CN110626300A - 用于车辆乘客用的类3d声音体验的私人音频***及其创建方法 - Google Patents

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劳伦特·塔潘
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Abstract

一种用于车辆乘客用的类3D声音体验的私人音频***，所述私人音频***包括：至少一个声学发声器，其配置为从音频频率范围内的音频源发送声音；至少一个超声波扬声器，其配置为从音频源发送音频波束，其中，所述音频波束相对于所述乘客为可取向的；乘客监控单元，其配置为追踪所述乘客的头部的位置；信号处理器，其配置为检测所述乘客的耳朵的位置并基于所述乘客监控单元提供的信息控制所述超声波音频波束的方向。

Description

用于车辆乘客用的类3D声音体验的私人音频***及其创建 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月20日提交德国专利商标局、申请号为10 2018 209 962.6的德国专利申请的优先权和权益，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本专利申请涉及车载音频***的领域。具体地，本专利申请的主题涉及一种使用超声波发射器和声学扬声器为车辆乘客提供私人的三维(3D)音频体验的私人音频***及其创建方法，以及涉及一种车辆。
背景技术
汽车越来越多地被彼此陌生的人共享。在拼车的场景中尤其如此。大多数现有的车载音频***产生车中每个人都能听到的输出。这是一个问题，因为它意味着无法确保可能不具有类似的兴趣和需求且期望有不同的信息娱乐体验的乘客的隐私。例如，只有车辆的司机可能对导航工具和其他的车辆警报感兴趣。
此外，即使所有的乘客都想听相同的音频节目，然而仍然存在两个问题。第一涉及如蓝牙设备、移动电话等的其他技术的存在，这些技术会干扰音频信号并导致车辆乘客的音频体验下降。第二，即使对于相同的音频节目，乘客也可能想根据他们的偏好调节音量(和其他音效)。
因此，在大多数现有的车载音频***中，既没有乘客的隐私也没有让他们具有个性化的音频体验的机会。解决这些问题的一种方法是创建单独的“声音区”，并通过将声学扬声器放置在乘客旁边(例如，在头枕和/或车顶内衬中)来创建这样的单独的声音区，从而增强音频体验，并且也是私人的。
然而，在这样的***中，声音似乎从乘客的头部后方发出。这与顶级音频***如何在听众前面演奏音乐形成对比。因此，这产生了乘客不能获得拟真的(immersive)、类3D音频体验的问题。
发明内容
本专利申请的主题提供了这一问题的解决方案。该申请的主题的主要目的为提供一种用于车辆乘客的私人音频***及其制备方法，该***通过将来自靠近乘客放置的声学发声器的声音与来自将音频波束直接导向(direct)至乘客耳朵的超声波扬声器的声音组合，为用户提供个性化的、类3D音频体验。此外，乘客监控单元监控乘客的头部运动。然后该信息通过信号处理器用于识别乘客耳朵的位置，并将音频波束的方向取向至所识别的耳朵。具体地，独立权利要求1和10的主题满足该目的。
本专利申请的主题的实施方案的一个实施例为一种用于车辆乘客的私人音频***，所述私人音频***包括：至少一个声学发声器，其用于从音频频率范围内的音频源发送声音；至少一个超声波扬声器，其配置为从音频源发送音频波束，其中，所述音频波束相对于所述乘客为可取向的(orientable)。使用超声波扬声器的好处为，它可以导向窄波束中的声音，并仅将该声音引导(aim)至单个乘客处，使得其他乘客不受干扰，且也对该乘客听到什么不知情，从而允许该乘客拥有私密的音频体验。该私人音频***还包括乘客监控单元，其配置为追踪乘客头部的位置。追踪乘客头部的位置意味着监控单元可以确定位置以及头部位置的变化。这是有益的，因为各乘客基于他的身高和体格可允许他的头部位于不同位置上，并因此允许他的耳朵也位于不同位置上。另外，该乘客可能偶尔移动到车辆中的另一位置，从而其头部也可能改变位置。由于来自超声波发射器的音频波束应当很窄以便仅被该乘客听到，因此必须知道该乘客耳朵的确切位置，否则该波束可能无法很好地被导向，因此该乘客是听不见的。为此，信号处理器使用来自乘客监控单元的信息以识别乘客耳朵的位置，并控制超声波束的方向，将其朝向所识别的耳朵导向。这可以通过机械装置(例如如果超声波扬声器位于旋转式安装支架上，则通过旋转超声波扬声器)、或优选地通过电子装置改变音频波束的方向来完成。以这种方式，该乘客可以拥有类3D的、私人音频体验。
