自動轉向的方向性助聽器及其操作方法
2024-02-25 03:11:15
專利名稱：自動轉向的方向性助聽器及其操作方法
技術領域：
本發明總體上涉及助聽器，更具體地，涉及一種自動轉向的方向性助聽器及其操作方法。
背景技術：
助聽器是相對小的電子設備，聽覺障礙者使用助聽器來放大環境聲音。通過助聽器，人能夠參與會議和愉快地接收可聽信息。因此，應當正確地認為，助聽器不僅僅是醫療設備，還是一種社會必需品。所有的助聽器都具有麥克風、放大器(典型地，具有濾波器)和揚聲器(典型地， 耳機)。助聽器分為兩個主要類別模擬的和數字的。模擬助聽器比較古老，採用模擬濾波器對聲音進行整形和改善。數字助聽器是更新近的設備，使用更多的現代數位訊號處理技術來提供更高的聲音質量。助聽器有三種不同配置耳背式(BTE)、耳內式(ITE)和耳道式(ITC)。BTE助聽器最早，也最不精細。BTE助聽器纏繞在耳朵後面並且非常引人注意。然而BTE助聽器仍被廣泛使用，因為BTE助聽器不需要太小型化並因而相對廉價。BTE助聽器的尺寸還允許 BTE助聽器容納更大型且更強大的電路，從而使得BTE助聽器能夠補償尤為嚴重的聽覺損失。ITE助聽器完全放入耳朵內，但從耳道中伸出，因而仍然是可見的。儘管ITE助聽器比 BTE助聽器更貴，然而ITE助聽器很可能是當今指定的最常用配置。ITC助聽器是小型化程度最高的助聽器配置。ITC助聽器完全放入耳道內。ITC助聽器最精確也最昂貴。因此，由於小型化是對ITC助聽器的急迫挑戰，所以大多數新近的型號都趨向於在對聲音的捕獲、 濾波和放大能力方面受限制。助聽器在具有單一聲源的安靜且隔音的房間內工作效果最好。然而這基本上不能反映真實世界。大多數情況下聽力障礙者處於擁擠喧譁的地方，如，餐館、體育場、城市人行道和汽車，在這些地方有許多聲源爭奪注意力並且回聲大量存在。儘管人類大腦具有很強的區分競爭聲源的能力，然而傳統的助聽器很難做到這一點。相應地，聽力障礙者還要應付助聽器產生的雜音。
發明內容
為了解決現有技術的上述缺陷，本發明的一方面提供了一種助聽器。在一個實施例中，助聽器包括(1)方向傳感器，被配置為產生用於對用戶的注意力所指向的方向進行確定的數據；(2)麥克風，用於對在用戶處從多個方向接收到的聲音加以指示的輸出信號； (3)揚聲器，用於將電信號轉換成增強聲音；以及(4)聲處理器，被配置為耦接至方向傳感器、麥克風和揚聲器，聲處理器被配置為基於所確定的方向來疊加輸出信號，以基於接收到的聲音產生增強信號，與在用戶處接收到的聲音相比，所述增強信號具有從該方向上接收到的更高的聲音含量(content of sound)。在另一實施例中，助聽器包括⑴眼鏡框；(2)在所述眼鏡框上的方向傳感器，所述方向傳感器被配置為提供對佩戴眼鏡框的用戶的視覺注意方向加以表示的數據；(3)按照陣列布置的麥克風，所述麥克風被配置為提供對在用戶處從多個方向接收到的聲音加以指示的輸出信號；(4)耳機，將增強信號轉換成增強聲音；以及(5)聲處理器，被配置為耦接至方向傳感器、耳機和麥克風，所述聲處理器被配置為疊加輸出信號以產生增強信號，與在用戶處接收到的聲音相比，所述增強聲音具有來自視覺注意方向入射在用戶上的增加的聲音含量。本發明的另一方面提供了一種增強聲音的方法。在一個實施例中，所述方法包括 (1)確定用戶的視覺注意方向；(2)利用相對於彼此以及相對於用戶具有固定位置的麥克風，來提供對在用戶處從多個方向接收到的聲音加以指示的輸出信號；(3)基於視覺注意方向來疊加輸出信號，以產生增強聲音信號；以及(4)將增強聲音信號轉換成增強聲音，與在用戶處接收到的聲音相比，所述增強聲音具有來自所確定的方向的增強的聲音含量。
