耳機裝置的製作方法
2023-09-18 09:54:00
專利名稱：耳機裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有檢測頭轉動角功能的耳機裝置。
一般講，伴隨諸如一個運動圖象之類圖象的語音信號的記錄是這樣假定的，由安排在圖象兩側的揚聲器重放。這就導致在圖象中的聲源和實際聽到的聲象位置間的重合，因此建立了圖象和語音間的自然定位位置。
然而，如果使用通常的耳機裝置欣賞那種語音，在收聽者的頭部定位聲象，而且聲象位置定位變得極不自然，這是由於圖象方向與聲象定位的位置不重合。諸如音樂聲之類的僅語音的欣賞的情形下，如果由於聽到的聲音似乎從收聽者的頭上發出，這表現出極不自然的現象，這有別於揚聲器重放的情況。
為了克服這種不便，有一種公知的方法，產生等效於揚聲器重放的聲場，從位於收聽者兩耳前面的揚聲器來的脈衝響應被測量或計算和該脈衝響應在語音信號中由如FIR濾波順之類的數字濾波器被旋轉，以致通過耳機裝置收聽。雖然在收聽者頭的外面定位聲象，前面的聲象仍定位在收聽者頭部的範圍或者側面，以致不能克服這種不自然的問題。如果聲音伴隨圖象，聲象的運動同步於頭的運動，因此，產生了聲象方向和聲音方向之間的偏離，和因此出現了極不自然的聲象定位。
有一種公知的方法，用這種方法可以檢測收聽者的頭的運動，和為了自始至終相對收聽的環境定位聲象的方向，因此隨時要刷新數字濾波器的係數。數位訊號處理器具有諸如FIR濾波器那樣的數字濾波器。用這種方法，聲象不位於使用者頭的範圍，而且很象由位於前面的揚聲器重放的聲象的聲象可以實現。每當使用者的頭做微小的運動時，在這種情況下有必要刷新係數。因此需要極大量的＂與或＂式(sum-of-product)處理器和存儲器。
還有一種避免在順序刷新該係數中存在的複雜性的公知方法，根據這種方法，數字濾波器的係數固定為在預定方向上的頭的傳輸函數的數據，和用時差負載裝置和電平差加法裝置對所有的輸入信號完成頭運動的校正。這種方法能夠取消順序校正該係數的必要性和能使電路的規模顯著地減小。然而，用時差負載裝置和電平差加法裝置能實現的聲象定位的方向限定在正向180度的角度範圍內，而且聲象不能向反面定位。
然而，如果如前所述使用轉動角傳感器試圖計算頭的轉動角，而且使用耳機裝置用這個角度，刷新的脈衝響應的處理量變得龐大，和在向前和向後定位聲象，重放多信道語音信號的情況下，系統變得昂貴。如果簡化系統實施以上方案的話，聲象定位的方向限定在向前的180度的範圍內，而不可能同時實現後面的聲象定位。
本發明的一個目的在於提供一種聲象能同時在向前和向後的方向上定位，同時脈衝響應處理量維持在較小值上的耳機裝置。
根據本發明的第一實施例，一種耳機裝置包括2N個數字濾波裝置，用以旋轉變換成時域的脈衝響應，這種變換是用到達使用者兩耳的頭傳輸函數從在耳機使用者頭外的預定方向上的定位N信道語音輸入的這個位置上的N個聲源轉換的，第一對加法裝置用以對上述N個信道中的有關的M個信道的2M個數字濾波器的L和R(左和右)同名輸出求和，其中M≤N，第二對加法裝置用以對與N個信道中(N-M)個信道有關的2(N-M)個數字濾波器的L和R的同名輸出求和，第一對時差加法裝置或第一對相位差加法裝置連接到第一對加法裝置的L和R輸出端，第二對時差加法裝置或相位差加法裝置連接到第二對加法裝置的L和R輸出端，和第三對加法裝置對第一對時差加法裝置或第一對相位差加法裝置的同名的L和R信道的輸出或者第二對時差加法裝置或第二對相位差加法裝置的同名的L和R信道的輸出求和。由第一對時差加法裝置或第一對相位差加法裝置以及第二對時差加法裝置或第二對相位差加法裝置加入的時差的增加/減小方向根據由轉動運動角度計算裝置檢測的轉動運動角反向，以便在信號處理裝置中刷新信號處理內容和在耳機使用者頭外的預定方向上定位聲象。
兩耳間的延遲時差或相位差等同於當收聽者運動其頭可以聽到實際聲源的聲音時可以實現向前的語音信號和向後的語音信號，從而可以在所有的方向上實現最佳的頭外的聲象定位。
在第一對時差加法裝置或第一對相位差加法裝置的輸入端或輸出端信號處理裝置有第一對電平差加法裝置，同時，在第二對時差加法裝置或第二對相位差加法裝置的輸入端或輸出端有第二對電平差加法裝置。由第一電平差加法電路和由第二電平差加法電路加入的電平差的增加或減小方向根據由轉動運動角計算裝置檢測的轉動運動角改變方向。因此，等同於使用者轉動其頭從實際聲源聽到聲音的兩耳間的電平差特性可以實現前面的聲音信號和後面語音聲音。
具體地講，輸入語音信道劃分成為在收聽者前面的180度位置定位的聲象信道和在收聽者後面的180度位置定位的聲象信道，和這些信道的固定的脈衝響應的數據被旋轉。時差加法裝置和電平差加法裝置提供給向前和向後端，這些裝置的特性在使用者的頭向前和向後轉動而改變方向時發生變化。
根據本發明的耳機裝置包括作為信號處理裝置的旋轉脈衝響應轉換成為時域的信號的2N個數字濾波器，該轉換是由到達使用者兩耳的頭傳輸函數從在耳機使用者頭外的預定方向上定位N信道語音輸入信號位置上的N個聲源實現的。該耳機裝置還包括一對加法裝置，用以對依賴於耳機使用者面對作為參考狀態的前面的狀態的定位方向的語音信道的N個信道劃分成為多個塊中的每一個中對應的信道的對應的數字濾波器L和R的同名輸出求和，還有連接到第一對加法裝置的L和R輸出端的一對時差加法裝置或一對相位差加法裝置，以及對該對時差加法裝置或該對相位差加法裝置的L和R輸出同名端求和。由該對時差加法裝置或該對相位差加法裝置加入的時差或相位差的量在依賴於由轉動運動角計算裝置檢測的轉動運動角的一塊到另一塊中獨立地變化，以便刷新信號處理裝置中的信號處理內容。用這種方法當收聽者轉動其頭從所有的方向聽語音信號時與兩耳間的差分特性相接近，所以可以在所有的方向上實現最佳頭外的聲象定位。