另一实施例采用第一实施例的私人音频***的形式，其中，具有多个声学发声器，其用于从多个音频源发送声音；多个超声波扬声器，其用于从多个音频源发送音频波束；多个乘客单元，其用于追踪多个乘客头部；以及多个信号处理器，其用于将来自超声波扬声器的波束导向至相应的乘客耳朵。这对于向车辆中多个乘客提供私人音频体验是有利的，其中，乘客们允许选择听不同的音频源。例如，一个乘客可以私密地听体育节目，同时另一个乘客可在手机上与某人交谈，同时司机可以听到导航工具和车辆警报。尽管优选具有多个信号处理器和多个监控单元，在其他实施方案中，一个头部监控单元和/或一个信号处理器可以满足将来自超声波扬声器的各波束导向至相应的乘客。为了采集多个乘客，单个的头部监控单元可设置在内部的天花板处。
另一实施例采用前述实施例中任一个的私人音频***的形式，其中，乘客监控单元包括照相机，以追踪乘客头部的位置。该照相机可放置在乘客的前面以监控其运动，特别是监控该乘客头部的运动。信号处理器使用来自照相机的图像以识别乘客耳朵的位置。例如，耳朵的位置可基于头部的位置和方向来检测。耳朵的位置还可通过由照相机获得的图片的图像分析来确定。通常检测耳朵的位置还包括检测方向，更具体地检测头部的前侧。
另一实施例采用前述实施例中除最后一个实施例外的任一个的形式，其中，乘客监控单元包括红外传感器，以追踪乘客头部和耳朵的位置。该传感器可放置在乘客的前面以监控其运动，特别是监控该乘客头部的运动。信号处理器使用来自传感器的信息以识别乘客的头部和耳朵。
声学发声器可放置成使得从该声学发声器发出的音频波束从侧面和/或从后面到达乘客的头部。另一实施例采用前述实施例中任一个的形式，其中，声学发声器放置在乘客座椅的头枕中。乘客座椅提供了比其他内部部件更贴近人体的独特优势。因此，头枕对头部的距离可用于使声学发声器尽可能地靠近耳朵以产生理想的声音传输。允许声学发声器靠近乘客耳朵的另一个优势为，其他乘客不受发出的声音干扰，因为可保持低的音量。在一些实施方案中，声学发声器和乘客耳朵之间的距离可达到至多30cm。
超声波扬声器可放置成使得从超声波扬声器发出的音频波束从前面到达乘客的头部。另一实施例采用前述实施例中任一个的形式，其中，超声波扬声器为内部部件的一部分，特别是在乘客的前面，优选地超声波扬声器放置在仪表板中或其下方。然而，超声波扬声器也可放置在车辆内部中的其他位置处，可从该位置将音频波束导向至乘客的耳朵，例如在车辆的A柱、B柱、天花板、中控台或车门中或这些位置处。这是有利的，因为为了向乘客提供高质量的类3D音频体验，声音应该来自乘客的前面而非后面。另外，尽管事实上有更多的乘客，对他们来说音频源在前面，但是窄的超声波音频波束确保声音仅对单个乘客是可听到的，而普通的声学发声器不是这种情况。通常超声波扬声器放置并配置为使得从超声波扬声器发出的音频波束直接到达乘客的头部，特别是不用从反射面反射之后。
另一实施例采用前述实施例中任一个的形式，其中，私人音频***还包括至少一个控制单元，其配置为控制声学发声器和超声波扬声器之间的时间延迟和音量差异。这是有利的，因为超声波束和来自声学发射器的声波的不同传播特性，以及它们与乘客的不同距离，可能引起经由声学发射器和超声波扬声器到达的音频之间的不正常的时间延迟。因此，控制单元确保声音在适当的时间到达，以向乘客提供最佳的音频体验。
另一实施例采用前述实施例中任一个的形式，其中，信号处理器配置为将由超声波扬声器发出的超声波束取向成与乘客的耳朵对准。信号处理器将来自乘客单元(照相机图像或传感数据)的信息反馈到面部检测算法中以识别乘客的头部和耳朵，并将超声波扬声器的波束朝向所识别的耳朵取向。在另一种实施方式中，信号处理器可以是乘客监控单元的一部分。
另一实施例采用前述实施例中任一个的形式，其中，私人音频***还包括至少一个噪音消除单元(noise cancelation unit)，其配置为消除串扰以及来自其他乘客的已知音频内容的噪音。这给予乘客更强的封闭和更私密的音频体验。由于所有乘客的音频内容是已知的，这可以有助于更好的噪音消除，因为不仅串扰和其他噪音，而且其他乘客的音频内容(如果其正在泄露)均可以被消除。
