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申请/专利权人：潘海啸

摘要：一种便携式可穿戴环绕立体声设备，包括支架，所述支架为U形，支架可固定在使用者的头部或肩颈部；支架上安装有播放装置，所述播放装置包括4‑7个声音单元，声音单元排布在支架上形成环绕立体声系统；所述播放装置连接有控制装置，控制装置内设有环绕立体声编解码芯片。

主权项：1.一种便携式可穿戴环绕立体声设备，包括支架，其特征在于，所述支架为一U形枕，U形枕固定在使用者的肩颈部；支架上安装有播放装置，所述播放装置包括4-7个小型音箱，小型音箱排布在支架上形成环绕立体声系统；小型音箱轴线与肩部为基准的水平面的夹角为12-18度，使人耳位于环绕立体声系统的最佳听音点上；所述播放装置连接有控制装置，控制装置内设有环绕立体声编解码芯片；所述环绕立体声编解码芯片采用头相关变换函数的方式对小型音箱进行控制；所述小型音箱采用自然圆号式倒相结构设计，箱体内设有扬声器槽，扬声器槽内安装有扬声器，扬声器正面朝向箱体外部；箱体内部设有自然圆号式倒相管，所述自然圆号式倒相管为平面螺线形的中空管，自然圆号式倒相管的中心一端通向箱体外部，自然圆号式倒相管的中心处设有被动振膜；所述自然圆号式倒相管另一端与扬声器槽连通；所述箱体为木块制成，所述自然圆号式倒相管为在木块内部加工出的平面螺线形的连贯的孔所形成。

全文数据：一种便携式可穿戴环绕立体声设备技术领域[0001]本发明涉及音响技术领域，具体涉及一种便携式可穿戴环绕立体声设备。背景技术[0002]随着电影和游戏产业的兴起，用户也表现出越来越挑剔的姿态，认为优秀的游戏或影视作品除了具有赏心阅目的图像和绚丽的特效外，逼真的音效也是不可缺少的，所以现在的用户和开发者比以往任何时候都专注于音频系统的效果。在实际生活中，人们如果希望听到真实的环绕立体声效果，只能在家庭配备影音室或者到专业音乐厅、电影院才能够实现。传统上如果想在游戏或者电影中实现环绕立体声，多是通过固定的多个音箱来实现的，在移动设备广泛使用的今天，不能做到便携使用。而采用特殊算法技术的所谓“虚拟环绕立体声HRTF”耳机，在效果上则远远达不到物理多声源给人带来的感受，不能实现对声源的精确定位。[0003]自然界发出的声音来自四面八方，人类的听觉系统对声音方位判断的灵敏程度是惊人的，很多人都有在黑暗中仅根据声音就拍死蚊子的经验。人耳的基本声音定位原理是IID强度差）、iro时间差）、相位差和音色差。[0004]但我们如果把这些来自四面八方的声音经记录、放大等处理后而重放时，所有的声音都从一个扬声器放出来，这种重放声与原声源相比）就不是立体的了。这时由于各种声音都从同一个扬声器发出，原来的空间感特别是声群的空间分布感也消失了。这显然与人类的听觉经验不符，因此人们开始不断探索一个从记录到重放的系统，能够在一定程度上恢复空间感，具有一定程度的方位层次等空间分布特性的技术。[0005]什么是环绕立体声音频?简单来说，仿真音频是对声音最逼真的模拟技术，能让听众元全还原到与现场相似的声场。类似的叫法还有全景声方案、ImmersiveAudio沉浸式音频）[0006]要真正实现真实的逼真的环绕声需要如下三个核心参数[0007]Localization:指的是声音的定位。环绕立体声对于声音的平面360度有较好的模拟效果。[0008]Propagation:声音在封闭空间中，不是只传输一次，而是有无数次的反射bounceback，我们可以用回音来理解。Propagation用来描述是否能让用户感觉到自己的确在一个真实的空间中，这种真实感越强越好。[0009]Occlusion:声音在传输过程中，如果中间有一个障碍物，这个障碍物会对声音的传播产生影响。在封闭空间（如房间、教室、礼剧院等里面听语言、音乐。