信號處理裝置在時差加法裝置對或相位差加法裝置對的輸入端或輸出端有一對電平差加法裝置以及使該電平差加法裝置對加入的電平差根據轉動運動角計算裝置檢測到的轉動運動角獨立地變化。
信號處理裝置在時差加法裝置對或者相位差加法裝置對的輸入端或輸出端有一對頻率特性控制裝置和使由頻率特性控制裝置對控制的頻率特性根據轉動運動角計算裝置檢測到的轉動運動角獨立地變化。
根據本發明的耳機裝置包括信號處理裝置，該裝置將N個語音輸入信號的部分信道劃分成多個通路，將電平差和相位差加給依賴於聲象定位位置的道路以便求和剩餘的多個信道從而將信道數減少到M(M＜N)和因此在相應的信道上執行數字處理。因此對所有的信道執行數位訊號處理變得不必要以及可以用更小的數量的信號處理實現多信道語音信號的最佳頭外聲象定位。
圖1是本發明的耳機裝置的第一實施例的方框圖；圖2是圖1的實施例中使用的數位訊號處理電路的方框圖；圖3是圖1實施例所假定狀態的示意圖；圖4是圖1實施例中使用的數位訊號處理電路中在時差加法電路中加入的延遲時間的曲線；圖5是圖1實施例中使用的數位訊號處理電路中在電平差加法電路中加入的電平差的曲線；圖6是使用時差加法電路和頻率特性控制電路的圖1實施例所使用的數位訊號處理電路的方框圖；圖7是在頻率特性控制電路中完成的頻率控制的曲線；圖8是有相位差加法電路和電平差加法電路的圖1實施例中使用的數位訊號處理電路的方框圖；圖9是在相位差加法電路中加入的相位差中的變化的曲線；圖10是使用相位差加法電路和頻率特性控制電路的圖1實施例中使用的數位訊號處理電路的方框圖；圖11是適用於圖1實施例所使用的轉動角傳感器的壓電振動迴轉儀的示意圖；圖12是適用作圖1實施例所使用的旋轉角傳感器的模擬角度傳感器的示意圖；圖13是適用作圖1實施例所使用的旋轉角傳感器的數字角度傳感器的示意圖；圖14是本發明耳機裝置的第二實施例的方框圖；圖15是用於圖14中的實施例的數位訊號處理電路的方框圖；圖16是用於圖14中的實施例的數位訊號處理塊的方框圖；圖17是本發明耳機裝置的第三實施例的方框圖；圖18是圖1實施例假設的狀態的示意圖；圖19是用於圖17的實施例的數位訊號處理電路的方框圖；圖20是本發明耳機裝置第四實施例的方框圖。
參照這些附圖，將詳細解釋本發明的耳機裝置的一些優選實施例。
如在圖1中所示的第一實施例的耳機裝置具有接收來自21至244個聲源的語音輸入信號的數位訊號處理電路4，4個聲源位於要定位語音輸入信號的位置，例如4個信道，作為數位訊號通過4個A/D轉換器31至34，4個信道的語音輸入數位訊號進行數位訊號處理，功率放大器6L，6R分離由數位訊號處理電路4作過數位訊號處理的語音數位訊號和通過D/A轉換器5L，5R接收作為模擬信號的數字語音信號以便功率放大。耳機裝置還包括有由功率放大器6L，6R驅動的聲音發生元件或發音器7L、7R的耳機7，而且在耳機7的頭帶7a上安裝旋轉角速度傳感器8用以檢測耳機7的使用者頭的旋轉角速度。耳機裝置還包括有旋轉角計算功能的微處理器11，該功能包括由帶寬限制濾波器9對旋轉角速度傳感器8的檢測輸出作帶寬限制，由A/D轉換器10轉換結果輸出為數位訊號和從耳機使用者的前方向計算轉動運動角度。在數位訊號處理電路4中的信號處理內容響應由微處理器11所獲得的旋轉角度而被刷新，以便在預定的耳機使用者頭外面的方向上定位聲象。
當耳機7執行旋轉運動時，安裝在頭帶7a上的旋轉角速度傳感器8輸出比例於該角速度的電壓。在進入微處理器11之前，該輸出信號由帶寬限制濾波器9濾波和由A/D轉換器10編碼。進入微處理器11的A/D轉換器10的輸出信號以預定的時間間隙取樣和集成以致轉換成角度數據。由該角度數據，實際定位聲象的旋轉角被計算，和結果的處理數據傳輸給數位訊號處理電路4。
進入4個聲源21至24的4信道語音信號在進入數位訊號處理器之前由A/D轉換器31至34編碼。數位訊號處理電路4為了根據由微處理器11計算的角度數據定位所需要的頭外面的語音信號執行數位訊號處理，並且分別輸出該結果給與立體聲L和R(左和右)信道有關的兩個D/A轉換器5L和5R。該再一次由兩個D/A轉換器5L和5R轉換的語音信號通過功率放大器6L和6R供給耳機7的語音發聲器7L和7R，以便給收聽者提供最佳的頭外面的定位信號。
