Подробное описание:

Электронное колье, в дальнейшем – «Эл.колье» - устройство для беспроводной приемо- передачи электромагнитного сигнала c нелицензируемыми параметрами (например, Bluetooth, Kleer, ZigBee, AirPlay, Ultra-Wide Band и др.) между самим устройством и (или) телефоном, плеером, радиостанцией, компьютером, а в случае, если электронное колье само несет функцию смартфона, то и собственным интерфейсом в виде карманного беспроводного экрана и клавиатуры, обеспечивающее передачу и прием через проводные наушники и микрофоны аудио сигнала между пользователем и устройством воспроизведения, где устройством воспроизведения может быть как само электронное колье, так и различные электронные устройства, обеспечивающие беспроводную связь с эл.колье, которое может быть носимо постоянно, преимущественно под одеждой, с возможностью управления и регулирования без непосредственного визуального контакта с устройством, путем тактильного осязания (прощупывания) поверх одежды кнопок и клавиш, находящихся под одеждой, с возможностью манипуляций ими не доставая прибор из под одежды, где кнопки и клавиши защищены от случайных нажатий и срабатываний путем или дублирования (двойное нажатие двумя пальцами двух, находящихся в разных местах кнопок для изменения одной функции), или наличием защитных валиков вокруг клавиш, которые, в свою очередь, помогают пользователю идентифицировать нужную ему клавишу.

Устройство состоит из электронного блока в виде колье и соединенных с ним через дополнительный задний провод наушников, причем наушники могут иметь особую плоскую форму, что способствует их комфортному длительному ношению и не препятствует их размещению в задней части эл.колье в нерабочем положении устройства и вышеуказанные наушники могут иметь две переключаемых формы: закрытую, с более качественной передачей звука и пассивным шумоподавлением, и открытую, неизолированную, где микрофоны для снятия речи носителя (от трех до девяти) имеют особую топологию на эл.колье, что, не изменяя внешний облик пользователя, позволяет снимать его речь не поднося специально микрофон к его рту, где место соединения нижнего конца заднего провода наушников с колье при ношении оказывается на верхней задней поверхности спины, с использованием дополнительного узла крепления заднего провода и проводов наушников на верхней задней поверхности шеи под затылком, что в рабочем состоянии способствует фиксации проводов наушников и самих наушников, уменьшает и упорядочивает экскурсию подвижных длин проводов, а в нерабочем состоянии позволяет разместить снятые наушники и их провода в задней части электронного колье без необходимости снимать все устройство. Общий вид эл.колье в одном из предпочтительных воплощений  и способ его ношения приведен на Рис.1-9.

Область использования

Аналоги.

Почти во всех присутствующих на рынках Bluetooth стерео гарнитурах имеются свободно висящие провода наушников, имеется излишек их при провисании, выбиранием этого излишка и обеспечивается не выдергивание наушников при движении головы, хотя, если провода излишне длинны, их собственный вес способствует выпадению наушников, а если коротки, они выдергивают их из ушей при движении головы.

Недостатки: изменения в той или иной мере внешнего облика пользователя; свисающие, болтающиеся провода; искажение речи пользователя, если не имеется микрофона, размещенного напротив рта говорящего; ограничения и трудности в управлении и регулировки гарнитуры; необходимость размещения в кармане или в сумке в неработающем положении; короткое время работы; невысокое качество звука у моногарнитур; неудобство и дискомфорт при длительном ношении.

В эл.колье, благодаря особому креплению проводов наушников и наличию дополнительного узла фиксации их между собой в определенном месте, что приводит к образованию субокципитального узла, длина заднего провода рассчитана таким образом, что она всегда равна, но не меньше расстояния, возникающего при максимальном повороте и наклоне головы между неподвижной задней частью колье и местом соединения заднего провода и проводами наушников в районе 1-го шейного позвонка. Длина заднего провода рассчитана так, чтобы его экскурсия или длина провисающей части была минимальна

Отличие от существующих на рынке устройств:

  1. Стерео гарнитура постоянного ношения в виде электронного колье, соединенного с наушниками подпружиненным проводом с дополнительным узлом фиксации проводов наушников, отличается от существующих большими размерами устройства анатомически эргономичной формы, что дает возможность разместить в ней дополнительную аппаратную базу (микрофоны, DSP процессор для обработки сигналов, более емкую батарею питания и т.д.).
  2. Эл.колье, соединенное с наушниками подпружиненным проводом, в отличие от существующих стерео bluetooth гарнитур, соединенных с наушниками различными способами, имеет минимально возможную длину свободно лежащих (то есть, склонных к провисанию) проводов, а остальные провода (длинной около двух третей общей длины всех проводов) располагаются вдоль и на поверхности тела, натянуты, не провисают, наушники крепче держатся в ушной раковине и наружном слуховом канале, что изменяет внешний вид носящего их человека незначительно, не ограничивается свобода его движений, наушники легко снимаются с ушей и прячутся под одеждой, легко извлекаются из-под одежды, или из-под воротника сзади из специального мягкого кармана заднего блока электронного колье и надеваются на ушную раковину при получении вызова.
  3.  Длина проводов от дужек наушников до места соединения проводов регулируется, что в отличие от существующих образцов позволяет подгонять провода наушников под индивидуальный размер носящего и, соответственно, обеспечивает более плотное прилегание проводов, надежность ношения, не изменяет значительно внешний вид пользователя.
  4.  Плоские наушники особой формы, имеющие два режима использования – «комфорт», с возможностью длительного комфортного ношения и для передачи звука в узкой полосе частот (300-3500Гц) при среднем качестве и возможностью слышать звуки окружающей среды, и режим «качество» - для пассивного шумоподавления и донесения до органов слуха человека звуковых колебаний в широком диапазоне частот с высоким качеством, при этом наушники приспособлены для хранения, будучи прижатыми к телу человека на находящимся на теле человека электронном колье, не снимаемом даже в нерабочем состоянии (с убранными наушниками), при этом наушники не цепляются за одежду при сворачивании, не доставляют неудобств пользователю при хранении.
  5. Эл.колье плотно прилегает к телу и имеет встроенный виброзвонок, где виброзвонок можно настроить на несколько вариантов вибрации и, отключив громкий звонок телефона, не пропустить вызов или сообщение, имея возможность по разным степеням настройки виброзвонка дифференцировать разные типы вызова и сообщений.
  6. Для управления эл.колье, в отличие от существующих стерео bluetooth гарнитур, его не нужно доставать из кармана или из-под одежды, независимо от одежды носителя устройства.
  7. При снятии эл.колье легко складывается (сворачивается особым образом при наличии цепи, ленты или плоского провода), что исключает спутанность проводов.

