質(zhì)量元件是盤形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述振膜的頂表面的表面面積與所述質(zhì)量元件的頂表面的表面面積之比約為4:1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述揚聲器還包括音圈，其附著到振膜，用于接收所述電信號并且響應(yīng)于所述電信號來移動所述振膜，以及支承圈，其附著到所述音圈，用于抑制所述音圈、所述振膜和所述質(zhì)量元件的振蕩。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，還包括保持器，其附著到所述振膜，用于保持所述質(zhì)量元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，包括可移除地堆疊于彼此之上的多個質(zhì)量元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，還包括具有帽的殼，使得所述揚聲器和所述質(zhì)量元件布置于所述殼內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的換能器，其中所述振膜能夠上移至所述殼內(nèi)的最大高度， 并且其中所述質(zhì)量元件具有如下高度，所述高度被選擇成使得當(dāng)所述振膜已經(jīng)上移至所述最大高度時，所述質(zhì)量元件在所述殼內(nèi)和所述帽以下。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中所述揚聲器是全范圍揚聲器。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，其中共振頻率范圍從2至800Hz0
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的換能器，包括控制器，連接到所述電信號的源和所述揚聲器，用于劃分所述電信號并且利用包含可聽頻率中的信息的信號和包含觸感頻率中的信息的信號中的至少一個來驅(qū)動所述揚聲器和所述質(zhì)量元件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的換能器，其中所述控制器被配置成放大包含所述觸感頻率中的信息的所述信號。
17.—種能夠根據(jù)具有音頻信息的電信號生成聲學(xué)和觸覺信號的換能器，包括商業(yè)上可用的揚聲器，具有布置于殼內(nèi)的音圈和振膜，其能夠根據(jù)在第一頻率范圍內(nèi)具有音頻信息的電信號生成聲學(xué)信號，以及質(zhì)量元件，其耦合到所述音圈和所述振膜中的至少一個，其中所述質(zhì)量元件被選擇成使得所述換能器具有落在所述第一頻率范圍內(nèi)的共振頻
18.一種根據(jù)具有音頻信息的電信號生成聲學(xué)和觸覺信號的系統(tǒng)，包括 換能器，具有音圈，被配置成接收在輸出頻率范圍內(nèi)具有信息的輸出電信號， 振膜和支承圈，耦合到所述音圈，以及質(zhì)量元件，其耦合到所述音圈和所述振膜中的至少一個，并且具有如下質(zhì)量，所述質(zhì)量被選擇成使得所述換能器的共振頻率在所述輸出頻率范圍內(nèi)；以及控制器，包括分路器，用于接收輸入電信號，并且將所述輸入電信號至少分成具有第一頻率范圍的第一部分和具有第二頻率范圍的第二部分，其中所述共振頻率在所述第二頻率范圍內(nèi)， 放大器，用于放大所述第二部分，以及開關(guān)，連接到所述分路器和所述放大器，被配置成接收所述第一部分、放大的第二部分以及所述第一部分與所述放大的第二部分的組合。
19.一種根據(jù)在第一頻率范圍內(nèi)具有信息的電信號生成聲學(xué)和觸覺信號的方法，包括提供換能器，所述換能器具有布置于揚聲器的振膜上的質(zhì)量元件，其中選擇所述質(zhì)量元件的質(zhì)量使得所述換能器的共振頻率范圍的一部分落在所述第一頻率范圍內(nèi)， 在所述換能器處接收所述電信號，在所述換能器處生成由于所述振膜的振動的聲學(xué)信號，并且生成由于所述質(zhì)量元件的移動產(chǎn)生的所述換能器在所述共振頻率范圍內(nèi)的頻率處的共振的觸感信號。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述揚聲器包括用于接收所述電信號的音圈和連接到所述音圈的支承圈，所述方法還包括所述支承圈抑制所述振膜的振動和所述質(zhì)量元件的移動。
21.一種制造換能器的方法，所述換能器能夠根據(jù)電信號生成聲學(xué)和觸感信號，所述方法包括提供具有振膜、支承圈和音圈的聲學(xué)換能器，以及將質(zhì)量元件附著到所述振膜，其中所述質(zhì)量元件包括具有如下質(zhì)量的剛性金屬，所述質(zhì)量被選擇成使得與所述質(zhì)量元件組合的所述聲學(xué)換能器的共振頻率落在所述電信號的頻率范圍內(nèi)。
全文摘要
這里描述的系統(tǒng)和方法除其他之外涉及一種能夠產(chǎn)生聲學(xué)和觸覺刺激的換能器。該換能器包括布置于揚聲器的振膜上的剛性質(zhì)量元件。該質(zhì)量元件可以可選地是可移除的并且可以具有如下質(zhì)量，該質(zhì)量被選擇成使得換能器的共振頻率落在輸入電音頻信號中存在的頻率范圍內(nèi)。系統(tǒng)和方法有利地在同時產(chǎn)生高保真度、可調(diào)和可觸知的觸感振動時受益于全范圍揚聲器的保真度和音頻性能兩者。
文檔編號H04R3/14GK102577434SQ201080025716
公開日2012年7月11日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者S.S.阿夫沙 申請人:伊默茲公司