用于热声发声器的操控方法、用于产生声学信号的方法与流程

本发明涉及一种用于热声发声器的操控方法，其中，本发明的方法包括：提供具有振荡s、振幅a和振荡持续时间t的音频信号；将音频信号转换到频域中；将音频信号的频率fin减半，以产生修改后的音频信号的频率fout；以及将修改后的音频信号转换到时域中。本发明还涉及一种用于通过热声发声器产生声学信号、特别是耳声刺激信号的方法，包括：得到具有频率fout的修改后的音频信号以及对频率fout进行倍频。本发明同样涉及一种微机电系统，其包括热声发声器和操控装置，特别是微机电生物认证设备，以及涉及一种入耳式设备，其包括根据本发明的生物认证设备。此外，本发明还涉及根据本发明的微机电系统的应用，用在用于对授权的使用者进行生物认证的设备中。

背景技术：

1、在扬声器和麦克风领域，使用多种类型的换能原理来实现驱动装置和传感装置。电磁概念、静电概念和压电概念既可应用于驱动装置也可应用于传感装置，光学方法或自旋电子学方法大多仅用于麦克风，而热声换能则仅用于扬声器，特别是微型扬声器。

2、电磁、静电和压电操控原理使扬声器的膜片机械振动以产生压力波，而在热声效应中，声的产生则是通过施加交变电流使膜片发热。在此过程中，膜片与周围介质之间发生热能交换，使得膜片周围的介质收缩或膨胀，压力变化则引起发声。总之，热能转化为介质的声振动能，其中，介质可以是气态、液态或固态。

3、热声发声器或换能器例如由碳纳米管或石墨烯薄膜构成。例如在us 8,019,099b2中描述了一种典型的热声发声器。热声发声器由于其简单轻便的结构方式而更多用于微机电系统（mems），尤其是通过当前的热声发声器能够实现相对扁平的结构形式并且所需的部件很少运动。

4、然而，热声发声器的一个已知的问题是，在给定的激励频率下声频率会发生倍频。这种倍频现象基于以下事实：当电输入信号呈现如图1所示的励磁电流的谐波振荡i(t)时，在正振动半周和负振动半周都发生热声发声器发热，使得在两种情况下都产生压力最大值p(t)。压力最小值p(t)=0则分别出现在输入信号的过零点i(t)=0处。

5、从现有技术中已知一些用于避免倍频现象的方案。

6、例如，de 10 2018 114 620 a1公开了一种用于热声发声器的音频信号处理设备设施，该设施构造用于接收音频信号并基于该音频信号为热声发声器生成操控信号，其中，操控信号具有偏移，该偏移是时变偏移。该音频信号处理设施构造为至少区段地基于音频信号的振幅变化走势来确定时变偏移。de 10 2018 114 620 a1建议，例如仅在音频信号的振幅最大值或最小值处确定和调整偏移，这可能比连续调整偏移更高效，但仍然需要巨大的计算开销。

7、另一种避免倍频的替代方案基于所谓的直流偏移。在此，用于电机械发声器的励磁电流的偏移被选择为，使得负振幅的最大值与偏移之和恰好为零。问题在于，直流偏移导致热声发声器中产生噼啪声、失真甚至音量损失。

8、尤其在利用热声发声器进行使用者生物认证的系统中，这可能导致生物认证失败。

9、生物认证可以基于耳声效应，该效应利用由使用者内耳响应声刺激而产生的声响，也称为耳声发射（oaes）。在此过程中，以耳声刺激信号刺激使用者耳朵并拾取产生的耳声响应。随后将该响应与存储的参考信号进行比较，以辨识使用者。