為了更完整地理解本發明，現在結合附圖來進行以下描述，附圖中圖IA是用戶的高級示意性圖示，指示了根據本發明原理而構造的助聽器的各個組件所在的各個位置；圖IB是根據本發明原理而構造的助聽器的一個實施例的高級框圖；圖2示意性地示出了圖IA的用戶、凝視點(point of gaze)和麥克風陣列之間的關係；圖3A示意性地示出了非接觸性光學眼睛跟蹤器的一個實施例，非接觸性光學眼睛跟蹤器構成了圖IA的助聽器的方向傳感器；圖3B示意性地示出了根據本發明原理構造的具有加速度計的助聽器的一個實施例；圖4示意性地示出了實質上平面的二維麥克風陣列；圖5示出了三個對應麥克風的三個輸出信號及其整數倍的延遲、以及相對於所述延遲而執行的延遲與求和波束形成；圖6示出了根據本發明原理而執行的聲音增強方法的一個實施例的流程圖。
具體實施例方式圖IA是用戶100的高級示意性圖示，指示了根據本發明原理而構造的助聽器的各個組件所處的各個位置。通常，這樣的助聽器包括方向傳感器、麥克風、聲處理器以及一個或多個揚聲器。在一個實施例中，如方塊IlOa指示的，方向傳感器與用戶100的頭部的任何部位相關聯。這使得方向傳感器可以產生頭部位置信號，所述頭部位置信號基於用戶100的頭部指向的方向。在更特定的實施例中，如方塊IlOb指示的，方向傳感器靠近用戶100的一隻或兩隻眼睛。這使得方向傳感器可以基於用戶100凝視的方向產生眼睛位置信號。備選實施例將方向傳感器定位在其他位置，所述其他位置仍使方向傳感器可以產生基於用戶 100的頭部或一隻或兩隻眼睛所指向的方向的信號。在一個實施例中，如方塊120a所指示的，麥克風位於大小適於放在用戶100的上
4衣口袋裡的隔室(compartment)內。在備選實施例中，如方塊120b所指示的，麥克風位於大小適於放在用戶100的褲子口袋裡的隔室內。在另一備選實施例中，麥克風位於靠近由方塊IlOa或方塊IlOb指示的方向傳感器的位置。前述實施例尤為適於布置成陣列的麥克風。然而，麥克風也不需要如此布置。因此，在另一備選實施例中，麥克風分布在用戶100 上的兩個或更多個位置之間或之中，包括但不限於由方塊110a、110b、120a、120b所指示的那些位置。在另一備選實施例中，麥克風中有一個或多個不位於用戶100上，而是位於用戶 100周圍，可能在用戶100所在的房間內的固定位置。在一個實施例中，如方塊120a所指示的，聲處理器位於大小適於放在用戶100的上衣口袋裡的隔室內。在備選實施例中，如方塊120b所指示的，聲處理器位於大小適於放在用戶100的褲子口袋裡的隔室內。在另一備選實施例中，聲處理器位於靠近由方塊IlOa 或方塊IlOb指示的方向傳感器的位置。在另一備選實施例中，聲處理器的組件分布在用戶 100上的兩個或更多個位置之間或之中，包括但不限於由方塊110a、110b、120a、120b所指示的那些位置。在另一備選實施例中，聲處理器與方向傳感器或麥克風中的一個或多個麥克風位於相同的位置。在一個實施例中，如方塊130所指示的，將一個或多個揚聲器置於靠近用戶100的一隻或兩隻耳朵的地方。在該實施例中，揚聲器可以是耳機。在備選實施例中，揚聲器不是耳機，而是被放置在位於用戶100身體上任何其他地方的隔室內。然而重要的是，用戶100 接收揚聲器的聲輸出。因此，不管是通過靠近用戶100的一隻或兩隻耳朵、通過骨傳導、還是通過純粹(Sheer)輸出音量，揚聲器都應與一隻或兩隻耳朵通信。