參見圖2，數位訊號處理電路4包括8個數字濾波器16L，16R，17L，17R，18L，18R，19L，19R，以旋轉對應時域中的頭傳輸函數的脈衝響應從4個聲源21至24給使用者的兩耳，數字濾波器通過輸入端151，152，153和154接收4個信道的語音輸入數位訊號，第一對加法器20L，20R用以對四個數字濾波器16L，16R，17L，17R的L和R的同名輸出求和並且提供給兩個信道以形成輸入端151，152，第二對加法器21L，21R用以對四個數字濾波器18L，18R，19L，19R的L或R的同名輸出求和以供給剩下的兩信道以形成輸入端153，154。數位訊號處理電路4還包括連接到第一對加法器20L，20R的第一對時差加法電路22L，22R以及連接到第二對加法器21L，21R的第二對時差加法電路23L和23R。該數位訊號處理電路4還包括連接到第一對時差加法電路22L，22R的第一對電平差加法電路24L，24R以及連接到第二對時差加法電路23L，23R的第二對電平差加法電路25L和25R。數位訊號處理電路4還包括第三對加法器26L，26R，它用以對第一對電平差加法電路24L，24R以及第二對電平差加法電路25L，25R的L和R信道的同名端輸出求和。該數位訊號處理電路4還反轉由第一對時差加法電路22L，22R和第二對時差加法電路23L，23R加入的時差的增加/減少方向，還反轉由第一對電平差加法電路24L，24R以及第二對電平差加法電路25L，25R加入的電平差的增加/減少方向。
目前的數位訊號處理電路4假設為圖3所示的狀態和輸出驅動信號給耳機裝置7的發聲器7L，7R。這就是定位在前面180度角範圍的聲音源21和22有兩個信道。還假定同時來自聲源23，24的應在背面180度角範圍定位有兩個信道，致使信道數是四個。
致於進入輸入端151，152的語音輸入數位訊號，對應在開始狀態定位向前面的方向的對應頭傳輸函數的脈衝響應由數字濾波器16L，16R，17L，17R旋轉。左側的(L-side)由加法器20L求和的輸出通過時差加法電路22L和電位差加法電路24L輸出給加法器26L，同時右側的(R-side)由加法器20R求和的輸出通過時差加法電路22R和電位差加法電路24R輸出給加法器26R。
參見圖3，頭傳輸函數HL1，HLr，HR1，HRr被認作由聲源21，22到收聽者M的兩耳1，r的頭傳輸函數。對應由數字濾波器16L，16R，17L，17R旋轉的脈衝響應由耳機7供給使用者，以致SLHL1＋SRHR1和SRHRr＋SLHLr供給收聽者M的左和右耳1和r。
如果例如收聽者M向左側移動頭，例如，左耳1就遠離聲源21，22，同時右耳r向聲源21，22移去。因此到達左右耳1、r的輸入語音信號中產生了時差和電平差。這就是上述的第一對時差加法電路22L，22R和第一對電位差加法電路24L，24R，它們分別產生時差和電位差。
由左側的時差加法電路22L加入的延遲時間由圖4的延遲時間特性曲線Tb表示，Tb由點劃線表示，同時由右側的時差加法電路22L加入的延遲時間由圖4中的虛線表示的延遲時間特性曲線Ta所表現。曲線Ta，Tb具有相對收聽者M的頭的轉動方向完全地相反的增加和減小的方向。結果是，甚至使用耳機7時，從聲源到兩個耳的時間的變化加入到進入輸入端151，152的信號中，兩個耳朵作為收聽者M聽來自位於前面180度距離內的聲源的聲音的感覺是相同的。
由左側差分加法電路24L加入的電平差是由表示來自頭轉動角為零的相對電平的圖5中所示的由具有相對電平特性的虛線曲線La表示的，同時由右側差分加法電路24R加入的電平差是由圖5中所示的具有相對電平特性點劃線Lb表示的。特性曲線La和Lb具有相對收聽者頭的轉動方向完全相反的增加和減小的方向。這就是由於電平差加法電路24L，24R分別地加上特性曲線La，Lb的電平變化，類似於收聽前面的信號源的音量變化加給來自輸入端151，152的輸入信號，為耳機使用者收聽。
類似進入輸入端153，154的語音輸入數位訊號，對應在最初狀態定位的朝前的方向的對應來自聲源23，24的頭傳輸函數的脈衝響應被數字濾波器18L，18R，19L，19R旋轉。左側的輸出由加法器21L求和，以致通過時差加法電路23L和電平差加法電路25L輸出給加法器26L，同時，由加法器21R求和的右側輸出通過時差加法電路23R和電平差加法電路25R輸出給加法器26R。
參照圖3，頭傳輸函數hL1，hLr，hR1，hRr被認作從聲源23，24到收聽者M的兩耳1，r的頭傳輸函數。對應由數字濾波器18L，18R，19L，19R旋轉的脈衝響應的聲音由耳機7供給使用者，以致SLHL1＋SRhR1和SRhRr＋SLhLr將提供給收聽者M的左和右耳1，r。
如果例如收聽者M向左運動其頭，左耳1將遠離聲源21，22，同時右耳r朝聲源21，22運動。因此在到達左和右耳1，r的輸入語音信號中產生了時差和電平差。這就分別是上述的第二對時差加法電路23L，23R以及第二對電平差加法電路25L，25R。
在延遲時間特性圖4中用虛線表示的曲線Ta表示由左側時差加法電路23L加入的延遲時間，同時在延時特性圖4中由點劃線表示的曲線Tb表示右側時差加法電路23R加入的延遲時間。曲線Ta，Tb相對收聽者M的頭的轉動方向具有完全相反的增加和減小方向。結果是從聲源到兩耳的時間變化和收聽者M收聽位於前面180度範圍內的聲源的聲音的感覺是相同的，收聽者轉動其頭向左或向右，甚至使用耳機7時，時間變化加入到進入輸入端151，152的信號中。
在圖5中由點劃線表示的相對電平特性曲線Lb表示由左側差分加法電路25L加入的電平差，同時在圖5中由虛線表示的相對電平特性曲線La表示由右側差分加法電路25R加入的電平差。如前面解釋的，和相對收聽者頭的轉動方向，特性曲線Lb，La具有完全相反的增加和減小方向。這就是由於電平差加法電路25L，25R分別加上特性曲線Lb，La的電平差，類似於收聽背後聲源的音量的變化加入來自耳機使用者的輸入端153，154的輸入信號。