[0010]常见的环绕声技术为多扬声器的物理配置的环绕声系统。环绕立体声用多个物理扬声器来打造一个360度的声场，来自不同方向的声音通过不同的音箱扬声器来播放。现有环绕声技术的无法避免问题：[0011]1.设备笨重无法便携：显而易见，专用的音响编解码系统和庞大笨重的音箱根本无法实现便携。[0012]2•场地要求高，物理音箱只能在特定的声学环境中使用。[0013]3.sweetspot无法准确定位。[0014]由于播放器的位置固定，听众只有在固定的点（最佳听音位置sweetspot，才能听到模拟得最真实的声场。SweetSpot通常位于一对立体声音箱中间，前方数英尺的地方。许多专家认为从闻首头的上方到听音者的鼻尖构成一个虚幻的等边三角形，就是SweetSpot的所在。因为受到许多客观条件的影响，准确的实际位置通常要经过连续的试听和调整才能获得真正的沉浸体验，显然，在剧场或者电影院的环境内，由于场地、音箱设备的质量、摆放角度的限制，除了个别观众，大多数人无法位于sweetspot的听音位置，听音效果大打折扣。[0015]—HRTF技术[0016]为了能够使用一对音响或者一只立体声耳机获得环绕声的体验，人们开始探索使用算法模拟以使获取环绕声的体验更加简便、这就是头相关变换函数HRTF。人耳对声音信号有一套自己的分析系统，来得以对声音进行分析与定位。1933年，ATT贝尔实验室的人声研究部做了一个机械化的仿真人头——他们把这个假人取名叫“Oscar”.Oscar的耳朵里装上了两个麦克风，坐在展示房间中，录取周围的声音。Oscar听到什么，他就能录到什么。Binaural1933年，ATT实验室的双耳录音技术仿真人，OscaroAudio。[0017]双耳录音技术模拟人类真正的头部的形状、左右耳的耳间距，可以收录到近乎于真正的人类听到的声音。这种方法在物理层面上还原了HRTFhead-relatedtransferfunction。这个滤波器传递函数）就叫HRTFhead-relatedtransferfunction。如果我们有空间所有方位到双耳的滤波器组，就能得到一个滤波矩阵，从而还原来自整个空间方位的声音信号。[0018]HRTF合成仿真电路可分为两个主要部分:数字滤波器和时延。[0019]1、应用程序首先发送经过优选的合成坐标给HRTF，找到适当的参数，然后他会返回参数给数字滤波器。左右声道的滤波器会计算人容易听到的频率曲线--IADdegree和此频率的耳廓效应合成。[0020]2、当模拟了频率段的3D特性之后，剩下的事情就只有ITD了。相比数字滤波，合成ITD就显得容易的多：只需按照数字延迟电路来重建大概的估计时延，ITD就成功了。[0021]3、其他的比如反射的时延，墙壁吸收效应，场效应和多普勒效应可通过应用程序接口实现。[0022]本质上来说，这种技术利用的不过是一些简单的时延电路和滤波器，它将左右声道混频，人的大脑会感受到音场变的更开阔的效果。除此之外，由于耳机左右音响单元彼此独立，左右耳之间没有串话干扰，在耳机上去实现环绕声就非常困难了。[0023]㈡串话干扰[0024]我们的每一个耳朵都是可以同时听到来自左、右两个扬声器的声音的，只不过两个声音到到同一只耳朵有时间差，这个时间差恰恰是我们得以定位声源方向的关键参数，而使用耳机则不能实现串话干扰，定位效果会大打折扣。[0025]因此在耳机上使用HRTF函数，该技术有如下缺点：[0026]1、处理电路混合了从左声道和右声道传来的音源。就是说，原始的声源已经失真，这种失真很多人所无法忍受的。[0027]2、这种环绕声技术无法依靠软件在虚拟环境中准确定位声源，这种技术不能被称作环绕立体声，因为它仅相对改进了聆听扬声器的方位的局限。[0028]3、人们对突然其来的音源转过头去，这是常有的事情，就在头转过去的一瞬间，脑海里就陡够知道尸首在空间的确切位置。