技术领域
[0001] 本
发明涉及一种设备，该设备具有麦克
风和扬声器或换能器(transducer)以及处理装置，该处理装置用于对来自麦克风的音频
信号和用于换能器的
音频信号进行处理。具体地，
电子设备尤其是移动设备用作若干
触摸屏的
用户界面，触摸屏的用户界面在过去数年间已经彻底改变了市场。超声手势控制能够添加另一界面，该界面针对触摸屏不可靠的使用情况进行补充。这适用于医药环境以及用于室外用途，在此仅举两个示例。本发明提出针对超声发送和接收信号进行不同的
信号处理，从而不产生听觉假象(audible artifact)。
背景技术
[0002]
超声波是
频率高于人类听觉的声音，并且起始约16kHz并
覆盖上述
频率范围。用于手势控制的超
声换能器可以是能够产生合适声压级以基于所反射的超声信号计算物体位置的任何超声换能器。现有超声换能器产生在其共振频率内或接近该频率(例如在30kHz到50kHz的范围内)的高声压。
[0003] 由于移动设备已包括用于音频频率的换能器和麦克风，其旨在使用该换能器来产生
超声波，并使用该麦克风来捕获所反射的、用于手势控制的超声波。如图1所示，采用声纳技术的现有方案使用线性调频信号(chirp signal)作为超声信号。使用针对音频信号频率区域优化后的现有换能器的
缺陷之一是：当在超声频率区域内驱动时的低效率。超声信号的高驱动
电压必须被馈送到换能器，以实现可接受的声压。这可能在可听频率范围内生成假象。
[0004] 首先，需要考虑到超声信号的整体
频谱。图3揭示了以100Hz的重复率通过若干高能超声扫描(线性调频)的典型时间信号。鉴于该重复率，整体频谱清楚地包含可听范围内的
能量。虽然纯超声换能器并未检测出该能量，但是同时用于可听和超声频率范围的换能器能够检测出该能量。
[0005] 其次，高驱动电压能够产生高度受压(stressed)部件，该部件因而展现出非线性行为。这进而将在可听频率区域内产生非线性假象。
[0006] 当超声换能器具有在超声频率区域内的其共振频率和人可听声频区域内的仅差声压(poor sound pressure)时，使用针对超声频率优化后的超声换能器不会发生听觉假象的问题。
[0007] 问题发生，找出如下方法，其使用将针对可听声音频率优化后的移动设备的换能器作为针对超声波的换能器，以使得能够进行手势控制，而没有听觉假象的缺陷。
发明内容
[0008] 本发明的目的是，当使用用于手势控制的移动设备的换能器时，解决听觉假象的问题。新的移动设备包括改进的处理装置，以使用噪声信号作为超声信号。鉴于噪声信号的低峰值因数(crest factor)，在可听频率区域内，处理噪声信号并未产生失真和非线性假象。所发明的处理装置进一步连续地调整滤
波长度，以计算用于更好的手势控制的、所发送与所接收的超声波之间的相关，如下面用本发明的实施方式解释的。
[0009] 根据本发明的一方面，提供了一种音频装置，所述音频装置包括：音频换能器，所述音频换能器能够在人类可听范围和超声波范围内传输声音；麦克风，所述麦克
风能够在所述人类可听范围和所述超声波范围内检测声音；以及信号处理器，所述信号处理器用于处理要传输给所述音频换能器的信号，并用于处理从所述麦克风接收到的信号，所述信号处理器包括：超声信号发生器，所述超声信号发生器被配置为生成被馈送到所述音频换能器的超声信号；以及超声信号处理器，所述超声信号处理器被配置为接收并处理由所述麦克风检测到的超声信号，其中，所述超声信号发生器被配置为生成超声信号，该超声信号是固定的噪声信号，所述超声信号最小化由于由所述音频换能器进行的声音再现的非线性而导致的人类可听见的听觉假象，所述信号处理器被配置为，将馈送到所述音频换能器的超声信号与由所述麦克风检测到的超声信号进行比较，并计算物体相对于所述音频装置的距离和移动。