從以上能夠看到，用目前實施例的耳機裝置，在前面和後面的方向上能同時定位更高質量的聲象。
目前的耳機裝置1的數位訊號處理器4可以如圖4，6，8和10所示的那樣構成。
如圖6所示的數位訊號處理器4中第一對頻率特性控制電路28L，28R分別連接到第一對時差加法電路25L，25R的輸出以替代第一對電平差加法電路24L，24R，同時，第二對頻率特性控制電路29L，29R分別連接到第二對時差加法電路23L，23R的輸出以替代第二對電平差加法電路25L，25R。
第一對頻率特性控制電路28L，28R和第二對頻率特性控制電路29L，29R使得圖7中的頻率特性與取決於耳機使用者頭的傳動角的輸入信號相一致而控制頻率特性。如果頭保持固定地朝前方向(0度角方向)，甚至頻率f變得較高，響應也保持恆定，如圖中實線所示。如果頭朝右轉90度或朝左轉90度產生的響應差別就象頻率變高那樣。如果頭向右轉90度(+90度方向)，如點劃線所示響應的增加如同頻率f變高那樣，反之，如果頭向左轉90度(-90度方向)，如虛線所示，響應的減小如同頻率f變高那樣。響應特性垂直對稱於用實線表示的頭固定朝前方情形下的響應特性。另外，當位於朝前的180度角範圍放置聲源到向後180度角範圍內放置聲源時頻率特性反向。
因此，使用如圖6所示的數位訊號處理器4的耳機裝置1，由於第一對時差加法電路22L，22R和第二對時差加法電路23L，23R反轉加入的相對使用者的頭轉動角的時差的增加/減小的方向，同時，第一對頻率特性控制電路28L，28R和第二對頻率特性控制電路29L，29R反轉相對頭的轉動角控制的頻率特性的變化方向，變得有可能實現頻率特性和等同於當使用者轉動其頭實際上從前面的聲源和背後的聲源收聽時兩耳間的時間差。因此能在所有的方向上實現最佳的頭外的聲象定位感覺。
在圖8所示的數位訊號處理器4中，一對頻率特性控制電路30L，30R分別連接到第一對電平差加法電路24L，24R的輸入端以替代第一對電平差加法電路22L，22R，同時，第二對頻率特性控制電路31L，31R分別連接到第二對電平差加法電路25L，25R的輸入端以替代第二對電平差加法電路23L，23R。第一對頻率特性控制電路30L，30R和第二對相位差加法電路31L，31R使得對應圖9所示的相位變化特性的相位差與依賴於耳機使用者頭的轉動角的輸入信號相一致。如果頭保持向前的固定方向(0度方向)，如實線所示，相位差變為等於0°，然而，如果頭朝著右和左轉動90度，相位差也分別朝著左和右移動。如果頭朝右轉動90度(+90度方向)，如點劃線所示，相位超前。相反地，如果頭朝左轉動90度(-90度方向)，如虛線所示，相位被延遲。該兩個響應特性在頭固定朝前情況下的響應特性的左和右兩側而且彼此相對而言是對稱的，如虛線所示。另外，當聲源位於正向180度範圍內到當聲源位於後面180度範圍內，這些特性反向。
因此，如使用圖8所示的數位訊號處理器4的耳機裝置1，由於第一對相位差加法電路30L，30R和第二對相位差加法電路31L，31R使得加入的對應使用者頭的轉動角的時差的增加/減小方向轉向，同時，第一對電平差加法電路24L，24R和第二對電平差加法電路25L，25R使得相對頭的轉動角的被控制的頻率特性的變化方向反向，這將變得可能實現電平差特性以及等同於當使用者動其頭聽實際從前面的聲音信號和背面的聲音信號來的聲音時兩耳間的相位差特性，因此可以實現在所有方向上的最佳的頭外的聲象定位的感覺。
在圖10所示的數位訊號處理器4中，一對相位差加法電路30L，30R替代圖6的第一對時差加法電路22L，22R分別地連接到第一對頻率特性控制電路28L，28R，同時第二對相位差加法電路31L，31R替代圖6的第二對時差加法電路23L，23R分別地連接到第一對頻率特性控制電路29L，29R的輸出。
第一對相位差加法電路30L，30R和第二對相位差加法電路31L，31R使相位差與取決於耳機使用者頭的轉動角的輸入信號相一致對應圖9所示的相位變化。
第一對頻率特性控制電路28L，28R和第二對頻率特性控制電路29L，29R使圖7所示的頻率特性與取決耳機使用者頭的轉動角的輸入信號一致用以控制頻率特性。
因此，用使用圖8所示的數位訊號處理器4的耳機裝置1，由對應頭的轉動角的第一對相位差加法電路30L，30R和第二對相位差加法電路31L，31R加入的相位差的增加/減小方向被反向和符合來自四個聲源的輸入信號，這也就是前面的兩個信道和後面的兩個信道，同時響應頭的轉動角的由第一對頻率特性控制電路24L，24R和第二對頻率特性控制電路31L，31R控制的頻率特性的變化方向被反向。因此，變得有可能實現兩耳間的相位差特性以及等同於使用者運動其頭從前面的聲音信號和後面的聲音信號聽取實際的聲音的頻率特性，和因而在所有的方向上實現了最佳的頭外的聲象定位感覺。
現在解釋圖1中所示的旋轉角速度傳感器8。該旋轉角速度傳感器8檢測耳機7的使用者的頭的旋轉角速度。具體地說，本實施例的耳機裝置1使用示於圖11的壓電振動旋轉傳感器32作為旋轉角速度傳感器。該壓電振動旋轉傳感器32由壓電元件檢測運動目標的振動運動。在圖11中調節振動的平行六面體形成的振動的壓電元件33是由各種振動部件組成。在振動的壓電元件的相對的表面上安裝用於檢測的壓電元件34，35和用於驅動的檢測壓電元件36，37。