 

Описание для специалистов:

Стерео гарнитура постоянного ношения, выполненная в виде колье, ожерелья, шейного платка, цепочки, провода, ярма, хомута, ошейника, петли, застегивающаяся (преимущественно у женщин), или надеваемая на шею через голову, преимущественно на голое тело, соединенная с двухсторонними вставными стереонаушниками, служит для связи с мобильным телефоном, плеером, радиостанцией, может при этом сама являться телефоном (смартфоном), радиостанцией, плеером, радио, Wi-Fi или GPS приемником, не связывает руки носителя, обеспечивает лучшее качество связи, не затрудняет движение пользователя при неиспользовании.

Принципиальная схема эл.колье: фронтальная часть эл.колье (передний блок), несущий аппаратно-программный комплекс, располагается на груди пользователя, задняя часть эл.колье располагается на дорзальной поверхности верхней части спины, на границе с шеей, в состав её могут входить как соединительно-регулировочные, так и протяжно-сматываемые механизмы. Обе части соединяются посредством проводов, образующих гибкие боковые шлейфы – правый и левый , идущие кольцеобразно вокруг шеи и соединяющиеся в районе задней части электронного колье, откуда, в свою очередь отходит задний провод, являющийся частью проводов наушников.

Фронтальная часть эл.колье – передний блок выполнен в виде медальона, в который могут быть вмонтированы: Радио приемник-передатчик (например Bluetooth приемник-передатчик), принимающий сигнал, например с сотового телефона, там же может находиться батарея, плеер, радио, флэш накопитель, электронный ключ, приемник спутникового сигнала (например GPS приемник), передающий координаты местоположения для навигации пользователя при соответствующем программном обеспечении.

В состав возможных электронных компонентов, вмонтированных в передний блок может входить как Bluetooth чип, так и GSM модули, GPS или Глонасс модули спутниковой навигации, модуль Near Field Connection, который может использоваться: для быстрого включения и сопряжения эл.колье с телефоном и (или) экранно-клавиатурным блоком; для надежного хранения информации и обмена паролями и ключами с тем же блоком, если он служит электронным ключом к электронному замку, причем основная информация хранится в эл.колье, а передача кода осуществляется путем приложения телефона (или экранно-клавиатурного блока, если основные функции смартфона в эл.колье) к эл.колье, затем уже смартфон прикладывается к электронному замку, причем после осуществления функции, требующей запрос кода, телефонный блок «забывает» код. Информация, хранящаяся в эл.колье более защищена от потери, так как хранится буквально на теле пользователя, а передается посредством NFC на близком расстоянии, что исключает несанкционированное копирование.

Несущие провода колье соединяют переднюю и заднюю часть эл.колье, идут кольцеобразно вокруг шеи, могут быть в виде простого круглого провода, плоского провода, шлейфа, цепи, внутри которой спрятан провод. Цепь или плоский провод могут быть с изменяемой шириной (более широкие в месте прикрепления к передней и(или) задней части эл.колье и утончаются к середине шлейфа). Некоторые элементы шлейфа могут нести на себе элементы интерфейса (кнопки и клавиши), выносные МЭМС микрофоны, и(или) основные или дополнительные батареи питания.

Задняя часть эл.колье  - узел одновременного сочленения несущих проводов эл.колье (правого и левого шлейфа) и проксимальных концов проводов наушников, что дает образование узла, схожего с галстуком, так называемого «заднего галстука», в котором может быть размещены и(или) противовес, обеспечивающий постоянное натяжение проводов наушников, и (или) дополнительная или основная батарея и(или) может находиться катушка натяжения заднего провода, или прокатывающие провод валики, виброзвонок (при их наличии), а так же все то, что могло быть размещено в передней части колье. При размещении каких либо механизмов и устройств в заднем галстуке его можно называть «задним блоком».

Наушники с заушными упругими, крючкообразными дужками или полудужьями, каждый провод от наушника проходит внутри дужки, огибая ушную раковину сверху, затем спускается за ушной раковиной назад и вниз, идет приблизительно по границе роста волос, соединяется с проводом от противоположного наушника в центре нижней затылочной части головы, на уровне первого шейного позвонка, и далее уже в виде одного заднего провода уходит вниз по задней стороне шеи, соединяясь с задней частью эл.колье, лежащем на верхней части спины в районе седьмого шейного или первых грудных позвонков.

В некоторых вариантах эл.колье можно вообще отказаться от передающих проводов, оставить только силовой, а в каждом наушнике - передающий и принимающий беспроводной модуль. Но в любом случае, наушники соединяются с эл.колье с помощью проводов, соединение происходит в верхнесрединной области задней части эл.колье, а провода наушников имеют дополнительный узел сопряжения – субокципитальный узел, что ведет к образованию заднего провода.