在一個實施例中，向多個揚聲器中的每個揚聲器提供相同的信號。在另一實施例中，可以基於相關耳朵的收聽特性，向多個揚聲器中的每個揚聲器提供不同的信號。在另一實施例中，向多個揚聲器中的每個揚聲器提供不同的信號，以產生立體聲效果。圖IB是根據本發明原理而構造的助聽器140的一個實施例的高級框圖。助聽器 140包括方向傳感器150。方向傳感器150被配置為確定用戶的注意力所指向的方向。如圖IB所示，方向傳感器150因此可以接收頭部方向的指示、眼睛方向的指示、或兩者皆可。 助聽器140包括相對於彼此具有已知位置的麥克風160。麥克風160被配置為基於接收到的聲信號(在圖IB中稱作「原始聲音」)提供輸出信號。助聽器140包括聲處理器170。聲處理器170通過配線或以無線的方式耦接至方向傳感器150和麥克風160。聲處理器170 被配置為基於從方向傳感器150接收到的方向，來疊加從麥克風160接收到的輸出信號，以產生增強聲音信號。助聽器140包括揚聲器180。揚聲器180通過配線或無線的方式耦接至聲處理器170。如圖IB所指示的，揚聲器180被配置為將增強聲音信號轉換成增強聲音。圖2示意性地示出了圖IA的用戶100、凝視點220和麥克風陣列160之間的關係， 其中圖2將麥克風陣列160示為周期性陣列(在該陣列中麥克風160以實質上恆定間距分離)。圖2示出了圖IA的用戶100的頭部210的頂視圖。頭部210具有未加標註的眼睛和耳朵。未加標註的箭頭從頭部210指向凝視點220。凝視點220可以例如是跟用戶開會的人、用戶觀看的電視機、或用戶注意的任何其他對象。未加標註的弧線從凝視點220發出， 表示從凝視點220發出的聲能量(聲音)的波前。該聲能量與來自其他無關源的聲能量一起衝擊麥克風陣列160。麥克風陣列160包括麥克風230a，230b，230c，230d，…，230n。陣列可以是一維(實質上線性的)陣列、二維(實質上平面的)陣列、三維(立體的)陣列或
5任何其他配置的陣列。未加標註的虛線箭頭指示從凝視點220到麥克風230a，230b，230c， 230d，."JSOn上的聲能量衝擊。角度θ和識(參見圖4)將線240與線250分開，線240 與由麥克風230a，230b，230c，230d，-,230n組成的陣列的線或平面垂直線250指示凝視點220與由麥克風230a, 230b, 230c, 230d,…，230n組成的陣列之間的方向。假定由麥克 M 230a, 230b, 230c, 230d,…，230n組成的陣列的方位是已知的(可能相對於圖IB的方向傳感器150來固定這些麥克風)。圖IB的方向傳感器150確定線250的方向。從而已知線 250。因此可以確定角度θ和0。如所示的，可以基於角度θ和識來疊加來自麥克風230a， 230b, 230c, 230d, -,230n的輸出信號，以產生增強聲音。在備選實施例中，利用輔助方位傳感器(未示出)來確定由麥克風230a，230b， 230c，230d，*"，230n組成的陣列的方位，其中輔助方位傳感器可以採用位置傳感器、加速度計或其他傳統的或將來發現的方位感測機制的形式。圖3A示意性地示出了非接觸性光學眼睛跟蹤器的一個實施例，所述非接觸性光學眼睛跟蹤器可以構成圖IA的助聽器的方向傳感器150。眼睛跟蹤器利用相對於眼睛310 的角膜320而出現的角膜反射。光源330(可以是低功率雷射器)產生光，產生的光從角膜 320反射出來並衝擊某位置處的光傳感器340，該位置取決於眼睛310的凝視(角位置)。 