但双耳录音技术本身不能支持收听的时候转动头部。[0029]有鉴于此，特提出本发明。发明内容[0030]为上述问题，本发明提出了一种便携式可穿戴环绕立体声系统和方法。[0031]本发明是通过如下技术方案实现的：[0032]—种便携式可穿戴环绕立体声设备，包括支架，所述支架为U形，支架可固定在使用者的头部或肩颈部;支架上安装有播放装置，所述播放装置包括4-7个声音单元，声音单元排布在支架上形成环绕立体声系统;所述播放装置连接有控制装置，控制装置内设有环绕立体声编解码芯片。[0033]进一步的改进，所述声音单元为5个，组成5.1声道环绕立体声系统。[0034]进一步的改进，所述支架为一U形枕，U形枕可固定在使用者的肩颈部，所述声音单元为小型音箱；[0035]小型音箱轴线与肩部为基准的水平面的夹角为12-18度，使人耳位于环绕立体声系统的最佳听音点上；[0036]所述环绕立体声编解码芯片采用头相关变换函数的方式对小型音箱进行控制。[0037]进一步的改进，所述小型音箱采用自然圆号式倒相结构设计，箱体内设有扬声器槽，扬声器槽内安装有扬声器，扬声器正面朝向箱体外部；[0038]箱体内部设有自然圆号式倒相管，所述自然圆号式倒相管为平面螺线形的中空管，自然圆号式倒相管的中心一端通向箱体外部，自然圆号式倒相管的中心处设有被动振膜;所述自然圆号式倒相管另一端与扬声器槽连通。[0039]进一步的改进，所述支架为一U形头箍，U形头箍可卡在使用者的头部，所述声音单元为骨传导振子，U形头箍使骨传导振子紧贴使用者头部；[0040]所述U形头箍上固定有转动信息采集装置，转动信息采集装置将使用者头部的转动信息传递给控制装置，控制装置根据转动信息对骨传导振子的发声进行调整，使环绕立体声系统的发声情况随人头转向实时变化。[0041]进一步的改进，所述U形头箍包括有记忆刚性骨架和柔性内衬。[0042]进一步的改进，所述转动信息采集装置为摄像头。[0043]进一步的改进，所述转动信息采集装置为陀螺仪角度传感器。[0044]进一步的改进，所述控制装置内设有语音控制模块。[0045]与现有技术相比，本发明具有解决了三个难题：[0046]1、多声道音箱环绕系统复杂、布线麻烦、无法便携。[0047]2、多声道音响系统的sweetspot最佳听音位置不易获得。[0048]3、“虚拟环绕立体声HRTF”耳机声源定位不准确的问题。附图说明[0049]图1为实施例1示意图；[0050]图2为实施例1音箱的剖面图；[0051]图3为图2的A-A向视图；[0052]图4为实施例2的使用示意图；[0053]图5为实施例2示意图[0054]图6为实施例2控制装置示意图；[0055]图7为实施例2摄像头方案示意图。具体实施方式[0056]下面通过实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明不仅限于这些实施例。[0057]实施例1[0058]如图1所示的一种便携式可穿戴环绕立体声设备，包括支架，其特征在于，所述支架为为一U形枕，支架可固定在使用者的肩颈部;支架上安装有播放装置，所述播放装置包括5个小型音箱（图中的小型方块），小型音箱排布在支架上形成5.1声道环绕立体声系统，小型音箱轴线与肩部为基准的水平面的夹角为12-18度，使人耳位于环绕立体声系统的最佳听音点（图中的SP点）上;所述播放装置连接有控制装置，控制装置内设有环绕立体声编解码芯片。所述环绕立体声编解码芯片采用头相关变换函数HRTF的方式对小型音箱进行控制。[0059]所述左音箱和右音箱内部采用自然圆号式倒相结构设计，如图2和图3所示。