Фиксация проксимальных концов проводов наушников с задней частью электронного колье осуществляется в точке, расположенной в желобообразном углублении между остистыми и поперечными отростками позвонков sulcus dorsalis, на уровне 2-3 грудных позвонков в межлопаточной области, где по месту прикрепления по медиальным краям обеих лопаток передней зубчатой мышцы – musculis  serratus anterior, а также большой и малой ромбовидных мышц  musculae rhomboidei major et minor в зависимости от телосложения и развития подкожно- жировой клетчатки образуется разной степени выраженности ямка размером около 4х5 см., В вышеуказанной ямке может помещаться (при его наличии) задний блок электронного колье, который может нести в себе механическое устройство сматывания проводов и наушников, не выступая над поверхностью тела и, таким образом, доставляя минимум неудобств пользователю. Далее задний провод (или сдвоенный задний провод), выходя из точки фиксации с колье, направляется вверх к затылочной части головы по дорзальной поверхности шеи, по паравертебральному углублению sulcus costae vertebralis major, где достигнув точки разветвления, которая располагается под наружным затылочным бугром на уровне 2-3 шейных позвонков, провод разделяется на правый и левый и, практически совпадая с верхней затылочной линией черепа, проходит в косом передне-верхнем направлении (чуть выше или по линии роста волос), через сосцевидные области regionеs mastoideae шеи, выше сосцевидных отростков, через проекцию  ligamentum auriculare superior, прикрепляющую верхнюю часть хряща ушной раковины к чешуйчатой части височной кости по верхнему отделу ушной раковины между передним завитком и козелком наружного уха к точке фиксации в наушнике соответствующей стороны.

Фиксация провода в субокципитальной точке достигается за счет плотного прилегания к дорзальной поверхности шеи и головы в точках проведения, наличию таких фиксирующих анатомических образований, как наружный затылочный бугор и латеральные затылочные выступы, а так же натянутость по типу подпруги полуопоясавших голову проводов наушников.

При данном способе крепления подвижен только так называемый задний провод, и только он имеет свободно провисающий участок провода, длина которого (экскурсия) меняется при поворотах головы в горизонтальной плоскости, отклонении головы назад, качание из стороны в сторону, а так же при сочетании этих движений, то есть, при всех возможных вариантах, возникающих в замкнутых кинематических цепях шеи. 

Провода наушников фиксируются на коже головы и неподвижны относительно головы носителя, т.е. не имеют экскурсии; их длина не меняется при всех вышеописанных движениях.

Фиксация проводов наушников между точками BC и BD способствует так же сотовое соединительнотканное строение подкожно-жировой клетчатки затылочной области, малая смещаемость кожных покровов в этой зоне, наличие идущих в поперечном направлении на коже так называемых Лангеровских линий, а так же прохождение провода по ложбине заушной впадины и расположение наушников в наружном ухе.

Фиксации наушников в наружном ухе служит и особая конструкция наушника, не имеющего дужки, но имеющего так называемое «полудужье» - жесткую часть, прикрепленную к корпусу наушника, лежащего в наружном ухе, и продолжающуюся вверх от ножки завитка ушной раковины по восходящей части завитка к ligamentum auriculare superior, месту прикрепления верхней части ушной раковины к височной кости. И уже далее от этого «полудужья» отходит гибкий провод, перегибаясь через вышеуказанный ligamentum auriculare superior под углом около 45°, образуя рычаг, где при случайном срывании проводов наушников, то есть, при натяжении провода наушника с вектором натяжения вниз и назад, возникающий момент силы фиксирует наушник  между козелком и наружным слуховым проходом.

В различных воплощениях конструкции, предусматривается наличие механизма, размещенного в задней части эл.колье, то есть, в «заднем галстуке». Вышеуказанный механизм, при рабочем положении наушников, способствует или подбору свободно висящей части заднего провода, возникающей при различных вариантах движения, особенно при запрокидывании головы назад, или его удлинение при вытягивании из заднего галстука, возникающем при наклоне головы вперед и вниз, то есть, задний провод может быть автоматически изменяемой длины. Данная функция обеспечивается путем подтягивания (наматывания, или частичного свертывания) заднего провода, а сматывающее усилие частично сбалансировано весом устройства, частично силами трения о кожу и об одежду (чему может способствовать и шероховатая поверхность устройства), а еще и упором верхнего края заднего галстука в образовавшуюся внутреннюю часть дуги при изгибе шеи несколько назад при нормальном положении головы. Таким образом, вышеуказанный задний провод может иметь изменяемую длину и находится под постоянным слабым натяжением, что полностью исключает его провисание и скручивание под одеждой при движениях головы во всех плоскостях и направлениях и биомеханических сочетаниях направлений, поскольку кинематическая схема движений в этой системе предусматривает только однонаправленное увеличение или уменьшение длины провода между условно фиксированными точками под затылком и на верхней части спины. Максимальная экскурсия заднего провода при движениях во всех направлениях индивидуально детерминирована и подбирается каждым пользователем с помощью несложных настроек, поднимая или опуская точку фиксации заднего провода и проводов наушников, с возможностью изменения длин проводов наушников и заднего провода, ориентируясь на индивидуальные антропометрические данные пользователя.

С точки зрения биомеханики следует указать, что движения головы описываются исходя из замкнутых кинематических схем, и экстраполяция даже достаточно сложных комбинаций движений головы на созданные точки фиксации можно рассматривать только в одной описательной категории – удлинение-укорочение расстояния AB, соответственно, провода, между точками А - задней частью электронного колье), и точкой В – практически неподвижной относительно головы точкой разветвления заднего провода и проводов наушников под наружным задним затылочным бугром. В силу особенностей анатомии человека, задний провод, лежащий на оси AB, имеет очень малую смещаемость относительно верхней части шеи и головы при их совместных движениях, а так же субокципитальный узел B фиксации проводов наушников обеспечивает несильную, но необходимую для их неподвижности натянутость оставшихся двух третей проводов правого и левого наушника, V-образно отходящих от их верхнего узла крепления, вышеуказанные провода наушников правый и левый, располагаясь относительно неподвижно на поверхности головы, полуобвивая её, способствуют дополнительной фиксации вставных наушников в полости ушной раковины и исключают свободное провисание проводов наушников, В результате такой фиксации при движениях головы свободно провисает лишь задний провод на участке минимальной длины, которая может быть легко выбрана механизмом натяжения с минимальным усилием. Одновременно, гибкость и эластичность проводов без жестких оголовий дает возможность сматывать провода наушников и задний провод в различные катушечно-петлевые системы, которые могут быть размещены или в переднем, или заднем блоке эл. колье, где наушники, имеющие специальную форму, при сматывании проводов автоматически прячутся в мягкий карман в заднем блоке (в заднем галстуке), исключая необходимость снимать все эл. колье при неиспользовании, так как размещенное под одеждой эл. колье не видно стороннему наблюдателю и почти не ощущается самим пользователем. При поступлении звонка, пользователь, слегка наклонив голову вперед, вытягивает одной рукой наушники, находящиеся в мягкой емкости в заднем галстуке и размещает их в ушной раковине, другой рукой, одновременно держа передний блок и нажимая двойные клавиши разблокировки стопора пружины катушки, сматывающей провода наушников, этим же удерживает переднюю часть эл.колье на месте, не давая, таким образом, подниматься и задней части при вытягивании наушников вверх, после чего отжимает стопор пружины, фиксируя катушку и не давая возможности проводам намотаться обратно на катушку. Все эти манипуляции могут выполняться, не доставая эл.колье из-под одежды, удерживая рукой передний блок и одновременно нажимая клавиши стопора, манипулируя руками поверх одежды.