[0010] 根据本发明的另一方面，提供了一种利用超声波来检测物体相对于音频装置的相对位置与移动的方法，所述音频装置包括音频换能器、麦克风以及信号处理器，所述方法包括如下步骤：由所述信号处理器生成超声信号，该超声信号是固定的噪声信号，所述超声信号最小化由于由所述音频换能器进行的声音再现的非线性而导致的人类可听见的听觉假象；将所生成的超声信号从所述信号处理器传输到所述音频换能器；基于所生成的超声信号，由所述音频换能器广播超声波；由所述麦克风检测由距所述音频装置一距离的外部物体所反射的超声信号；基于所产生的超声信号和所反射的超声信号，由所述信号处理器计算所述外部物体相对于所述音频装置的位置。
[0011] 在阅读如下描述和所附
权利要求并查阅
附图后，本发明的上述和其它方面、特征、细节、应用、以及优点将是显而易见的。
附图说明
[0012] 在附图和
从属权利要求中示出了本发明的其它实施方式。现通过附图来详细地解释本发明。在附图中：
[0013] 图1示出了能够进行手势控制的移动设备的示意性
框图。
[0014] 图2示出了在声纳技术所使用的现有线性调频信号。
[0015] 图3示出了用于手势控制的图2的一系列现有线性调频信号。
[0016] 图4A和图5A示出了用作用于手势控制的超声信号的不同噪声信号的时间
帧。
[0017] 图4B和图5B示出了从物体反射的所捕获的超声信号。
[0018] 图4C和图5C示出了超声信号与用于手势控制的所捕获的超声信号的相关的结果。
具体实施方式
[0019] 本文描述了不同装置的不同实施方式。阐明了若干具体细节，以便于充分理解如
说明书所述的和附图所示的实施方式的整体结构、功能、生成、以及使用。然而，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式可以在没有这些具体细节的情况下得以实现。在其它示例中，没有详细介绍公知的操作、部件和元件，从而不会使本说明书中这些实施方式变得不清楚。本领域技术人员应当理解的是，本文描述和例示的实施方式是非限制性示例，因此应当理解的是，在此公开的特定结构性和功能性的细节可以是代表性的，并且没有必要限制这些实施方式的范围，其范围仅由所附权利要求限定。
[0020] 在整个说明书中，参照“各个实施方式”、“某些实施方式”、“一个实施方式”或“实施方式”是指，结合实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因而，短语“在各个实施方式中”、“在某些实施方式”、“在一个实施方式”或“在实施方式”等在整个说明书中多个地方出现不必是都指相同实施方式。此外，具体特征、结构、或特性可以以任何合适方式组合到一个或多个实施方式中。因而，结合一个实施方式例示或描述的具体特征、结构、或特性可以全部或部分地结合一个或多个其它实施方式的特征、结构、或特性，而没有限制，只要这种结合不是不合逻辑或无功能性的即可。
[0021] 图1示出了具有扬声器或换能器2和麦克风3以及处理装置4的移动设备1的简单的示意性示例。处理装置4被构建为，处理从麦克风3接收到的音频信号，并处理要被馈送到换能器2的音频信号，以例如使得能够进行使用作为移动设备1的
移动电话的通话。处理装置4还被构建为，向换能器2提供超声信号5，以产生频率高于人类听觉的超声波6。超声波6在如手7的物体上被反射，并且所反射的超声波8被麦克风3捕获，该麦克风3将所捕获的超声信号9提供给处理装置4，用于进一步处理。处理装置4可以包括用于处理音频和
数字信号的本领域中已知的部件，包括：
数模转换器、超声信号源、低通
滤波器、
音频信号处理器、超声信号处理器、
数字信号处理器(DSP)、和/或音频处理器控制。
[0022] 公知技术是，通过计算超声信号5和所捕获的超声信号9之间的运行时间差，来检测物体的距离和/或移动。这通过对这两个信号相关处理并检测所得信号内的峰值P来实现，如下所解释的，在图4C和图5C中可以看到。