包括箱体1，箱体1为木块制成，箱体1上开设有一扬声器槽2,扬声器槽2内设安装有扬声器3,扬声器3正面朝向体1外部；[0060]所述自然圆号式倒相结构微型音箱内部设有自然圆号式倒相管4,自然圆号式倒相管4为在木块内部加工出的平面螺线形的连贯的孔所形成如图3所示），所述自然圆号式倒相管4为盘旋2圈的平面螺线形状，自然圆号式倒相管4的中心一端通向箱体外部，自然圆号式倒相管4的中心处设有被动振膜5;所述自然圆号式倒相管4另一端通过曲线形的导管与扬声器槽2连通。[0061]自然圆号式倒相结构设计的优点在于:所有扬声器的振膜前、后都会产生声波，但其相位相反，不加隔断的话，因前后压力抵消，输出几近于零;箱体就是用来隔断前、后声波的。倒相箱体是将一个方向的声波在相位上翻转180度，使之与另外一路同向，相互叠加而提高声压。从理论上倒相箱带来的好处，包括1、音量提高提升音量最大有五分贝。2、更高的效率，可提升低频响应。3、更低的截止频率，最多可以降低百分之三十。在性能一致的条件下倒相箱可以做得更小。然而扬声器单体的尺寸，与其最低共振频率有着绝对的关系，小尺寸单体的低频性能无法与大尺寸的作比较，如何更进一步将音箱的尺寸做小，同时又不影响音质，被动振膜的设计可以帮助小尺寸单体低频性能的延伸。因此在本设计在音箱的下端螺旋倒相管开口处安装被动振膜，以提升低频性能。团队还创造性的采用类似自然圆号的螺旋式倒相结构可以使声音在音箱内加压，在更小的体积内拉长了导向管，在音箱的下端推动被动振I吴，释放压力，形成震动倒相--加压--释放的过程，使用小型全频扬声器单元采用这一创造性的结构设计，便携式的音箱可以在保证音色的前提下，进一步缩小体积。当输入一个正弦波信号给扬声器时，首先会收到正半周期的信号而会使振膜向外运动，这样的运动会使密闭音箱内的空气膨胀，造成腔体内的压力变小，而使得被动辐射器往音箱内部方向运动；当正弦波信号转变到负半周期时，扬声器的振膜向内运动，使得腔体内空气被压缩，造成腔体内的压力上升，而会使得被动辐射器往音箱外部方向运动。[0062]本发明采用独特的自然圆号式倒相结构制成了微型的音箱。可以使声音在音箱内加压，在更小的体积内拉长了导向管，在音箱的下端推动被动振膜，释放压力，形成震动一一倒相一一加压一一释放的过程，使用小型全频扬声器单元采用这一创造性的结构设计，便携式的音箱可以在保证音色的前提下，进一步缩小体积。在微型的音箱上获得了很高的音质，取得了预料不到的技术效果。[0063]在材质的选择上，运用高密度实木制作音箱外壳，除了外观圆润，手感细腻外，音箱外壳的材料密度越大，发出声音时箱体所产生的振动就越小，这样声音可以更加真实的得到还原。木质有利于控制共振，是指一物理系统在特定频率下，比其他频率以更大的振幅做振动的情形;这些特定频率称之为共振频率。在共振频率下，很小的周期振动便可产生很大的振动，因为系统储存了动能。当阻力很小时，共振频率大约与系统自然频率或称固有频率相等，后者是自由振荡时的频率。自然中有许多地方有共振的现象，如：乐器的音响共振、太阳系一些类木行星的卫星之间的轨道共振、动物耳中基底膜的共振、电路的共振等。弦乐器中的共鸣箱、无线电中的电谐振等，就是使系统固有频率与驱动力的频率相同。[00M]这样使用足够厚度的“木质”材料作为箱体，要比其他材料如塑料会好有更好的效果且木材的密闭性也非常出色，这样声音信号就可以有效的通过箱体内的空气振动得以表现出来，而成品的好木头随着使用的年月和被声音在空气中对其不断的摩擦而在其内部空腔产生细微变形，变得更适合声音的变化，音质更为细腻。木材的密度要比塑料大很多是木质比塑料能更好的吸收谐波，不会有太多杂音。[0065]分体式硬件系统:使用无线技术传导环绕声信号，使用锂电池供电，中央控制器在固定胸前，通过导线或光纤链接各个声音单元，中央控制器集成环绕立体声编解码芯片。如果要安装在衣服上并在声音单元的外壳上附带强力磁铁，同时在衣服两侧肩头的里衬上缝制或使用粘扣固定之对应的数量的柔性磁力硅胶，使声音单元与服装吸合即可，同时又解决的佩戴的舒适性问题。