用於驅動的檢測用的壓電元件36，37連接到驅動信號源38以便提供交替的信號。壓電元件34，35的檢測輸出供給差分放大器39。差分放大器39的差分輸出和驅動信號源38的輸出提供給倍增器或者相位檢測器用於倍增或相位檢測。倍增器或相位檢測器的輸出供給圖11所示的帶寬限制濾波器9，因此沒有載波分量。該結果信號被提供和由A/D轉換器10編碼。
如前所述的安排的壓電旋轉裝置32的工作過程如下如果適于振動元件33的壓電元件的固定振蕩頻率的交替信號加於用以檢測的壓電元件36，37，振動的壓電元件33根據所示的振蕩波形強迫振動，這些振動以恆定的模式產生諧振振動。
如果在不施加外力的情況下，檢測不到壓電元件34的輸出。然而，如果角速度ω的旋轉力沿振動元件軸的方向加給壓電元件，作為載波的強迫振蕩的交替信號在科裡奧利(Coriolis)力下被幅度調製和作為檢測信號被檢測到。這時幅度值比例於施加給軸上的旋轉的旋轉角速度ω。旋轉方向對應相對驅動信號檢測的信號的相位偏離的方向。
因此，實際中發現了調幅檢測信號和驅動信號的乘積，以及通過該乘積信號從而通過作為低通濾波器的限帶濾波器9除去載波分量以導出檢測信號。
該旋轉角速度傳感器8還可以是圖12中所示的模擬角度傳感器。該模擬角度傳感器41提供給耳機7的頭帶7a以檢測頭的運動。該旋轉角速度傳感器8還支承光接收元件42，該元件的電阻隨光的強度而變化，在頭帶7a的中部作為CDS或光電二極體存在。作為燈泡或LED(發光二極體)的光發射元件44安裝面對光接收元件42，以及恆定光強度的光束從發光射元件44朝光的接收元件42發射。
在光發射元件44投射光的光路上安裝可動的光閥43，它的投射光的透射率隨旋轉角而變化。這個可動的光閥43適應與磁針45一起旋轉。因此，如果恆定的電流流過光接收元件42，包含其方向在內的指示耳機使用者頭運動的模擬輸出電壓被輸出穿過光發射器42的光接收元件的兩端，由磁針45指示的南和北方向作為參考方向。
旋轉角速度傳感器8還可以是數字角度傳感器50，如圖13所示。這個數字角度傳感器50提供在耳機7的頭帶7a上以檢測頭的運動。用目前的數字角度傳感器50，安裝旋轉編碼器51，以致它的輸入軸直立設置，以及磁針52安裝在輸入軸上。因此包括其方向在內的指示使用者頭的運動的輸出由旋轉編碼器51輸出，由磁針52指示的北和南方向作為參考方向。由於輸出已經是數位訊號，圖1中所示的限帶濾波器9和A/D轉換器10可以省略。
還可以用旋轉角速度傳感器8計算以提供在傳感器8的前面或旋轉角速度傳感器8的周圍的光發射器的光強度的輸出比率表示的旋轉角和在耳機的頭帶上至少提供兩個光強度傳感器。
同樣可以用旋轉角速度傳感器8讀取由裝在前面或側面的超聲振蕩器用提供在耳機7的兩個不同位置的微音器產生間歇的脈衝串信號以從相應的接收信號的時間差計算旋轉角。
除了旋轉角速度傳感器8以外在耳機7上還可以有限帶濾波器9，A/D轉換器10，微處理器11，數位訊號處理電路4，D/A轉換器5L，5R和功率放大器6L，6R。在這種情況下，通過從A/D轉換器31-34到數位訊號處理電路4的無線傳輸可以提供語音輸入信號。
當然，與旋轉角速度傳感器8不同的以上元件可以安裝在不同於耳機7的部分上。功率放大器6L和6R的輸出信號可以供給耳機7的語音發音器7L和7R。
現在將解釋本發明的耳機裝置60的第二實施例。參照圖14，耳機裝置60包括數位訊號處理電路63，63的結構用以接收由聲源611至61n的n個聲源產生的在A/D轉換器621至62n上的數位訊號，由n個信道語音輸入信號構成的每一組，例如由4個輸入構成的每一組作為單元集合數位訊號以形成輸入信號組和數字處理這些輸入信號組。耳機裝置還包括功率放大器65L，65R用以功率放大由數位訊號處理電路63處理的數字語音信號通過D/A轉換器64L，64R轉換的模擬語音，以及被順序劃分成作為L和R信道的立體聲信號。耳機裝置還包括有由功率放大器65L，65R驅動的語音發音器66L，66R以及安裝在耳機66的頭帶上的用以檢測耳機使用者的頭的旋轉角速度的旋轉角速度傳感器67。耳機裝置另外還包括具有旋轉角度運動計算功能的微處理器70，用以從耳機66的使用者的前面的方向根據旋轉角速度傳感器67的檢測輸出計算旋轉角速度，旋轉角速度傳感器67的輸出通過帶寬限制濾波器68經A/D轉換器69轉換成數位訊號。在信號處理電路63中的信號處理內容響應由微處理器70得到的旋轉角被刷新，以在耳機66的使用者頭外部的預定方向上定位聲象。
如果耳機66執行旋轉運動，安裝在頭帶66a上的角速度傳感器67輸出比例於角度運動的角速度的電壓。這個輸出信號由限帶寬濾波器68濾波和由A/D轉換器69編碼，然後進入微處理器70。進入微處理器70的A/D轉換器69的輸出信號以預定的時間間隙取樣和集合，以致轉換成角度數據。由這些角度數據計算定位聲象的旋轉角以產生傳輸給數位訊號處理電路63的處理過的數據。
另一方面，進入n聲源611-61n的n信道語音信號由A/D轉換器621-62n編碼，以致進入數位訊號處理電路63。數位訊號處理電路63執行編碼定位耳機使用者頭外的與微處理器70計算的角度數據有關的語音信號所需的信號處理，和輸出與左和右信道有關的結果信號給D/A轉換器64L，64R。由D/A轉換器64L，64R恢復成模擬信號的語音信號通過功率放大器65L，65R供給耳機66的語音發音器66L，66R，以提供最佳的頭外面的定位的信號給收聽者。