另一实施例涉及一种方法，因为其优选地应用于前述实施例中任一个的私人音频***，根据该方法，乘客监控单元追踪乘客的头部。这可以通过在乘客前面放置照相机或传感器来实现。基于该信息，信号处理器检测乘客的头部和耳朵。这可以通过使用面部检测算法来实现。在确定乘客耳朵的位置时，信号处理器将超声波扬声器取向成使得其直接在乘客耳朵处传播音频波束。
附图说明
考虑到结合附图的各种示例性实施方案的以下描述，可以更完整地理解本公开，其中：
图1示出了用于两位前座乘客的复制的私人音频***。
图2a和图2b均示出了用于前座乘客以及后座乘客的复制的私人音频***，其具有不同配置的超声波扬声器和乘客监控单元。
图3示出了用于前座乘客和后座乘客的私人音频***的主要组件。
图4示出了反馈回路，根据该反馈回路，私人音频***的组件协同工作为乘客提供个性化的、私人的、类3D的音频体验。
具体实施方式
尽管本公开可以进行各种修改和替代形式，但是其特性已经通过附图中的实施例的方式来示出并将被详细地描述。然而应当理解，目的并非将本公开的方面限制于所描述的特定的示例性实施方案。相反，目的在于覆盖落入本公开的精髓和范围内的所有修改、等同物和替代物。
如图1所示，声学发声器1放置在座椅的头枕中，同时超声波扬声器2放置在每个前排乘客的前面。声学发声器可发出频率范围在20Hz和20,000Hz之间范围的声音，而超声波扬声器可发出频率范围在20,000Hz以上的声音。期望将声学扬声器尽可能地靠近乘客放置，且头枕用作理想的位置。因此，一个扬声器位于坐在座椅上的人的头部的右手边，且另一个扬声器位于左手边。头枕可在中心部分的每侧处包括翼。包括扬声器的那些翼可位于固定位置，或者它们可以是可移动的以相对于乘客的耳朵进行最佳定位。声学扬声器与乘客的紧密位置确保了乘客获得理想的音频体验，同时也保持音频内容私密。然而，虽然头枕中具有声学发射器提供了私密性，但它不能给用户提供拟真的音频体验。可以看出，乘客感觉声音来自于他们后面，这是与他们通常使用在他们前面播放音频的顶级音频***来体验音频截然不同的体验。因此，超声波扬声器应当放置在前面以提供给乘客类3D的音频体验。由于乘客有各种形状和尺寸，且不时地移动他们的头部，因此包括照相机或传感器的乘客监控单元3用于监控乘客。这有助于检测乘客的耳朵，使得超声波束4导向乘客的耳朵。超声波扬声器和乘客单元放置在车的内部部件5上。
图2a和图2b示出了如图1的私人音频***，其被重复用于车辆中的前座乘客和后座乘客，具有不同配置的乘客监控单元和超声波扬声器。图2a中，针对各四位乘客，有四个乘客监控单元6.1、6.2、6.3和6.4。这些乘客监控单元可以是照相机或红外传感器。具有两个超声波扬声器7.1和7.2，这两个超声波扬声器将音频波束分别导向至两位前座乘客和两位后座乘客，并且是车辆的中控台(或中控面板)的一部分。
图2b中，具有四个超声波扬声器9.1、9.2、9.3和9.4，它们是车门的一部分。具有分别用于两位前座乘客和两位后座乘客的两个乘客监控单元8.1、8.2。
图3示出了如图2b所示的实现私人音频***的组件图。具有四个头枕声学发射器/扬声器和将超声音频波束导向至乘客耳朵的四个超声波扬声器。当然，超声波扬声器的数量可以适应车辆中乘客座椅的数量。中央控制单元通过控制两种不同类型的发射器/扬声器(声学的和超声波的)之间的时间延迟，确保来自两者的声音在适当的时间到达乘客的耳朵。乘客监控单元是***的重要部分，该***允许超声波扬声器将音频波束导向至乘客耳朵。
图4示出了私人音频***的各种组件如何协同工作的反馈回路。乘客监控指的是使用照相机或传感器追踪乘客。这是需要的，因为乘客有各种形状和尺寸。另外，他们可能不时地移动他们的头部，从而改变他们耳朵的位置。基于该信息，检测面部意味着通过使用面部检测算法检测乘客面部并识别其耳朵位置。一旦识别了耳朵的位置，超声波扬声器可将超声波束发送至所识别的耳朵。另外，调节声音输出定时和调节超声定时指的是分别控制声学发射器和超声波扬声器的输出之间的时间延迟。这是必要的，由于它们不同的传播特性和对乘客耳朵的距离，两者之间存在潜在的时间延迟。音量也因类似的原因而调节。最后，因为人们不能听到超声，需要调节由超声波扬声器产生的声音的频率范围。通常，超声波扬声器产生由两个单独的超声波组成的调制波。两个波处于不同频率，两者均是超声波且对人耳是听不到的。然而，当它们在耳朵处相遇时，它们混合在一起并彼此干扰，以产生频率低得多的第三个波，该频率处于可听范围。基于期望的特性(例如，乘客偏好，或基于音频源的内容)，需要调节两个超声波的频率，使得第三个可听见的波为特定的期望频率。从超声波扬声器发出的超声波束和从声学发声器发出的音频波束可以是同步的，使得乘客听到统一的声音体验。