 

Особенности соединения наушников с эл.колье.

Устройство можно представить как состоящее из двух основных частей и их подвижного соединения:

-первая, головная, неподвижная относительно головы носителя часть конструкции состоит из правого и левого наушников мягких или жестких дужек наушников, огибающих ушную раковину сверху, правого и левого проводов наушников;

-вторая, неподвижная относительно тела носителя часть устройства – колье, состоит из фронтальной (передней) части, в котором находится приемник передатчик радиосигнала и органы управления им, тыловой (задней) части (задний галстук), а также кольцеобразного, передающего провода колье, соединяющей переднюю и заднюю часть.

Каждый провод от наушника огибает сверху ушную раковину, спускается за ушной раковиной назад и вниз, идет приблизительно по границе роста волос, соединяется с проводом от противоположного наушника в центре нижней затылочной части головы, где находится регулирующий длину заднего провода верхний зажим, на уровне первого шейного позвонка, и далее уже в виде одного заднего провода, или пары задних проводов, уходит вниз по задней стороне шеи, соединяясь с задней частью колье, лежащей на верхней части спины в районе первых грудных позвонков.

Регулируемый верхний зажим 201 затягивается пользователем устройства при надетых наушниках максимально туго под нижний затылочный бугор, на уровне первого шейного позвонка, этим обеспечивая постоянное натяжение проводов наушников, которые расходятся от него Y-образно вверх и в стороны по направлению к ушным раковинам, огибая их сверху и заканчиваясь наушниками, а наушники, в свою очередь, фиксируются в ушных раковинах, что способствует образованию растяжки между задним проводом и двумя проводами наушников, которые таким образом плотно прилегают и частично обвивают внизу и сзади голову. Подобная растяжка и возникающая сила трения проводов о кожу, закрепляют наушники в ушах, заставляя плотно прилегать дужки и отходящие от них провода на коже головы, препятствует выпадению наушников и провисанию проводов.

Как уже упоминалось выше, гарнитура предназначена для ношения под одеждой. Это означает, что ее геометрия должна быть выбрана так, чтобы минимизировать перемещение той ее части, что покрыта одеждой. Для этой цели используются зажимы задней части провода. В этом случае длина свободно висящего провода на участке между зажимами должна быть минимальна.

 
Таблица 1. Сравнение экскурсий и максимальной длины проводов (Lmax) гарнитур различной геометрии
 

Таким образом наличие двух оптимально расположенных задних узлов А и В способствует не только минимизации провисания проводов, но и организовывает натяжение проводов, отходящих от узла В к наушникам. Поскольку провода эти находятся на искривленной поверхности шеи, данное натяжение создает давление на кожу (см. Рис.20). В результате этого давления возникает сила трения провода о кожу, которая дополнительно закрепляет наушники в ушной раковине. Таким образом, закрепляющее усилие сосредотачивается не только на ушных раковинах, и не только за счет закрепления наушников в наружном слуховом проходе, а еще и равномерно распределено по всей длине провода, что существенно облегчает ношение наушников. Узел В (субокципитальный узел) удерживается в фиксированном положении вследствие равномерного распределения различных сил, возникающих в субокципитальной точке при данной геометрии расположения проводов и их взаимного сочленения, учитывающее анатомические особенности человека.

В одном из воплощений верхний узел фиксации проводов наушников между собой имеет возможности регулировки путем изменения положения верхнего узла фиксации вверх или вниз по ходу расположения проводов наушников с изменением длин вышеуказанных проводов наушников, обратно пропорциональной изменению длины заднего провода.

В некоторых воплощениях регулировка длины шлейфа производится путем замены пары проводов разной длины, которые входят в комплект эл.колье NeckTec. Правый и левый провода шлейфа между верхней кнопкой шлейфа и задним блоком имеют разъемы с обоих концов с контактными группами; одним разъемом провод крепится к верхней кнопке шлейфа, вторым разъемом – в области заднего блока.

В некоторых воплощениях электронного колье, в частности там, где в заднем блоке имеется катушка, наматывающая провода наушника, или валики, протягивающие данные провода, целесообразно разделить правый и левый провода наушников и наматывать (или прокатывать) их раздельно с целью исключить вероятность спутанности проводов между собой. Но в то же время, необходимо сохранить фиксацию проводов наушников в рабочем положении под затылком пользователя, то есть, сохранить субокципитальный узел. Одно из решений,  способствующих раздельному наматыванию (или прокатыванию) проводов наушников в заднем блоке с сохранением субокципитального узла под затылком пользователя в рабочем положении, откуда Y-образно разделяются провода наушников, идущих к правой и левой ушной раковине, является наличие пружины или пружинной сетки, имеющей форму трубки, внутри которой проходят провода наушников.

В верхней части данной сетки-пружины, в корпусе втулки для проводов, может находится вспомогательный задний (затылочный) микрофон. Пружинка, образованная сеткой, может быть пружиной растяжения (что предпочтительно в большинстве вариантов), или пружиной сжатия.

