[发明专利]产生用于音频振动的阻尼电磁致动平面运动的系统和方法

说明书

提出了一种用于将振动牵引施加到佩戴者皮肤的振动模块。示出了在耳机中使用振动模块，以提供针对音乐的用于按摩的低频触感，以及对佩戴者的电记录及刺激。在理论上提出了活动磁体类型的阻尼、平面、电磁致动的振动模块并付诸实践，并且示出了在40‑200Hz的范围内以最少的不必要声音提供基本上均匀的频率响应。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月24日提交的申请号为62/054712，题目为“用于音频振动的阻尼电磁致动平面运动”的美国临时专利申请以及于2015年1月10日提交的申请号为62/101985，题目为“提供用于音频振动的阻尼电磁致动平面运动的系统和方法”的美国临时专利申请的优先权，其中的每一个的全部内容通过引用并入本申请。

技术领域

本发明涉及产生用于通过触摸感知的低音频率振动的触觉传感器。

背景技术

低于约200Hz时，声音的频率越低，则其不仅通过耳鼓的振动被感知得越多，而且也通过皮肤中的触觉感受器被感知得越多。这种感觉对于具有在胸中或通过坐在椅子上“感受到强烈舞蹈音乐的节奏”的任何人或对于仅仅将手放在钢琴上的人来说熟悉。自然刺激兼备听觉和触觉，只有当皮肤的机械振动伴随着通过空气传播到耳鼓的声波时，才能真实地再现它。

音频触觉传感器中的现有技术主要采用轴向振动器。图1示出了现有技术的耳机装置10的分解图，其包括轴向振动器100，该轴向振动器100包括悬置在螺旋切割弹簧112上的运动块(moving mass)114、定子116以及音圈118。这种轴向振动器的构造模拟传统的音频驱动器，其中使用更重的块代替轻纸锥，并且提供了更坚固的悬架，其通常为螺旋切割金属弹簧。

这种结构的缺点是产生不必要的噪声。发生这种的原因是轴向振动器安装在耳机耳罩中，其运动轴指向耳道的开口。图2A示出了现有技术的耳机设备20的立体图，其包括沿Z轴振动的轴向振动器，并通过将耳罩插入用户头部的侧面来刺激皮肤。块的轴向运动导致通常密封在耳廓上的整个耳罩本身的反向运动。因此，刺激耳罩垫下方皮肤的力也不幸地将空气塞入收听者的耳道中，淹没了音频驱动器的输出并产生多余的不必要的噪音。

图2B示出说明了由图2A的现有技术的耳机产生的多余的明显的低音音频的曲线图。特别地，图2B说明当打开惯性振动器至逐渐增强的水平(迹线标记为“开”)时，耳机的相对扁平的声频响应单独地受到削减(迹线标记为“关”)。在这个例子中，显著的音频被添加到声频响应，导致在50-100Hz范围内的10-20dB的不期望的冲击(bump)。结果是其中高频不足的重低音，并且用户感觉的是一种含混、混乱的声音。

不均匀频率响应的问题通常由于缺乏机械阻尼而变得更为糟糕。使系统欠阻尼意味着靠近机械谐振的稳态信号获得高振幅，导致峰值响应，并且在激励后系统铃声停止，进一步降低音频保真度。这种冲击在现有技术的频率响应(图2B)中是显而易见的，其中致动触觉传感器将耳机的声音输出增加到比由“0”参照线所指示的90dB声压级高10-20dB。

现有技术中的另一种也存在疑问的方法是使用非阻尼偏心旋转电机(“ERM”)和非阻尼线性谐振驱动器(“LRA”)。小型非阻尼的ERM与高保真音频不兼容，原因如下。首先，通常需要大约20毫秒，将ERM“提升”到产生足够大到能被感觉的的加速度的频率。到那时，脉冲信号(例如，一个底鼓(kick drum)的打击)将已经通过。第二，在ERM中，可被比作“触觉音量”的加速度和可被比作“触觉音调”的频率相关联，不能独立变化。这种连接从根本上与声音保真度不兼容。

LRA的主要缺点在于对“谐振”的依赖，即名称所暗示的。装置被设计用于触觉警报，而非保真度，因此它们在单个频率下产生共振，并仅在该频率下产生可感知的振动。例如，典型的LRA可能在175±10Hz处产生高达1.5g的加速度，但在该20Hz范围之外可能产生低于0.05g的加速度。这种高Q因子使得这种装置对于在15-120Hz范围内的低频触觉效果的高保真度再现是无用的。虽有这些问题，但已经考虑到将LRA垂直安装在耳机弓形部的上衬垫中。