[0023] 图2示出了在声纳技术内所使用的所谓“线性调频”，以将作为超声信号的“线性调频”馈送到超声换能器中。具有幅度A的线性调频信号S随时间t以相当低的频率开始，该频率随时间而增加或反之亦然。使用线性调频代替脉冲的益处之一是更低的峰值系数(crest factor)，其是最大幅度与均方根(root means square)幅度之间的比率，针对
正弦波为1.414。信号的峰值系数越高，谐波越多，并且在如换能器2中的非理想信道中产生了倍频(overtone)。另一方面，低峰值系数意味着，在所需区域内发现了大多数信号能量，因此系统有效地工作。
[0024] 图3示出了在周期T之后具有线性调频信号S的线性调频行列CT。这是在现有系统中的超声信号5被构成，以检测从物体反射的超声信号5的运行时间的典型方法。对于线性调频信号S的该线性调频行列CT，峰值系数增加到大约4。如果该线性调频行列CT将用于移动设备1以检测手7的手势，则将出现如下重大缺陷：
[0025] ·重复率1/T是人类可听见的，并将由用户确认为令人烦恼的听觉假象。
[0026] ·如果不应改变重复率，则鉴于更小的间隙，当以最大功率(平均的、热限制)驱动时，任何进一步的SNR改进需要将信号改变为更长的线性调频，从而降低输出功率。
[0027] ·功率效率并非优于正常分布的随机噪声。
[0028] 所发明的处理装置4被构建为，产生或从
存储器读出具有如图4A和图5A所示的噪声信号的信号形式的超声信号5，并将该超声信号5馈送到换能器2。该超声信号5是超声的向量，进而是时域内具有固定信号形状的、带宽有限的噪声，因此为具有特定长度(～1/帧率)的处理装置4所知，超声信号5可以以不可听的方式(零相交)进行重复。
[0029] 图4B和图5B示出了从手7反射的、所捕获的超声信号9，该超声信号9用于使用图4A和图5A所示的超声信号5对其进行相关处理。相关处理的结果可以在图4C和图5C中看到，且峰值P标记了对两个信号5和9进行相关处理的示例。处理装置4还被建造为，基于这些检测出的峰值P，计算距手7的距离和手7的移动，并使用该信息来使得能够进行用于移动设备1的手势控制。
[0030] 如从图4C和图5C可以看出的，反射出现的计算出的峰值与信号5和9中噪声之间的比率(SNR)，针对所捕获的超声信号9中的相当差的
信噪比，给出为～20dB。SNR＝0dB将意味着，信号同样地包含不必要的噪声和所捕获的超声信号9。
[0031] 如果由于恶劣的反射情况，进一步增加不需要的噪声，则系统将以-12dB的SNR结束，这意味着处理装置4较所需要的所捕获的超声信号9得到多达四倍的不需要的噪声。为了应付这种恶劣的信号状况，所发明的处理装置4更新滤波长度，从而从所捕获的超声信号9中挑选出更多相关处理特征，如可以从图5中的示例看出的。以这种方式应付恶劣的反射情况，发生检测的所得SNR仍然是+20dB。
[0032] 这是基于如下原则，即，如果较弱的所捕获的超声信号9被接收并覆盖有较多噪声，其仍然使得能够进行良好手势检验导致恶劣的反射情况，则必须增加滤波长度或用作超声信号5的固定噪声信号的长度。另一方面，如果较强的所捕获的超声信号9被接收并覆盖有较少噪声，其使得能够进行
反应性更强的且时间准确的手势控制，则处理装置4减少滤波长度或用作超声信号5的固定噪声信号的长度。
[0033] 使用固定的噪声信号作为超声信号产生三个主要优点：
[0034] ·超声诱发的非线性假象的不可听性。
[0035] ·基于信噪比的具有调整的滤波长度的适应性功率管理。
[0036] ·当被驱动到极限(例如
涡流)时，鉴于麦克风的压缩倾向的更高效率。
[0037] 最后，应该指出的是，本发明不局限于上述提及的实施方式和示例性工作示例。进一步的开发、
修改和组合也在
专利权利要求的范围内，并且在阅读了本公开的本领域技术人员的理解中。相应地，在此描述和例示的技术和结构应被理解为仅用于说明和示例，而不是限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求所界定，该范围包括在提交该
申请时已知的等同物与可预见的等同物。