10、耳声刺激信号由热声发声器、特别是微型扬声器生成，该发声器由操控装置操控以产生耳声刺激信号。

11、因此，现有技术的系统不能实现在不必采用高能耗的输入信号偏移的情况下避免倍频。

技术实现思路

1、根据本发明，提出一种用于热声发声器的操控方法，其中，该方法包括以下步骤：

2、i) 提供具有振荡s、振幅a和振荡持续时间t的音频信号；

3、ii) 将音频信号转换到频域中；

4、iii) 将音频信号的频率fin减半，以产生修改后的音频信号的频率fout；以及

5、iv) 将修改后的音频信号转换到时域中。

6、根据本发明，对热声发声器的操控通过操控装置、特别是asic（英文：applicationspecific integrated circuit，专用集成电路）来进行，该操控装置与热声发声器一起构成微机电系统、特别是微机电生物认证设备的组成部分。根据本发明，该操控装置设计和设置为用于操控热声发声器以产生耳声刺激信号，其中，在合适的实施方式中，热声发声器设计为用于产生60至90db范围内的平均声压级（spl），其中，在合适的实施方式中，用于刺激耳声发射的频率范围在500 hz至10 khz。

7、根据本发明，音频信号以谐波振荡的形式以频率fin到达操控装置，操控装置则将该音频信号转换到频域中并减半，使得存在修改后的音频信号fout，其中，满足：fout=0.5fin。在转换回到时域中后，该修改后的的音频信号则可以以减半的频率被转发给热声发声器。热声发声器产生声信号，特别是耳声刺激信号。由于频率fin已被减半为fout= 0.5fin，因此倍频2fout最终不会导致频率升高，而是仅导致初始出现的频率fin。这可以根据本发明实现，而无需采用高能耗的输入信号偏移。通过这种方式可以显著降低热声发声器的功耗。

8、在根据本发明的操控方法的一个合适的构型中，步骤ii)通过改进型离散余弦变换（mdct）进行。替代地或附加地符合目的的是，步骤iv)通过逆改进型离散余弦变换（逆mdct）进行。

9、在根据本发明的操控方法的一个符合目的的实施方式中，该方法还包括以下步骤：

10、v) 将修改后的音频信号传导给放大器；以及

11、vi) 将经转换的修改后的音频信号放大，得到放大的修改后的音频信号。

12、根据使用放大器的实施方式，修改后的音频信号，即具有减半的频率的音频信号，转换回时域中，在转发至热声发声器之前再次放大。这一方面导致修改后的音频信号的音量增强，另一方面也可以调节热声发声器的功耗，使其不会过载或损坏。

13、根据本发明，步骤vi)中的放大可以线性地进行也可以非线性地进行。由于线性放大对所有音频信号程度相同，因此，即使修改后的音频信号超过了热声发声器的最大输入电平，也不会被放大到超过热声发声器的最大输出电平。在非线性放大的情况下，放大幅度相应于输入电平而变化。通过这种方式，例如可以通过预失真来补偿由热声转换引起的非线性声学效应，从而降低失真系数。

14、根据本发明，还提出一种用于通过热声发声器产生声学信号、特别是耳声刺激信号的方法，其中，该方法包括以下步骤：

15、a1) 得到具有频率fout的修改后的音频信号，特别是根据不带放大器的本发明操控方法；或者

16、a2) 得到具有频率fout的放大的修改后的音频信号，特别是根据带放大器的本发明操控方法；

17、b) 对频率fout进行倍频，得到声学信号，特别是耳声刺激信号。

18、如已经针对本发明操控方法所讨论的那样，由于先前进行了减半，对频率fout的倍频最终只导致初始出现的频率fin。

19、根据本发明，同样提出一种微机电系统，其包括热声发声器和操控装置，其中，操控装置设计和设置为用于通过根据本发明的操控方法来操控热声发声器。

20、在此特别有利的是，操控装置构造为asic（专用集成电路），其与热声发声器一起构成微机电系统的组成部分，特别是集成在基底中。

21、在根据本发明的微机电系统的一个特别合适的实施方式中，该系统除了操控装置之外还包括麦克风，其中，操控装置还设计为用于在操控热声发声器以产生耳声刺激信号之前，放大并拾取由该麦克风接收的耳声信号。在此已证明有利的是，麦克风与热声发声器和操控装置一起集成在基底中。已证明符合目的的是，麦克风设计和设置为用于探测信噪比大于等于70 db的信号，因此构造为高snr（signal noise ratio，信噪比）麦克风。