[0066]通过计算使各个音箱各向人耳方向呈一定的倾斜角度，使双耳处于sweetspot点位上，每个佩戴者都是最佳听音位置，并且还可以通过设计，将对周围其他人的影响将到最低。[0067]同时团队充分考虑了佩戴便携式环绕系统的便捷性和舒适性，同时为了方便用户选择自己喜欢的音乐，通过控制播放源键值，控制AI语音助手，用户只需报出自己喜欢的歌曲名称即可实现播放。控制器集成了电池、音频编解码芯片、AI助手智能芯片、音频信号传输系统、体积小功能全，需要听音乐时，只要对着控制器发出语音指令即可，同时可以接打电话。[0068]集成式硬件系统:本发明是由若干个4-7个可穿戴的便携式声音单元和中央控制系统，在结构方面，我们创造性的将若干个便携式发声单元与服装或者U型靠枕紧密结合在一起的，从而解放使用者的双手，不会给头部附着多余部件，围绕人耳呈环绕式分布，通过声学计算和扬声器倾角结构设计，通过实验，我们发现扬声器轴线与肩部为基准的水平面的夹角为15度+3度时，获得的音响效果最佳，能够使使人耳恰好位于sweetspot最佳听音点上），使用算法控制HRTF函数，可以使得sweetspot允许一定范围得头部转动或摆动。[0069]玩家在玩VR游戏的时候，如果有声首从后面传来，人的本能反应是转头向后看。这时候如果声音继续在你的前方，会使用户感到诧异。通过前期的用户实验我们发现，在多数情况下，人们只是转动头部，肩部不跟随转动或者仅有微小的角度偏移，并不影响听音效果，U型枕的设计与肩部的相对位置是基本固定的，因此在这款设计方案中，仅需要在HRTF计算上做算法处理，把各个方向的HRTF还原，合成一套随着转头、位置移动声场自然发生变化的空间音频。HRTF在MultiDrive技术上主要是用于4个以上的扬声器，在使用了HRTF之后，后置的扬声器也能够如前置的扬声器般获得精确的定位。[0070]实施例2[0071]尽管通过微型音箱的方案环绕系统在轻量化、音质、声像精准定位和美观方面已经可以达到相当优秀的程度，但有些用户要求声音仅仅让自己听到而不希望让别人听到影响他人，而且要便于佩戴且具有环绕声效果。为了实现这一苛刻要求，申请人创造性的采用了骨传导技术进一步实现产品的便携化、轻量化和环绕效果，以一体化的方式佩戴在用户的头上仅让自己听到声音，通过颅骨传播的声音则是经过喉管与耳朵之间的骨头直接到达内耳的，声音的能量和音色的衰减、变化自然相对较小，而且只有自己可以听到别人听不到。[0072]如图4-图7所示本实施例中支架为一u形头箍，包括记忆刚性的骨架和柔性内衬。u形头箍可卡在使用者的头部，声音单元为骨传导振子11，U形头箍使骨传导振子紧贴使用者头部。[0073]声音在人体中传播，软组织的声衰减随组织厚度而增加，其衰减量等于衰减系数与通路长度的乘积。每个人都有差异，需要大量采样求取均值。在结构设计上还需要考虑分子弛豫吸收带来的发热散热问题，采用绒布、泡棉和硅胶作为产品的内衬，可以比较有效的解决问题。骨传导的特点要求要与头骨贴合紧密，因此产品的外壳材料带有一定记忆刚性，不同客户的头骨形状有差异，采用上述柔性材料作为内衬也可以为客户提供更好的弹性余量，为客户长时间佩戴提供了更好的舒适度。[0074]骨传导振子从前后左右多个方向与头骨接触传声，假如用户转动头部，声像跟随用户一起转动，就会显得奇怪，比如配合全景视频录制带多个角度的VR音频，这样用户观看全景视频的时候会转头，这就需要声音进行动态调整。如果有声音从左侧传来，人的本能反应是转头向左看，这时候如果声音继续在你的左边，那么会大大降低效果。因此必须通过算法，检测用户的头部和身体运动时的偏移，发送给数据处理芯片，智能矫正声像偏移量，实现尽管发生的振子位置发生了位移，但在听觉上声音的来源方向相对于人耳位置不变，从而实现无论用户如何转动，依旧能够对相对人耳的虚拟的声源位置进行精准定位，这对于环绕声尤其重要，在视频游戏和VR虚拟现实中的意义十分重大。