Сетчатая трубчатая пружина, внутри которой проходят провода наушников, одним кольцевым концом, сквозь который проходят провода наушников, крепится к заднему блоку эл.колье, а второй её конец, сквозь который выходят провода наушника и Y-образно направляются при рабочем положении эл.колье к правой и левой ушной раковине, свободен. Сетчатая трубчатая пружина может быть по форме сплющенного усеченного конуса, где основание конуса своим нижним кольцом закреплено по верхнему краю мягкого кармана наушников, расположенного в верхней части заднего блока эл.колье, а в верхней части пружинной сетки-конуса имеются две направляющие втулки для проводов наушника. В том случае, если сетка-пружина является пружиной растяжения, то при раздельных проводах наушников и при вытягивании пользователем  наушников и проводов наушников, нижние трети проводов наушников (задние провода), сформованы более широкими, чем верхняя часть проводов наушника (или имеют утолщение в верхней части заднего провода), что приводит к вытягиванию конусообразной сетки из мягкого кармана наушников, при этом верхняя втулка сетки-пружины служит при этом субокципитальным узлом и располагается на теле пользователя в рабочем положении именно там, где и должен располагаться субокципитальный узел. Утолщение в верхней части задних проводов может быть заменено подвижным бегунком с возможностью регулировки длины каждого заднего провода и проводов наушников. В нерабочем положении эл.колье, конусообразная сетка укладывается в задний мягкий карман, укутывая собой наушники.

Простейшие решения с задним проводом, размещенным в пружине и варианты ношения наушников в нерабочем положении, приведены на Рис.33-35.

В более сложных воплощениях эл.колье, в заднем блоке могут находиться элементы регулировки длины проводов и механические устройства для сматывания и хранения проводов наушников и самих наушников в нерабочем состоянии эл.колье.

Наушники.

Для использования в составе эл. колье наушники должны удовлетворять нижеследующим требованиям:

-возможность длительного комфортного ношения в рабочем положении;

-компактность и эргономичность, т.к. в нерабочем состоянии наушники убираются в задний блок эл. колье и их форма должна быть максимально сглаженной, плоской и исключающей какую либо крючкообразность для предотвращения цепляния за одежду или какие либо элементы самого эл.колье;

-при необходимости обеспечивать высокое качество воспроизведения звука и донесение его без искажений до органов слуха человека, что в небольших вставных наушниках возможно только при плотной закупорке наружного слухового канала ниппелем наушника, дабы раскачивать только тот объем воздуха, который находится в наружном слуховом канале (особенно актуально для низких частот).

Анализ всех существующих на рынках и в патентной литературе образцов и моделей вставных наушников обнаруживает недостатки в их конструкции, затрудняющие, или ведущие к невозможности их использования в составе эл. колье.

Наушники, обеспечивающие высокое качество звучания предполагают максимально глубокое вхождение ниппеля наушника в слуховой канал уха и его плотный контакт вместе с амбушюром к стенкам слухового канала уха (распирающий стенки), что в случае продолжительного использования вызывает болезненные ощущения в слуховом проходе, так как поверхность хряща и кожи вокруг выхода из наружного слухового канала одна из наиболее чувствительных областей.

Противоположная проблема использования вставных наушников - они выпадают из ушной раковины в случае их неплотного вставления в слуховой канал. Некоторые производители пытаются решить данную проблему размещением на наушнике дополнительных мягких и гибких упоров (мягких пружин), упирающихся в противозавиток или даже в нижнюю ножку противозавитка, но данные приспособления оказывают раздражающее и давящее воздействие уже на другие, не менее чувствительные части ушной раковины. В качестве примера и доказательства вышеизложенного, можно рассмотреть два варианта дужек очков – так называемые «детские» очки с полуокруглыми дужками, охватывающими conchae снаружи и сзади - такой вариант имеют дешевые модели и длительное их ношение часто вызывает дискомфорт, так как conchae очень чувствительна как изнутри, так и снаружи (хотя при кратковременном использовании дискомфорта можно даже не заметить). Дужки дорогих моделей очков удерживаются не сдавливая ушную раковину, а путем упругого полуохвата черепа человека, который имеет гораздо меньшую тактильную чувствительность.

Кроме того, форма всех известных наушников не позволяет их использовать в эл. колье по следующим причинам – выступающий под углом к корпусу наушников ниппель, а так же место входа проводов в наушник создают наушнику неровную и крючкообразную форму, или делают его чрезмерно широким, в связи с чем наушники будут цепляться за одежду и препятствовать их убиранию в мягкий карман, расположенный на заднем блоке эл.колье, а так же доставлять неудобство при ношении наушников на теле, в кармане эл.колье при нерабочем положении.

При разработке наушников постоянного (длительного) ношения необходимо учитывать строение, иннервацию и кровоснабжение раковины человеческого уха, чтобы не оказывать длительного раздражающего и давящего воздействия на наиболее чувствительные места ушной раковины.

Кровоснабжение ушной раковины осуществляется за счет задней ушной артерии, поверхностной височной артерии и ветви внутренней челюстной артерии. Кровь с ушной раковины собирается в поверхностную височную и заднюю ушную вены, которые обычно идут вместе с артериями.

Иннервация ушной раковины осуществляется большим ушным, малым затылочным, тройничным нервами, нервными окончаниями смешанных ветвей блуждающего, языкоглоточного и лицевого нервов.

Таким образом, при детальном изучении схем нервов и кровеносных сосудов, с высокой степенью вероятности, наименее чувствительным к продолжительному тактильному механическому воздействию оказывается участок ушной раковины в месте примыкания полости раковины к обратной стороне противокозелка. Именно в нижней части полости раковины и должен быть сосредоточен основной вес наушника, размещенного в ушной раковине с допустимым незначительным воздействием на козелок - нижнюю часть противозавитка (спереди-сзади), и внутренняя часть противокозелка – полость раковины (с боков).