光傳感器340 (可以是電荷耦合器件(CCD)陣列)產生取決於凝視的輸出信號。當然，還存在其他眼睛跟蹤技術並且落在在本發明的廣泛範圍之內。這樣的技術包括接觸技術或其他非接觸技術，所述接觸技術包括使用具有嵌入式反射鏡或磁場傳感器的特殊接觸透鏡，所述非接觸技術包括用放置在眼睛附近的接觸電極來測量電勢的非接觸技術，最常見的是眼動電圖(EOG)。圖3B示意性地示出了根據本發明原理而構造的具有加速度計350的助聽器的一個實施例。頭部位置檢測可以取代眼睛跟蹤或與眼睛跟蹤一起使用。可以利用例如傳統的或將來開發的角度位置傳感器或加速度計來執行頭部位置跟蹤。在圖3B中，加速度計350 併入或耦接至眼鏡框360。麥克風160同樣可以併入或耦接至眼鏡框360。嵌入眼鏡框360 中或眼鏡框360上的導體(未示出)將將速度計350耦接至麥克風160。儘管圖3B中未示出，然而圖1的聲處理器170同樣可以併入或耦接至眼鏡框360，並且通過配線耦接至加速度計350和麥克風160。在圖3B的實施例中，配線從眼鏡框360引導至揚聲器370，揚聲器370可以是位於一隻或兩隻耳朵附近的耳機，允許揚聲器370將聲處理器產生的增強聲音信號轉換成增強聲音並傳遞至用戶耳朵。在備選實施例中，揚聲器370無線地耦接至聲處理器。參考圖3B，根據本發明原理而構造的助聽器的一個實施例包括眼鏡框；方向傳感器，耦接至眼鏡框，並被配置為確定用戶的注意力所指向的方向；麥克風，耦接至眼鏡框， 被布置成(例如，周期性)陣列，並且被配置為基於接收到的聲信號來提供輸出信號；聲處理器，耦接至眼鏡框、方向傳感器和麥克風，並被配置為基於所述方向來疊加輸出信號，以產生增強聲音信號；以及耳機，耦接至眼鏡框，被配置為將增強聲音信號轉換成增強聲音。圖4示意性地示出了實質上平面的規則二維mXn麥克風陣列160。陣列中的各個單獨麥克風表示為230a-l，…，230m-n，並且在中心以水平間距h和垂直間距ν分開。在圖4的實施例中，h和ν不相等。在備選實施例中，h = v。假定來自各個源(包括圖2的凝視點220)的聲能量衝擊由麥克風陣列160，現在將描述一種技術的實施例，該技術疊加輸出信號，以相對於從其他源發出的聲能量，來提高從凝視點220發出的聲能量。參考由麥克風230a-l，230a-2，230a-3產生的三個輸出信號來描述該技術，應理解，可以使用該技術來疊加任何數目的輸出信號。在圖4的實施例中，已知麥克風230a_l，…，230m-n的相對位置，這是因為這些麥克風在中心點以已知的水平間距和垂直間距分開。在備選實施例中，可以通過使聲能量從已知位置發出或確定發出聲能量的位置(可以利用攝像機來實現)、利用麥克風來捕獲聲能量、以及確定聲能量相對於每個麥克風所延遲的量(可以通過對嘴唇移動與所捕獲的聲音進行相關來實現)，來確定麥克風的相對位置。因此可以確定正確的相對延遲。當麥克風位置是非周期的(即，不規律的)、任意的、改變的或未知的時，該實施例是尤為有利的。在附加實施例中，無線麥克風可以取代麥克風230a-l，…，230m-n或與麥克風230a-l，…， 230m-n相結合使用。圖5示出了三個對應麥克風230a-l，230a-2，230a-3的三個輸出信號及其整數倍的延遲、以及相對於所述延遲而執行的延遲與求和波束形成。為了易於表達，僅示出了輸出信號的特定瞬變，這些瞬變被理想化為具有固定寬度和單位高度的矩形。對這三個輸出信號分組。從麥克風230a-l，230a-2，230a-3接收到的信號包含在組510中，表示為510a、 510b、510c。