当把环绕声做成可以便携的形式时，就必须要考虑到人体移动时，随身便携音箱或者头戴式耳机会随着人体一起转动，引起模拟声源的位置变化而导致音效失真，这就要求虚拟的声源与人的听觉保持相对声像位置不变。[0075]因此需要在U形头箍上固定有转动信息米集装置，转劝怡思木朱衣旦付使用有头部的转动信息传递给控制装置，控制装置根据转动信息对骨传导振子的发声进行调整，使环绕立体声系统的发声情况随人头转向实时变化。[0076]转动信息采集装置可采用两种解决方案。[0077]如图5和图6所示，在产品结构上使用陀螺仪角度传感器23,将角度信息传递给音频处理器芯片22控制声像PANING，调整骨传导振子11的发声，图中21为供电的电池。[0078]2•使用摄像头方案，如图7所示，在产品上安装一个向下的摄像头13,每间隔一段几十毫秒时间自动拍摄一张照片，通过对前后两张照片参照点比对，计算出角度偏移量，可以追踪头部转动，根据头部转动的角度形成算法，控制并将角度偏移量关联至声像PANING参数，及时调整音源方向，模拟真实的声学效果。[0079]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种便携式可穿戴环绕立体声设备，包括支架，其特征在于，所述支架为U形，支架可固定在使用者的头部或肩颈部;支架上安装有播放装置，所述播放装置包括4-7个声音单元，声音单元排布在支架上形成环绕立体声系统;所述播放装置连接有控制装置，控制装置内设有环绕立体声编解码芯片。2.如权利要求1所述的一种便携式可穿戴环绕立体声设备，其特征在于，所述声音单元为5个，组成5.1声道环绕立体声系统。3.如权利要求1所述的一种便携式可穿戴环绕立体声设备，其特征在于，所述支架为一U形枕，U形枕可固定在使用者的肩颈部，所述声音单元为小型音箱；小型音箱轴线与肩部为基准的水平面的夹角为12-18度，使人耳位于环绕立体声系统的最佳听音点上；所述环绕立体声编解码芯片采用头相关变换函数的方式对小型音箱进行控制。4.如权利要求3所述的一种便携式可穿戴环绕立体声设备，其特征在于，所述小型音箱采用自然圆号式倒相结构设计，箱体内设有扬声器槽，扬声器槽内安装有扬声器，扬声器正面朝向箱体外部；箱体内部设有自然圆号式倒相管，所述自然圆号式倒相管为平面螺线形的中空管，自然圆号式倒相管的中心一端通向箱体外部，自然圆号式倒相管的中心处设有被动振膜;所述自然圆号式倒相管另一端与扬声器槽连通。5.如权利要求4所述的一种便携式可穿戴环绕立体声设备，其特征在于，所述箱体为木块制成，所述自然圆号式倒相管为在木块内部加工出的平面螺线形的连贯的孔所形成。6.如权利要求1所述的一种便携式可穿戴环绕立体声设备，其特征在于，所述支架为一U形头箍，U形头箍可卡在使用者的头部，所述声音单元为骨传导振子，U形头箍使骨传导振子紧贴使用者头部；所述U形头箍上固定有转动信息采集装置，转动信息采集装置将使用者头部的转动信息传递给控制装置，控制装置根据转动信息对骨传导振子的发声进行调整，使环绕立体声系统的发声情况随人头转向实时变化。7.如权利要求6所述的一种便携式可穿戴环绕立体声设备，其特征在于，所述U形头箍包括有记忆刚性的骨架和柔性内衬。8.如权利要求6所述的一种便携式可穿戴环绕立体声设备，其特征在于，所述转动信息采集装置为摄像头。9.如权利要求6所述的一种便携式可穿戴环绕立体声设备，其特征在于，所述转动彳目息采集装置为陀螺仪角度传感器。10.如权利要求1所述的一种便携式可穿戴环绕立体声设备，其特征在于，所述控制装置内设有语音控制模块。

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