Второй опорной точкой (из которой выходит провод наушников) может являться край височной кости, чуть выше и над надкозелковым бугорком, уже снаружи ушной раковины. Данное место наименее чувствительно потому, что оно уже не является ушной раковиной, здесь находится обширная малочувствительная соединительно-тканная зона –ligamentum auriculare anterius (связка ушной раковины передняя), и все нервы и артерии проходят под данной связкой, в связи с чем, поверхность над ligamentum auriculare anterius является малочуствительной к длительному сдавливанию.

При использовании наушников для разговора по мобильной связи в тихом помещении нет необходимости обеспечивать высокое качество звука, т.к. пропускная способность сетей мобильных операторов не превышает диапазон 300- 3500 Гц. Также в некоторых случаях, (на улице, за рулем автомобиля) желательно не закрывать полностью слуховой канал для адекватного восприятия шумовой активности окружающей среды.

Таким образом, целью нашей разработки являлись наушники, способные обеспечить два состояния - первое - для длительного комфортного ношения со средним качеством звука, но достаточное для разговора по телефону или прослушивания голосовых подкастов в отсутствии сильных побочных шумов и с возможностью слышать окружающую среду. Второе положение - обеспечивающее высокое качество звука и пассивное шумоподавление, что необходимо, например, при прослушивании музыки или при телефонном разговоре в шумном помещении.

Для достижения поставленных задач, которые часто имеют несхожие между собой цели и предполагающие неодинаковые, зачастую противоположные решения, вставные наушники в составе эл.колье должны иметь или два способа ношения – «комфорт» и «качество», или иметь конструктивную возможность переключаться из положения «комфорт» в положение «качество».

Далее будут рассмотрены различные варианты подобных механизмов наушника.

Наушники, предполагающие два способа ношения:

 -в режиме «комфорт», наушник имеет плоскую, обтекаемую форму, в некоторых воплощениях близок к треугольной форме, корпус наушника расположен в нижней части полости раковины, где и сосредоточен его основной вес с допустимым незначительным упором на козелок - нижнюю часть противозавитка (спереди-сзади), и внутреннюю часть противокозелка – полость раковины (с боков). Ниппель наушников короткий, широкий и куполообразный, находится ниже и снаружи от входа в наружный слуховой канал, не входит в канал, но направлен вверх и внутрь в его сторону. Второй опорной точкой (из которой выходит провод наушников) являться край височной кости, чуть выше и над надкозелковым бугорком. Соединяются между собой две упорные точки наушника путем упругой, дугообразной, вогнутой наружу планки, в которой (или по которой) проходят токопроводящие элементы, при этом упругая планка своим нижне-задним концом охватывает корпус наушника в его задней части, примыкающей к противокозелку, а вторым концом соприкасается (и прижимается) своей плоской поверхностью к височной кости, немного выше и спереди надкозелкового бугорка, где вышеуказанный второй конец дополнительно защищает место выхода проводов из наушника.

- в режиме «качество» пользователь, вынув наушники, проворачивая их по их продольной оси на 60-90° вверх (против часовой стрелки правый наушник, и по часовой левый), и, одновременно располагая эту ось ближе к перпендикуляру к поверхности тела, вставляет их максимально глубоко передним концом именно в ушной канал, обеспечивая плотное прилегание корпуса наушника к стенкам слухового канала, несколько распирая его. Задняя часть наушника оказывается, таким образом, под межкозелковой вырезкой, а верхняя часть планки, откуда выходят провода наушников, упирается снаружи в восходящую часть завитка.

В других воплощениях, пользователь не меняет положения самих наушников, а смена положения «комфорт» на «качество» обеспечивается путем затыканием наружного слухового канала мягким упругим обтуратором, и(или) путем выдвижения самого ниппеля наушников, и(или) расширением амбушюр.

Положение наушников при длительном ношении: они лежат свободно в нижней внутренней части ушной раковины, а ниппель наушников короткий, находится рядом со входом в наружный слуховой канал, но не входит в него. Наушники не воткнуты постоянно в наружный слуховой проход, но этого достаточно для слухового восприятия речи через наушники в отсутствие посторонних шумов. Но для шумоизоляции и(или) прослушивания музыки (особенно низких частот) необходимо заткнуть отверстие в наушнике с помощью подвижной звукоизолирующей перегородки или вставить ниппель наушника и(или) амбушюры глубже в слуховой канал, или рукой, или посредством дополнительного механизма (гидравлического или электромеханического), расширяющего и(или) удлиняющего ниппель наушника и(или) амбушюры и способствующему плотному прилеганию последней к стенкам наружного слухового канала.

Наушник, если он полностью закрывает слуховой проход, может иметь верхнее отверстие или выемку, ведущую снаружи внутрь к слуховому проходу, где внутренний конец выемки или отверстия достигает наружного слухового прохода уха таким образом, чтобы за счет отверстия или выемки не полностью перекрывался слуховой проход и к нему был открыт доступ наружных звуков.

При наличии поворотного или вставного обтуратора на корпусе наушников, имеется возможность заткнуть отверстие или желоб для перекрытия доступа звуков окружающей среды, не перекрывая, тем не менее, доступ звуков от динамика наушника к наружному слуховому каналу.

При наличии планки, верхнее (внешнее) вышеуказанное отверстие или выемка расположена таким образом, что при нажатии на внешнюю поверхность планки, вышеуказанная планка, соприкоснувшись к корпусом наушника, закроет верхнее (внешнее) отверстие или выемку. Планка в нажатом состоянии (положение «качество») может фиксироваться в данном положении за счет зацепления за специальную фигурную выемку, имеющуюся на поверхности наушников.