信號在時間延遲之後但在疊加之前包含在組520中，表示為520a、520b、520c。 信號在被疊加以產生單個增強聲音信號之後表示為530。信號510a包含瞬變540a，表示從第一源接收到的聲能量；瞬變540b，表示從第二源接收到的聲能量；瞬變540c，表示從第三源接收到的聲能量；瞬變540d，表示從第四源接收到的聲能量；瞬變540e，表示從第五源接收到的聲能量。信號510b還包含對從第一源、第二源、第三源、第四源和第五源發出的聲能量加以表示的瞬變(其中最後一個出現的太晚以至於不能落在圖5的時間範圍內)。同樣，信號 510c包含對從第一源、第二源、第三源、第四源和第五源發出的聲能量加以表示的瞬變(同樣，最後一個落在圖5之外)。儘管圖5中並沒有示出這一點，然而可以看出，例如在第一輸出信號510a、第二輸出信號510b和第三輸出信號510c中出現的瞬變540a以恆定的延遲分開。同樣，在第一輸出信號510a、第二輸出信號510b和第三輸出信號510c中出現的瞬變540b以另一恆定的延遲分開。對於其餘瞬變540c、540d、540e情況也是如此。返回參考圖2，這是由於來自不同源的聲能量在不同但相關的時刻衝擊麥克風，所述聲能量取決於接收聲能量的方向。聲處理器的一個實施例通過將輸出信號相對於彼此而延遲來利用這種現象，使得從特定源發出的瞬變建設性地彼此加強，以產生實質上更高的(增強的)瞬變。延遲基於從檢測傳感器接收到的輸出信號，即，延遲所基於的角度θ的指示。以下等式使延遲與麥克風水平間距和垂直間距以及麥克風中繼的水平間距和垂直間距有關
, J(h sin θ cos φ)1 + (ν sin θ sin φ)2 α =—-
K其中，d是延遲，聲處理器向陣列中的每個麥克風的輸出信號應用所述延遲的整數倍，識是圖2中的線250在陣列平面上(例如，球坐標表示)的投影與陣列軸的角度，Vs是聲音在空氣中的正常速度。在一維(線性)麥克風陣列的情況下，h或ν可以被看作是零。在圖5中，假定在第一輸出信號510a、第二輸出信號510b和第三輸出信號510c中出現的瞬變540a表示從凝視點(圖2中的220)發出的聲能量，並假定所有其他瞬變都表示從其他無關源發出的聲能量。因此，要做的是延遲輸出信號510a、510b、510c，使得瞬變 540a建設性地加強，並實現波束形成。因此，組520示出了相對於在組510中的對應信號延遲了時間2d的輸出信號520a，並且組520示出了相對於在組510中的對應信號延遲了時間 d的輸出信號520b。在疊加之後，增強聲音信號530中的瞬變540a(理想地)已經有三個單位高，因此相對於其他瞬變540b、540c、540d顯著增強。括號550指示增強的裕度(margin)。應注意， 儘管可以發生其他瞬變的一些伴隨增強(即，括號560)，然而這種伴隨增強在幅度和持續時間上都不顯著。圖5的示例可以適於助聽器，在所述助聽器中，麥克風並沒有布置成具有規則間距的陣列；d可以針對每個輸出信號而不同。還應理解，助聽器的一些實施例可能需要某種校準，以適合具體用戶。這種校準可以包括如果助聽器使用一個則調節眼睛跟蹤器，調節揚聲器音量，以及如果麥克風沒有被布置成具有規則的單個或多個間距的陣列則確定麥克風相對於彼此的位置。圖5的示例假定凝視點與麥克風陣列足夠遠，使得該凝視點位於陣列的「夫琅和費區」內，因此從所述凝視點發出的聲能量的波前可以被看做基本上是平坦的。然而，如果凝視點位於陣列的「菲涅耳區」內，則從所述凝視點發出的聲能量的波前將表現出可察覺的彎曲。