一種通過選擇性激發(fā)和接收平板非對稱聲波實(shí)現(xiàn)的交互界面的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及人機(jī)交互領(lǐng)域，特別涉及一個用戶與電腦交互的觸控界面，特別涉及一個新的在平板里激發(fā)和接收超聲波的設(shè)施，該平板可用于人機(jī)交互，并附有麥克風(fēng)、觸摸屏以及音響功能。
【背景技術(shù)】
[0002]觸控意即讓電腦使用者透過觸覺達(dá)至圖像應(yīng)用控制的輸入技術(shù)。觸控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更具個性化的人機(jī)交互方式，能夠?yàn)橛脩魩砀玫膽?yīng)用體驗(yàn)。觸控界面的展示載體通常為LCD或LED屏幕。觸摸屏為典型的應(yīng)用，該應(yīng)用中，用戶透過自己的手指將信息傳給機(jī)器，機(jī)器透過視覺(顯示屏)來將這個信息解釋和展示給用戶。在這個過程中，用戶的手指往往要接觸觸摸屏，通過手指在觸控屏上的位置和運(yùn)動傳遞信息給機(jī)器。能讓電腦感受到物理上的觸碰的事物包括:熱力、指壓、高速攝影機(jī)、紅外線、光學(xué)感應(yīng)、電阻改變、超聲波接收器，微音器、雷射波幅感應(yīng)器及影子感應(yīng)器等。要使用觸控技術(shù)，傳統(tǒng)裝置必需配備觸模屏或觸控版，同時需裝載可辨認(rèn)手指觸碰的軟件。
[0003]根據(jù)已公布的資料，如W09611378 (Al)，W00038104 (Al)，以及 W02004055661 (Al)，存在一種根據(jù)點(diǎn)擊或碰撞在一個平板里產(chǎn)生的超聲波進(jìn)行計(jì)算，推導(dǎo)(X，y)坐標(biāo)值的觸控技術(shù)。此類技術(shù)通常應(yīng)用在玻璃或金屬材質(zhì)上，具有四對超聲波換能器，并通常對界面的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高信噪比，從而收集點(diǎn)擊產(chǎn)生的聲波到達(dá)不同換能器產(chǎn)生的信號。此類技術(shù)往往具有相應(yīng)的算法，能根據(jù)觸碰產(chǎn)生的振動波(超聲波)達(dá)到不同換能器組的時間差計(jì)算推導(dǎo)位置信息。此類技術(shù)可以支持多達(dá)數(shù)平方米的交互界面的設(shè)計(jì)和制造。
[0004]需要提及的是，此處及本發(fā)明提及的超聲波為觸碰產(chǎn)生的機(jī)械彈性波，在固體內(nèi)部傳遞。在物理學(xué)上，該超聲波依然是屬于聲波(acoustic waves)。
[0005]然而，目前應(yīng)用此類技術(shù)的發(fā)明擁有多項(xiàng)不足。首先，通常交互界面的面積越大，應(yīng)用此類技術(shù)的觸摸屏的精度越低，這通常是由于超聲波信息在平板里進(jìn)行固體傳遞時的衰減造成。另一方面，超聲波換能器的大小，精度以及抗電磁干擾的能力，甚至電線接入的質(zhì)量，都會對此類技術(shù)的精度造成影響，從而，為了提升精度和準(zhǔn)確性，工程設(shè)計(jì)人員往往需要在換能器外布置保護(hù)殼或通過絕緣涂層等方式減少環(huán)境因素帶來的信號污染。從而，傳統(tǒng)應(yīng)用此類超聲波到達(dá)時間差技術(shù)的發(fā)明并不適合家具或建筑行業(yè)內(nèi)的工程人員直接使用。事實(shí)上，根據(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)檢索，尚未存在一種集成了換能器后依然保持平面度的交互界面，并且該交互界面可以作為窗戶或桌面的一部分直接整合進(jìn)現(xiàn)有的工作環(huán)境如雙層玻璃或餐館桌臺里。
[0006]最后，由于此類觸控平板使用平板里傳遞的機(jī)械振動超聲波來進(jìn)行計(jì)算，通常其所采用的聲-電換能器，既可以作為麥克風(fēng)記錄語音，也可以在加載高電壓時作為音響使用，此時平板即可作為麥克風(fēng)或擴(kuò)音器的振膜。然而在人機(jī)交互界面同時提供麥克風(fēng)和音響功能時，會產(chǎn)生相應(yīng)的干擾。眾所周知，音響功能需要大功率的輸出，而相應(yīng)的發(fā)明使用的超聲波換能器會接收到音響功能輸出的振動，該振動產(chǎn)生的電信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于點(diǎn)擊產(chǎn)生的信號的強(qiáng)度，極易造成信號飽和。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題即是解決所有上述問題，并提供相應(yīng)的解決方案。本發(fā)明提供一種將點(diǎn)擊觸控產(chǎn)生的超聲波通過特別設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，使得超聲波在平板里傳遞時會根據(jù)預(yù)先制定的傳遞路線傳遞，從而提升觸控檢測的精度和準(zhǔn)確性。