附图标记列表：
1.头枕上的声学发射器/扬声器
2.超声波扬声器
3.乘客监控单元
4.超声波音频波束
5.车辆的内部部件
6.1-6.4用于前座乘客和后座乘客的四个乘客监控单元
7.1-7.2作为中控台一部分的超声波扬声器
8.1-8.2用于前座乘客和后座乘客的两个乘客监控单元
9.1-9.2作为车门一部分的超声波扬声器

Claims (13)

1.一种用于车辆乘客的私人音频***，其中，所述私人音频***包括：
至少一个声学发声器(1)，其配置为从音频频率范围内的音频源发送声音；
至少一个超声波扬声器(2)，其配置为从音频源发送音频波束，其中，所述音频波束(4)相对于所述乘客为可取向的；
乘客监控单元(3)，其配置为追踪所述乘客的头部的位置；
信号处理器，其配置为检测所述乘客的耳朵的位置并基于所述乘客监控单元提供的信息控制所述超声波音频波束的方向。
2.根据权利要求1所述的私人音频***，其中，所述私人音频***包括：
多个声学发声器，其配置为从多个音频源发送声音；
多个超声波扬声器(7.1、7.2)，其配置为从多个音频源发送音频波束；
至少一个乘客监控单元(6.1-6.4)；和
至少一个信号处理器，
其中，所述多个声学发声器和超声波扬声器中的特定声学发声器和超声扬声器对应于车辆中多个乘客中的特定乘客。
3.根据前述权利要求中任一项所述的私人音频***，其中，所述乘客监控单元(3)包括照相机以追踪所述乘客的头部和/或耳朵的位置。
4.根据权利要求1或2所述的私人音频***，其中，所述乘客监控单元(3)包括红外传感器以追踪所述乘客的头部的位置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的私人音频***，其中，所述声学发声器(1)放置成使得从所述声学发声器(1)发出的音频波束从侧面和/或从后面到达所述乘客的头部。
6.根据前述权利要求中任一项所述的私人音频***，其中，所述超声波扬声器(2)放置成使得从所述超声波扬声器(2)发出的音频波束(4)从前面到达所述乘客的头部。
7.根据前述权利要求中任一项所述的私人音频***，其中，所述声学发声器(1)放置在所述乘客座椅的头枕中。
8.根据前述权利要求中任一项所述的私人音频***，其中，所述超声波扬声器是乘客前面的内部部件的一部分，优选是所述车辆的中控台(7.1、7.2)、仪表板(5)、A柱、B柱或车门(9.1-9.4)的一部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的私人音频***，其中，所述私人音频***包括至少一个控制单元，其配置为控制所述声学发声器(1)和所述超声波扬声器(2)之间的时间延迟和音量差异。
10.根据前述权利要求中任一项所述的私人音频***，其中，所述信号处理器配置为使用面部检测算法检测乘客的头部和耳朵，并将通过所述超声波扬声器(2)发出的超声音频波束(4)取向为与所述乘客的耳朵对准。
11.根据前述权利要求中任一项所述的私人音频***，其中，所述私人音频***包括至少一个噪音消除单元，其配置为消除串扰以及来自其他乘客的已知音频内容的残余噪音。
12.一种车辆，其中，所述车辆包括根据前述权利要求任一项所述的私人音频***。
13.一种方法，根据所述方法，私人音频***、优选根据权利要求1-11中任一项所述的私人音频***，使用至少以下步骤将导向的超声波束(4)发送至乘客耳朵：
i.通过所述乘客监控单元(3)追踪所述乘客的头部的当前位置；
ii.基于上述信息，通过所述信号处理器定位所述耳朵，并将所述超声波扬声器(2)调节成对准所述乘客的耳朵；
iii.通过导向在所述乘客耳朵处的所述超声波扬声器(2)来传播超声波束(4)。
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