При одном из воплощений, динамик наушника (арматуры или мембрана), лежат неподвижно в теле наушника, где продольная ось корпуса наушника лежит почти горизонтально в нижней части чаши ушной раковины, при этом динамики наушника связаны с ниппелем наушника (с укрепленной на нем амбушюром) не жестко, а через гибкую подвижную слуховую трубочку, причем ниппель наушника с амбушюром находится под углом, близким к 90° к продольной линии, лежащей вдоль корпуса наушника, причем может иметь два положения – первое – неплотно прижатое к слуховому проходу, но, тем не менее, с отверстием ниппеля, направленным в его сторону, и второе положение, при котором ниппель наушника плотно вставлен в отверстие наружного слухового прохода и полностью закрывает его. Корпус наушника с находящимися в нем динамиками, мембранами и арматурами не меняет своего положения относительно ушной раковины при обоих положениях, а ниппель (ось ниппеля) может вращается относительно оси наушников на 20-30°, то есть, ниппель неплотно прилежащий к слуховому проходу, связан с корпусом наушника не жестко, а подвижно, в первом положении он не выступает за пределы корпуса наушника а во втором положении, нажимая на планку или под планкой на ниппель наушника и проворачивая его вдоль продольной оси корпуса наушника, пользователь затыкает ниппель с амбушюром в слуховом канале с целью улучшения качества звучания наушников и чтобы обеспечить пассивное шумоподавление. Трубка ниппеля может быть гибкой и немного подвижна относительно корпуса наушника, в котором расположены арматуры или динамик. Продвигая ниппель с амбушюром вглубь слухового канала, можно, таким образом заткнуть последний.

          В одном из воплощений наушник может иметь третье положение – транспортное, когда при вынимании наушника из ушной раковины корпус наушника и ниппель с амбушюром распрямляются относительно друг друга вдоль планки наушника, стремясь быть ближе к единой оси, что ведет сглаживанию общей формы наушника и упругой планки, что, в свою очередь, способствует гладкому прохождению наушников через складки одежды при сматывании и не препятствует свободному размещению наушников в мягком кармане заднего блока эл.колье.

Указанные отверстие, выемка или подвижный ниппель служат для обеспечения доступа внешних шумов к слуховому каналу уха. В некоторых воплощениях указанное отверстие или выемка могут закрываться при помощи заслонки, пробки или любого другого приспособления, способного выполнять функции обтуратора. В других воплощениях наушник может иметь изменяющий свое положение ниппель и(или) изменяющиеся в объеме амбушюры.

Амбушюр может представлять собой пористую структуру, заполненную специальным веществом, при пропускании слабого электрического тока увеличивающегося в объеме. В таком воплощении плотное закрытие наружного слухового прохода проходит автоматически при подключении наушников, т.е. при включении музыки или при осуществлении звонка. Плотность и сила прижимания регулируется.

Интерфейс

Кнопки и клавиши интерфейса управления электронного колье расположены как на корпусе электронного блока в передней части эл.колье, так и на правом и левом гибком шлейфах, отходящих от переднего электронного блока и идущих к задней части эл.колье. Кнопки на электронном блоке дублированы, срабатывают только на одновременное нажатие. Кнопки на шлейфе защищены от случайных нажатий огибающими их валиками.

Все кнопки, как на колье, так и на электронном блоке размещены отдельно, на некотором расстоянии друг от друга.

Эргономическое преимущество данного интерфейса проявляется в том, что кнопки и клавиши управления на теле пользователя расположены в области равнобедренного треугольника  с горизонтальным  основанием, лежащим между проксимальными концами ключиц и вершиной, направленной  вниз в районе мечевидного отростка грудины (у женщин немного выше), так, что зона досягаемости моторного поля учитывает особенности одежды носителя не только в теплом, но и холодном климате (как пример, рассматривается, в основном, мужчина в стандартной среднеевропейской одежде), что позволяет пользователю управлять устройством не доставая его из-под одежды, а нажимая кнопки и клавиши, которые легко находятся пользователем на ощупь под стандартной одеждой, так как относительно несмещаемы, проецируются примерно в одном месте относительно тела носителя, клавиши тактильно отличимы друг от друга и могут обеспечивать обратную связь при нажатии  тактильным или звуковым откликом (щелчком). В некоторых воплощениях клавиши управления могут быть неподвижными и использовать переключатель на  пьезоэлементе или резистивном датчике давления. Щелчок (или любой другой звук) обратной связи, свидетельствующий о переключении функции, может быть не слышен окружающим, а отражаться только в наушниках пользователя.

Возможны следующие стандартные функции переключаемых клавиш, имеющихся на переднем электронном блоке и гибком шлейфе:

1) - ответ на вызов (при входящем звонке);
-голосовая команда: «позвонить» (при отсутствии текущего соединения).

2) -завершение вызова (при имеющемся соединении);
-сброс вызова (при получении входящего звонка);
-стоп/продолжение (при прослушивании).

3) -громче

4) - тише

5).- переключение композиций вперед (при прослушивании);

- включение диктофона с наружными микрофонами или включение диктофона при телефонном разговоре.

6) - переключение композиций назад;
- выключение диктофона

7) - перемотка вперед (при прослушивании)
- зачитать СМС голосом (при получении)

8) перемотка назад (при прослушивании)
- записать голосом ответ на СМС (при получении)

9) голосовые команды (кроме «позвонить»).

Кнопки разнесены относительно друг друга; кнопки, расположенные на электронном блоке дублированы, а кнопки на шлейфе расположены на отдельных платах, защищены от случайных нажатий и соединены с основным блоком отдельным проводом.

Так же нажатие может осуществляться сразу на две противоположные кнопки двумя пальцами – большим и указательным одновременно по обе стороны шлейфа. Это исключает случайное нажатие (ремнем безопасности автомобиля, ремнем сумки и т.п.). Подобное расположение кнопок обеспечивает максимальную к ним доступность, даже при надетом галстуке, костюме, верхней одежде.

Кнопку «ответ на вызов» возможно разместить на одном из головных телефонов (наушнике) – отвечая на вызов, одновременно фиксируется наушник в ушной раковине. Эта кнопка, чтобы исключить ее случайное нажатие в других случаях, задействована только при входящем звонке и не имеет каких либо других функций в остальное время (при телефонном разговоре, при прослушивании музыки, в режиме «stand by»).

Электронное речевое устройство оповещает пользователя о сделанных настройках.