22、在根据本发明的微机电系统的另一合适构型中，该系统还包括放大器。在此，该放大器设计和设置为用于对修改后的具有频率fout的音频信号在到达热声发声器之前进行放大。在此特别适合的是，操控装置根据本发明操控方法来操控热声发声器。

23、原则上，根据本发明的微机电系统的如下构型是可能的：在所述构型中操控装置已经集成地存在于热声发声器中。这样的实施方式特别紧凑且节省空间并且因此可广泛使用。在一种替代构型中，热声发声器和操控装置可以布置在基底平面中。这提供了以下优点：根据应用领域而定，可以将特定的热声发声器单独地与对应的操控装置连接，这提高了设计自由度。在此已证明特别适合的是，操控装置构造为asic。

24、在一种优选构型中，根据本发明的微机电系统构造为微机电生物认证设备，并用于基于耳声效应识别使用者。在此特别适合的是，微机电生物认证设备包括微型扬声器形式的热声发声器和asic，该热声发声器设计和设置为用于产生60至90 db范围内的平均声压级，该asic设计和设置为用于操控微型扬声器以产生耳声刺激信号。优选地，微机电生物认证设备还包括麦克风，其中，asic此时还设计为用于在操控微型扬声器以产生耳声刺激信号之前，放大并拾取由麦克风接收的耳声信号。同样优选的是，微机电生物认证设备还包括放大器，该放大器设计和设置为用于对修改后的具有频率fout的音频信号在到达微型扬声器之前进行放大。

25、根据本发明，也提出一种入耳式设备，其包括根据本发明的生物认证设备和主处理器。在此，在这样的构型中，或者根据本发明的生物认证设备的asic、或者入耳式设备的主处理器还可以设计和设置为用于将麦克风的所接收的耳声信号与授权的使用者的预定义参考信号进行比较，并基于该比较将麦克风的所接收的耳声信号配属于特定的使用者。

26、由于比较和识别既可以在asic中进行，也可以在本发明的入耳式设备的主处理器中进行，因此根据本发明的微机电生物认证设备在处理和应用方面极其灵活。

27、在根据本发明的入耳式设备的一个特别适合的构型中，该设备还可以包括外部麦克风。该外部麦克风设计和设置为用于接收20 hz至20 khz频率范围内的环境信号，将环境信号转发给asic，并播放由asic生成的降噪信号。因此，外部麦克风向外、即朝向使用者的环境取向并用于主动降噪（英文anc，active noise cancellation）。主动降噪信号与微型扬声器播放的耳声刺激信号同时播放，从而通过相消干涉有效地消除环境噪声。

28、通过将外部麦克风集成到根据本发明的入耳式设备中，即使在嘈杂环境中也可以使用该入耳式设备，为使用者保持清晰的音频质量。

29、此外，还提出根据本发明的微机电系统、特别是生物认证设备的应用，用在用于对授权的使用者进行生物认证的设备中。

30、根据本发明的用于热声发声器的操控方法包括提供具有振荡s、振幅a和振荡持续时间t的音频信号、将音频信号转换到频域中、将音频信号的频率fin减半以产生修改后的音频信号的频率fout、以及将修改后的音频信号转换到时域中的步骤，通过该方法可以在不必使用高能耗的偏移的情况下解决倍频问题。高能耗的偏移要么需要巨大的计算开销，要么导致热声发声器产生噼啪声、失真甚至音量损失。

31、因此，根据本发明的操控方法还可以有效地应用于微机电生物认证设备中，因为可以保证生物认证不会由于干扰噪声、失真和音量损失而失败。

32、通过根据本发明的生物认证设备还可以提供安全的、难以伪造的认证系统，该系统由于不需要使用者主动交互而实现无缝认证过程。此外，根据本发明的微机电生物认证系统结构非常紧凑且坚固，因此适合用于各种入耳式设备中。将外部麦克风集成到本发明的入耳式设备中还使得入耳式设备即使在嘈杂环境中也能使用，为使用者保持清晰的音频质量。