數位訊號處理電路63被劃分成多個信號處理塊631，632，…63n/4，用以對根據定位方向分類成多個塊的輸入語音信號執行信號處理，如圖15所示，耳機使用者面對前面的狀態作為參考狀態。
例如，如圖16所示，信號處理塊631通過輸入端711，712…714從位置緊靠在一起的聲源611至614接收4個輸入信號。通過輸入端711，712…714接收的4個輸入信號由8個數字濾波器74L，74R，75L，75R，76L，76R，77L，77R旋轉成為脈衝響應，該響應是被從4個聲源611至614由到達耳機使用者兩耳的頭傳輸函數轉變成時域的。數字濾波器74L，74R，75L，75R，76L，76R，77L，77R的輸出由一對加法器78L，78R將其L和R信道的輸出求和，以致供給時差加法電路79L，79R。
如圖15所示，時差加法電路79L，79R的輸出通過電平差加法電路80L，80R和輸出端81L和81R供給加法器72L，72R。加法器72L和72R被饋給在每個信號處理塊632，…63n/4中的8個數字濾波器濾波的信號，而且該信號根據L和R(左和右)加上時差和電平差。
彼此緊密安置位置的信號被集合和供給指定的信號處理塊。因此，當相對收聽者面對參考方向(0度方向)狀態收聽者轉動其頭時，使時間差和電平差相同一致的特性相加成為可能。
分別的信號處理塊的L和R的輸出信號由加法器72L，72R求和，以致在輸出端73L，73R輸出作為輸出信號的和給耳機60。
在多個信號處理塊的每個塊中由時差加法和電平差加法獨立地重放耳機(聲音)的情況下，使用第二實施例的耳機裝置60實現在任意方向上的聲象定位成為可能。
在當前的耳機裝置60中，相位差加法電路可以用以替代時差加法電路。而且頻率特性控制電路可以替代電平差加法電路。
正象旋轉的角速度傳感器67用於目前的耳機裝置60那樣，壓電旋轉裝置32，模擬角速度傳感器41或數位化角度傳感器也可以使用。
現在要解釋本發明的耳機裝置的第三實施例。在當前第三實施例中，假定由安置在向前的180度角範圍內的聲源861，862和863重放三個信道的語音信號，如圖17所示。在那種情況下，由聲源862重放的語音信號實現的聲象，在衰減了對應的語音信號電平後，可以由聲源861，863重放和分布，以重現基本等同的聲象。因此，如果引進多個信道的語音信號，具有彼此位置緊密安排的這些信道的信號可以分配和加給這些其他的信道以減小傳輸信道的數目。
參照圖17，耳機裝置85包括一個數位訊號處理電路88和功率放大器90L，90R。電路88用以通過A/D轉換器871，872，873接收從安排在三個信道語音輸入信號定位的位置的三個聲源861，862，863接收作為數位訊號的三信道語音輸入信號，還在三個信道輸入信號上執行上述過的數位訊號處理，功率放大器90L，90R分離由數位訊號處理電路4用數位訊號處理處理過的語音數位訊號和接收通過D/A轉換器將數字語音信號轉變成的模擬信號和進行功率放大。耳機裝置還包括有由功率放大器90L，90R驅動的發聲器91L，91R的耳機91以及安裝在耳機的頭帶上的旋轉角速度傳感器92以便檢測耳機91的使用者的頭的旋轉角速度。耳機裝置還包括有旋轉角計算功能的微處理器95，該功能包括由帶寬限制濾波器93對旋轉角速度傳感器92的檢測輸出進行帶寬限制，和用A/D轉換器94將結果輸出轉換成數位訊號和從耳機使用者的前面的方向計算旋轉角。在數位訊號處理電路88中的信號處理內容響應由微處理器95獲得的旋轉角被刷新，以便在耳機使用者頭外的預定方向上定位聲象。當耳機91執行旋轉運動時，安裝在頭帶91a上的旋轉角速度傳感器92輸出比例於角速度的電壓。這個信號在進入微處理器95之前由帶寬限制濾波器93濾波和由A/D轉換器94編碼。進入微處理器95的A/D轉換器94的輸出理以預定的時間間隙取樣和集成的，以致轉換成角度數據。由該角度數據，實際定位聲象的旋轉角被計算和結果處理過的數據傳輸給數位訊號處理電路88。進入三個聲源861至863的三信道語音信號由A/D轉換器871至873在其進入數位訊號處理器88之前被編碼。數位訊號處理電路88執行數位訊號處理以便根據由微處理器88計算的角度數據定位使用者頭外的所需的語音信號，和分別輸出該結果給與立體聲L和R信道有關的兩個D/A轉換器89L和89R。再一次由D/A轉換器89L和89R轉換的語音信號通過功率放大器90L，90R加給耳機91的語音發音器91L，91R，以便為收聽者完成最佳的頭外定位聲象。
參照圖19，數位訊號處理電路88由衰減器97衰減安置在通過輸入端961供給的輸入信號S1的聲象和通過輸入端963供給的輸入信號S3之間的由輸入端962供給的輸入信號S2，以及用加法器98a和98b分別將衰減的信號S2′加到輸入信號S1和S2。加法器98a的和輸出S1＋S2′供給數字濾波器99L和99R，同時加法器98b的和輸出S3＋S2′供給數字濾波器100L和100R。因此，數字濾波器的輸出由加法器101L，101R為輸出給耳機91的L和R信道的每一路求和。在頭旋轉情況下的時間差由時差加法電路102L，102R加入，同時電平差由電平差加法電路103L，103R加入。用這種方法，輸入信號S2的數字濾波器被省略，為所有的輸入信號定位聲象。電平差加法電路103L的輸出信號通過輸出端104L加到D/A轉換器89L，電平差加法電路103R的輸出信號通過輸出端104R供給D/A轉換器89R。