[0008]為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種平面化的人機(jī)交互平板，該平板經(jīng)過特殊方法的加工，從而既可以提升觸控精度，亦可以在提供麥克風(fēng)以及音響功能時優(yōu)化信號質(zhì)量。本發(fā)明也同時提供了一種利用平板本身振動作為音響播放的高保真方案。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，本發(fā)明首先建議了一種激發(fā)-接收超聲波的設(shè)施，該設(shè)施包含了一個硬質(zhì)平板，該平板可以自由振動，并連接有數(shù)個壓電陶瓷換能器。該平板的厚度，其邊緣的加工以及該平板的固有振動頻率均是本發(fā)明的核心參數(shù)。事實(shí)上，當(dāng)該平板被應(yīng)用于檢測一個點(diǎn)擊觸碰的位置時，根據(jù)信號處理的算法，我們檢測由點(diǎn)擊產(chǎn)生的非對稱超聲波，該點(diǎn)擊可以由手指，筆，硬塑料外殼，鑰匙，戒指等各類物體產(chǎn)生。為了實(shí)現(xiàn)良好的精度，我們主要關(guān)心點(diǎn)擊時產(chǎn)生的多頻率振動波中高頻的部分，特別是80kHz到10kHz的部分。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)點(diǎn)擊平板的物體越大材質(zhì)越軟，觸碰產(chǎn)生的超聲波頻譜約偏向低頻，而檢測的精度越低。
[0010]本發(fā)明涉及的機(jī)械彈性振動波，或所謂超聲波的典型波長為40_，涉及平板材質(zhì)為玻璃或硬鋁。本發(fā)明涉及的壓電陶瓷換能器的尺寸需要小于波長的一半。平板材質(zhì)為玻璃時，其厚度處于0.5mm和20_之間，其邊長最高為6.8米。在此配置條件下，點(diǎn)擊觸碰所產(chǎn)生的機(jī)械彈性波為Lamb型超聲波。此類超聲波特點(diǎn)，為在我們考慮的頻率范圍內(nèi)，只存在兩種振動波傳遞模式，一種為對稱型，一種稱為非對稱型。而當(dāng)平板材質(zhì)為玻璃或金屬時，非對稱型傳遞方式的超聲波的振幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對稱型傳遞方式下的超聲波。從而，針對非對稱型傳遞超聲波進(jìn)行檢測，對于點(diǎn)擊觸碰的力度輕微時更有優(yōu)勢。然而，問題在于非對稱型傳遞的速度比對稱型傳遞要慢，在典型的玻璃平板應(yīng)用場合下，非對稱型超聲波傳遞速度為每秒3300米，而對稱型傳遞速度為每秒5400米。
[0011]考慮到我們并不預(yù)先了解點(diǎn)擊觸碰的大小和方式，我們需要事先選擇兩種傳遞方式中的一種進(jìn)行監(jiān)測。Lamb型超聲波的另一個特點(diǎn)，是其傳遞模式可以根據(jù)邊界條件進(jìn)行篩選。Lamb型超聲波的傳遞，可以看做是平板內(nèi)部的一個機(jī)械彈性橫波和一個機(jī)械彈性縱波的集合。可以觀察到，在非對稱傳遞模式下，橫波針對平板中層面為非對稱分布，而縱波為對稱分布，而在對稱傳遞模式下則恰恰相反，縱波為非對稱分布。此種特性可以被利用來在監(jiān)測時對不同傳遞模式進(jìn)行限定和篩選。我們只需將尺寸完全相同，具有完全一致規(guī)格的聲電換能器兩兩一對，分別在平板的上下表面對稱粘貼，在激發(fā)或檢測超聲波時同時檢測，可以根據(jù)電信號的疊加或相減，選擇非對稱模式或?qū)ΨQ模式下的超聲波信號強(qiáng)度。典型情況下，我們選擇將兩兩一對的換能器信號疊加，也就是說，增強(qiáng)了非對稱模式超聲波信號的同時，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)去除了對稱模式下的超聲波信號。
[0012]類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了將兩兩一對的換能器對稱的貼在平板的倒腳的上下表面，也可以在平板的側(cè)邊使用。而此時對加工精度的要求更高，此時平板邊緣往往需要拋光打磨，且尺寸較小對換能器的安裝精度要求更高。
[0013]在上述配置下，我們可以使用四組換能器來檢測點(diǎn)擊位置。每組換能器擁有兩兩相對的一組聲電換能器，分別占據(jù)平板的四個幾何頂點(diǎn)。平板的幾何形狀可以是正方形也可以是長方形。檢測位置的計(jì)算，通過觀察觸碰產(chǎn)生的超聲波到達(dá)不同頂點(diǎn)的時間差來計(jì)算。同時，此平板也具有了聲波信號的天線性質(zhì)，本發(fā)明涉及的設(shè)施可利用四組換能器以檢測非對稱模式下的聲波信號傳入平板內(nèi)的振動信號的方式，實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)功能。從而，換能器在非對稱模式下檢測到的超聲波生成的電信號需要進(jìn)行兩步處理。首先，是針對換能器采集到的信號進(jìn)行編程放大，其次是根據(jù)不同的功能需求進(jìn)行帶通濾波。分別是針對位置檢測也就是觸控功能，在10kHz附近的濾波，以及針對錄音功能，在0-4kHz范圍內(nèi)的模擬麥克風(fēng)信號的濾波。每組換能器均可單獨(dú)提供一組錄音信號，考慮到超聲波信號達(dá)到不同換能器組的時間不同，不