為此，應當對麥克風應用的時間延遲不會是單個延遲d的多倍。此外，如果凝視點位於「菲涅耳區」內，則可能需要直到麥克風陣列相對於用戶的位置。如果助聽器體現在眼鏡框中，則該位置將是已知且固定的。當然，可以使用諸如輔助定向傳感器等其他機制。圖5所示實施例的備選實施例採用濾波器、延遲以及求和處理，而不是延遲與求和波束形成。在濾波器、延遲以及求和處理中，對每個麥克風應用濾波器，使得濾波器的頻率響應之和在期望的關注方向上總計達到單位一。由於這種約束，選擇濾波器以試圖抑制每個其他聲音。圖6示出了根據本發明的原理而執行的聲音增強方法的一個實施例的流程圖。該方法以開始步驟610為開始。在步驟620，確定用戶注意所指向的方向。在步驟630，使用具有已知的相互位置的麥克風，來提供基於接收到的聲信號的輸出信號。在步驟640，基於該方向來疊加輸出信號，以產生增強聲音信號。在步驟650，將增強聲音信號轉換成增強聲音。該方法在結束步驟660結束。本發明所屬領域的技術人員應清楚，在不脫離本發明的範圍的前提下，可以對上述實施例進行其他另外的添加、刪除、替換和修改。
權利要求
1.一種助聽器，包括方向傳感器，被配置為產生用於確定用戶的注意力所指向的方向的數據； 麥克風，用於提供對在用戶處從多個方向接收到的聲音加以指示的輸出信號； 揚聲器，用於將電信號轉換成增強聲音；以及聲處理器，被配置為耦接至所述方向傳感器、所述麥克風以及所述揚聲器，所述聲處理器被配置為基於所述確定的方向來疊加所述輸出信號，以基於所述接收到的聲音來產生增強信號，與在用戶處接收到的聲音相比，所述增強信號具有從所述確定的方向接收到的更高的聲音含量。
2.根據權利要求1所述的助聽器，其中，所述方向傳感器是眼睛跟蹤器，所述眼睛跟蹤器被配置為提供對用戶凝視的方向加以指示的眼睛位置信號。
3.根據權利要求1所述的助聽器，其中，所述方向傳感器包括加速度計，所述加速度計被配置為提供對用戶頭部的移動加以指示的信號。
4.根據權利要求1所述的助聽器，其中，所述麥克風被布置成實質上線性的一維陣列。
5.根據權利要求1所述的助聽器，其中，所述麥克風被布置成實質上平面的二維陣列。
6.根據權利要求1所述的助聽器，其中，所述聲處理器被配置為對每個所述輸出信號應用延遲的整數倍，所述延遲基於凝視方向與垂直於所述麥克風的線之間的角度。
7.根據權利要求1所述的助聽器，其中，所述方向傳感器併入眼鏡框中。
8.根據權利要求7所述的助聽器，其中，所述麥克風和所述聲處理器也併入所述眼鏡框中。
9.根據權利要求1所述的助聽器，其中，所述麥克風和所述聲處理器位於隔室內。
10.根據權利要求1所述的助聽器，其中，所述揚聲器是無線耦接至所述聲處理器的耳
全文摘要
一種助聽器以及一種增強聲音的方法。在一個實施例中，該助聽器包括(1)方向傳感器，被配置為產生用於確定用戶的注意力所指向的方向的數據；(2)麥克風，用於提供對在用戶處從多個方向接收到的聲音加以指示的輸出信號；(3)揚聲器，用於將電信號轉換成增強聲音；以及(4)聲處理器，被配置為耦接至方向傳感器、麥克風以及揚聲器，所述聲處理器被配置為基於所確定的方向來疊加輸出信號，以基於接收到的聲音來產生增強信號，與在用戶處接收到的聲音相比，所述增強信號具有從該方向接收到的更高的聲音含量。
文檔編號H04R25/00GK102165795SQ200980137964
公開日2011年8月24日 申請日期2009年9月21日 優先權日2008年9月25日
發明者託馬斯·L·馬則塔 申請人:阿爾卡特朗訊美國公司