在當前的耳機裝置85中，相位差加法電路能用以替代時差加法電路。頻率特性控制電路可以替代電平差加法電路。
正如用於現在的耳機裝置85中的旋轉角速度傳感器92，示於圖11至13中的壓電旋轉裝置32，模擬角速度傳感器41或數字角度傳感器50可以使用。
參照圖20解釋本發明的耳機裝置的第四實施例。來自多信道，例如2信道的編碼的信號供給輸入端106L，106R。這些信號由解碼器107解碼和供給數位訊號處理電路1081，1082…108n。數位訊號處理電路1081，1082…108n可以構成如圖2、6、8、10和16所示的數位訊號處理電路。
因此，用現在的第四實施例，在有兩信道語音輸入端的獨自收聽的耳機中可以實現多信道的頭外的定位的聲象。
權利要求
1.一種耳機裝置，包括對N信道語音輸入信號執行信號處理的信號處理裝置；功率放大由所說的信號處理裝置處理過的語音信號的功率放大裝置；由所述的功率放大器裝置，安裝在所說的耳機上的旋轉運動的角度的檢測裝置驅動的耳機；和用以捕獲旋轉運動的角度檢測裝置的檢測輸出和從耳機使用者的前面方向計算旋轉運動角的旋轉運動的角的計算裝置，其中為了在預定的耳機使用者的頭外面的方向上定位聲象，所說的信號處理裝置中的信號處理內容響應旋轉運動角的計算裝置獲得的旋轉運動角而被刷新；為了從位於以致定位N信道語音輸入信號的位置的N個聲音信號源迴轉由到達使用者兩耳的頭傳輸函數轉換成時間域的脈衝響應，所說的信號處理裝置包括2N個數字濾波裝置；第一對加法裝置，該裝置用以求和與所說的N個信道中的M個信道有關的2M個數字濾波器裝置的有相同L和R符號的輸出，其中N不小於M；第二對加法裝置，該裝置用以求和與所說N個信道中的(N-M)個信道有關的2(N-M)個數字濾波器裝置的有相同的L和R符號的輸出；連接到所說的第一對加法裝置的L和R端輸出的第一對時差加法裝置；連接到所說的第二對加法裝置的L和R端輸出的第二對時差加法裝置；和求和所說的第一對時差加法裝置和第二對時差加法裝置的L和R路徑的相同符號的輸出的第三對加法裝置；其中，由第一對時差加法裝置和第二對時差加法裝置加入的時間差的增加/減少方向依據由所說的轉動運動角度計算裝置檢測的轉動運動角改變方向。
2.根據權利要求1的耳機裝置，其特徵在於所說的信號處理裝置在所說的第一對時差加法裝置的輸入端或輸出端包含第一對電平差加法裝置；和在第二對時差加法裝置的輸入端或者輸出端包含第二對電平差加法裝置；其中由所說的第一對電平差加法裝置和所說的第二對電平差加法裝置加入的電平差的增加/減少方向依據由所說的轉動運動角度計算裝置檢測的轉動運動角改變方向。
3.根據權利要求1的耳機裝置，其特徵是在第一對時差加法裝置的輸入端或輸出端所說的信號處理裝置包含第一對頻率特性控制裝置；和在第二對時差加法裝置的輸入端或輸出端包含第二對頻率特性控制裝置；其中由第一對頻率特性控制裝置和第二對頻率特性控制裝置控制的頻率特性的變化方向取決於由所說的轉動運動角度計算裝置檢測到的轉動運動角度。
4.根據權利要求1的耳機裝置，其特徵是所說的信號處理裝置包括2N個數字濾波裝置，它用以迴轉在位於定位N-信道語音輸入信號的位置上的N個聲源中由到達使用者兩耳的頭的傳輸函數轉變成時域的脈衝響應；第一對加法裝置，它用以對所說的N個信道中的M個信道有關的2M個數字濾波器的L和R的相同符號的輸出求和，其中M≤N；第二對加法裝置，它用以對所說的N個信道中的(N-M)信道有關的2(N-M)個數字濾波器的L和R的相同符號的輸出求和；連接到所說的第一對加法裝置的L和R端輸出的第一對相位差加法裝置；連接到所說的第二對加法裝置的L和R端輸出的第二對相位差加法裝置；和第三對加法裝置用以將第一對相位差加法裝置和第二對相位差加法裝置的L和R路徑的相同符號的輸出相加；其中由所說的第一對相位差加法裝置和所說的第二對相位差加法裝置所加入的相位差的增加/減小方向根據所說的轉動運動角度計算裝置檢測的轉動運動角改變方向。
5.根據權利要求4的耳機裝置，其特徵是所說的信號處理裝置在所說的第一對相位差加法裝置的輸入端或輸出端有第一對電平差加法裝置；和在所說的第二對相位差加法裝置的輸入端或輸出端有第二對電平差加法裝置；其中，由所說的第一對電平差加法裝置和所說的第二對電平差加法裝置所加入的電平差的方向變化取決於由所說的轉動運動角度計算裝置檢測的轉動運動角來改變方向。
6.根據權利要求4的耳機裝置，其特徵是其中的所說的信號處理裝置在所說的第一對相位差加法裝置的輸入端或輸出端有第一對頻率特性控制裝置；和在所說的第二對相位差加法裝置的輸入端或輸出端有第二對頻率特性控制裝置，其中由所說的第一對頻率特性控制裝置和所說的第二對頻率特性控制裝置所控制的頻率特性的變化方向取決於由所說的轉動運動角度計算裝置檢測的轉動運動角而改變方向。
7.根據權利要求1的耳機裝置，其特徵是這裡的多信道信號轉變成用作語音輸入信號的2信道信號以及有一個解調製裝置提供給所說的信號處理裝置的上行用以將2信道的語音信號轉變成多信道的語音信號。
8.根據權利要求1的耳機裝置，其特徵是將角速度傳感器用於轉動角檢測裝置。
9.根據權利要求1的耳機裝置，其特徵是地磁方位角傳感器用作轉動角檢測裝置。
10.根據權利要求1的耳機裝置，其特徵是轉動角檢測裝置用位於前面或後面的光發射裝置的輸出比率計算轉動角以及在耳機上至少提供兩個光強度傳感器。
11.根據權利要求1的耳機裝置，其特徵是轉動角度檢測裝置包括安裝在耳機上兩個分別的位置上的微音器以及位於前面或側面的超聲波振蕩器，其中所說的振蕩器產生間斷的脈衝串信號，該信號由微音器讀出以便根據對應的接收信號的時間差計算轉動角。
12.根據權利要求1的耳機裝置，其特徵是轉動角度測試裝置和信號處理裝置的結構能同時安裝在耳機上。
13.根據權利要求1的耳機裝置，其特徵是所說的語音輸入信號能夠在所有無線電通道上提供給所說的耳機。
14.一種耳機裝置包括對N信道的語音輸入信號執行信號處理的信號處理裝置；功率放大由所說的信號處理裝置處理過的語音信號的功率放大器；由所說的功率放大裝置驅動的耳機；安裝在所說耳機上的轉動角度檢測裝置；安裝在所說耳機上的轉動運動的角檢測裝置；和用以捕捉所說的角度檢測裝置的檢測輸出的轉動運動角計算裝置，用以從耳機使用者的前面的方向計算轉動運動的角度，其中所說的信號處理裝置中的信號處理內容響應由在耳機使用者頭外面的預定方向上定位聲象轉動運動角度計算裝置獲得的轉動運動角而被刷新，其中的改進在於所說的信號處理裝置包括2N個數字濾波裝置，它用以旋轉在位於定位N-信道語音輸入信號的位置上的N個聲源中從到達使用者兩耳的頭的傳輸函數轉變成時域的脈衝響應；對包含在由所說的N個依賴於面對前側作為參考狀態的耳機使用者的狀態的定位方向的所說的N個信道的語音信號劃分的多個方塊中的每一個中的對應的信道的對應的數字濾波器的相同的L和R的符號的輸出求和的一對加法裝置；連接到所說的第一對加法裝置的L和R輸出的一對時差加法裝置；和對所說的時差加法裝置對的相同的L和R符號的輸出求和的加法裝置，其中由所說的時差加法裝置對所加入的時間差的量在依賴於由所說的轉動運動角度計算裝置檢測的轉動運動角的塊到塊中是獨立地變化的。
15.根據權利要求14的耳機裝置，其特徵是所說的信號處理裝置在所說的時差加法裝置對的輸入端或輸出端包含一對電平差加法裝置；以及這裡的由所說的電平差加法裝置對所加入的電平差相對由所說的轉動運動的角度計算裝置檢測的轉動運動角度獨立地變化。
16.根據權利要求14所說的耳機裝置，其特徵是這裡所說的信號處理裝置在時差加法裝置對的輸入端或輸出端包含一對頻率特性控制裝置；其中由頻率特性控制裝置控制的頻率特性相對由所說的轉動運動角度計算裝置檢測的轉動運動角獨立地變化。
17.根據權利要求14的耳機裝置，其特徵是所說的信號處理裝置有2N個數字濾波裝置，它用以旋轉在位於定位N-信道語音輸入信號的位置上的N個聲源中由到達使用者兩耳的頭的傳輸函數轉變成時域的脈衝響應；分類語音信號的N個信道成為多個塊的分類裝置，該許多塊取決於耳機使用者面對作為參考狀態的前側的狀態所定位的方向；一對加法裝置，它用以對包含在由所說的分類裝置分類的每一塊中的對應的信道的相同的L和R端符號的數字濾波器的輸出求和；連接到所說的加法裝置對的L端和R端的一對相位差加法裝置；和對所說的相位差加法裝置的L和R端的同名端求和的加法裝置；其中，由所說的相位差加法裝置對加入的相位差的量在從取決於由轉動運動角度計算裝置所檢測的轉動運動角的塊到塊中獨立地變化。
18.根據權利要求17的耳機裝置，其特徵是所說的信號處理裝置在所說的相位差加法裝置對的輸入端或輸出端包含一對電平差加法裝置；和其中由所說的電平差加法裝置加入的電平差相對由轉動運動角度計算裝置檢測的轉動運動角度獨立地變化。
19.根據權利要求17的耳機裝置，其特徵是所說的信號處理裝置在所說的相位差加法裝置的輸入端或輸出端包含一對頻率特性控制裝置；其中由所說的頻率特性控制裝置對控制的頻率特性相對於由所說的轉動運動角計算裝置所檢測的轉動運動角度獨立地變化。
20.一種耳機裝置包括對N信道的語音輸入信號執行信號處理的信號處理裝置；功率放大由所說的信號處理裝置處理過的語音信號的功率放大器；由所說的功率放大器驅動的耳機；安裝在所說的耳機上的轉動角度檢測裝置；和用以捕捉所說的角度檢測裝置的檢測輸出的轉動運動角度計算裝置從耳機使用者的前面的方向計算轉動運動的角度，其中所說的信號處理裝置中的信號處理內容響應由在耳機使用者頭外面的預定方向上定位聲象轉動運動角度計算裝置獲得的轉動運動角而被刷新，其中的改進在於所說的信號處理裝置將所說的語音輸入信號的N信道的部分信道劃分成多個路線，將電平差或相位差加到取決於聲象定位位置的所說的路線上以便對剩下的多個信道求和，從而將信道數減小到M(M＜N)，以及在對應的信道上順序地執行數位化處理。
全文摘要
一種有檢測頭轉動角度功能的耳機裝置，如果試圖實現在向前方向上的聲象定位和同時在向後方向聲象定位就不存在該脈衝響應處理變得很龐大的問題。如果耳機7有旋轉運動，安裝在頭7a上的轉動角速度傳感器輸出比例於角速度的電壓。由頻帶限定的濾波器對輸出電壓濾波和由A/D轉換器10編碼以後進入微處理器11。進入了微處理器11的A/D轉換器10的輸出信號以預定的時間間隙取樣和集合，以便轉換成角數據。實際定位聲象的轉動角由角數據來計算，以及對應信號處理數據傳輸給數位訊號處理電路4。
文檔編號G01C19/02GK1155824SQ96122710
公開日1997年7月30日 申請日期1996年8月31日 優先權日1995年8月31日
發明者山田裕司, 稻永潔文 申請人:索尼公司