Батареи могут быть распределены в различных частях эл.колье – в передней части вместе с основной аппаратной базой, круглая плоская батарея, лежащая на теле (в основном на верхней части живота), диаметром около 30 мм, прикрепленная снизу к передней части эл.колье посредством гибкого пружинного провода, но имеющая диапазон подвижности только в одной плоскости, перпендикулярной плоскости самой батареи.

Антенны bluetooth приемника (а в некоторых моделях и передатчика) можно расположить в звеньях цепи или на широком проводе на уровне плеч для обеспечения (согласно формуле Введенского) лучших условий приема-передачи.

Допускается использование очков-экранов с подключением через контакты в дужках к эл.колье , включая  аппаратную и аккумуляторную базы эл.колье.

Эл.колье может иметь механизм вибрации при входящем звонке.

В простых воплощениях эл.колье микрофон для снятия речи носителя располагается в верхней части переднего блока электронного колье, в более сложных воплощениях в состав гарнитуры входит микрофонная решетка в составе двух микрофонов в каждой ушной дужке, рядом с наушниками, для чего используются микрофоны направленного действия, у которых основной лепесток направленности - на рот говорящего.

Эл.колье позволяет разместить на нем большое количество микрофонов, в том числе микрофоны  костной проводимости, мощный источник питания, быстродействующий DSP процессор, что позволяет аппаратно и программно поддерживать функционирование системы шумоподавления, обрабатывать сигналы, поступающие от достаточного множества микрофонов гарнитуры,  отсекать посторонние шумы и позволяет говорить без микрофона, размещенного у рта носителя. Используемая система шумоподавления может работать не только для обработки исходящего сигнала, но и отсекать все внешние шумы в головных наушниках, для чего предусматривается возможность принудительного включения в шумных помещениях (метро и т.п.) и отключения этой функции для общения с окружающими без извлечения наушников из ушей.

Так как изначально эл.колье предназначено для длительного, малозаметного для окружающих ношения под одеждой пользователя, то в составе эл.колье нет никаких приспособлений для выносного, приближенного ко рту пользователя микрофона, что ведет к необходимости сформировать на эл.колье особую топографию расположения микрофонов и аппаратно-программный комплекс для обработки полученных от микрофонов сигналов. Так, в одном из воплощений, с целью шумоподавления и улучшения приема речи пользователя, в состав гарнитуры электронного эл.колье входит набор микрофонов (от трех до девяти), имеющих особую топологию.

Обычно в гарнитурах располагают микрофон как можно ближе к источнику полезного сигнала, то есть, ко рту. В этом случае общую чувствительность микрофона можно занизить, а полезный сигнал будет выделяться на фоне шума благодаря тому, что интенсивность звука падает обратно пропорционально квадрату расстояния до его источника. И даже если говорить достаточно тихо, микрофон у самых губ уловит голос, а шум нет за счет малой чувствительности. Это позволяет обойтись без сложных аппаратных решений и к тому же имеет достаточную линейную передаточную функцию в широком диапазоне частот.

Однако для эл.колье, которое не должно особо выделяться на лице пользователя, такой способ применяться не может (пользователь не должен выглядеть как оператор телефонного центра). Простейший способ компромисса между габаритами и шумоподавлением – направленный на источник звука (рот) микрофон. В этом случае шумы, приходящие с других направлений, микрофоном воспринимаются хуже. Но диаграмма направленности таких микрофонов различна для разных частот, шумы на некоторых частотах таким образом отсеять не удается, голос несколько искажается, направленные микрофоны чувствительны к ориентацию в пространстве: если немного изменить держатель микрофона - слышимость ухудшается.

Микрофоны должны только переводить акустический сигнал (речь пользователя) в электрический, а шумоподавление осуществляет отдельный аппаратно-программномный комплекс. Если использовать два всенаправленных микрофона, сигналы с которых обрабатываются по специальному алгоритму, то в упрощенном виде можно сказать, что микрофон, расположенный ближе ко рту пользователя, воспринимает и голос, и шум. Дальний микрофон воспринимает голос как более «тихий» (интенсивность звука падает обратно пропорционально квадрату расстояния до его источника) и с небольшим запаздыванием, а шум – приблизительно так же (предполагается, что источник фонового шума располагается на гораздо большем расстоянии, чем источник голоса). Далее оба сигнала сравниваются, из них тем или иным способом (зависит от сложности алгоритма и возможностей аппаратной части) вычленяется постоянная составляющая (шум), которая и вычитается из сигнала ближнего микрофона. Эта схема проста, дешева, но все-же несколько искажает голос и более или менее хорошо работает только в условиях умеренно громкого шума (существуют разные  алгоритмы обработки сигналов и сигнальные процессоры. Но во всех гарнитурах, использующих данный метод, микрофоны (если их несколько) находятся не более чем на 2-5см. друг от друга.

В эл.колье микрофоны не находятся непосредственно перед источником звука (ртом пользователя) и поэтому достигающая их звуковая (речевая) волна будет иметь амплитуду колебаний значительно ниже, чем амплитуда волны, снимаемая микрофоном, расположенным напротив источника звука (рта говорящего), тем более, что при появлении посторонних шумов или акустического эха, качество снятия речи пользователя ухудшается, делая шумоподавление в эл.колье не менее важной задачей, чем локализация речи пользователя.

Методы математической обработки сигналов в микрофонных решетках учитывают временную корреляцию сигналов, при этом, если такая корреляция значительна, то сигнал соответствует речи пользователя, если сигнал слабо коррелирует от микрофона к микрофону, то это шум. В такой ситуации два одновременно говорящих человека в непосредственной близости к гарнитуре могут быть восприняты как речь пользователя. Для устранения данной проблемы микрофоны должны быть максимально сориентированы на источник речи, т.е. рот пользователя гарнитуры. Для обеспечения локализации микрофоны требуют точной калибровки, что проблематично при массовом производстве, а так же необходимо обеспечить неподвижность микрофонов относительно друг друга в микрофонной решетке, что сложно реализовать в носимом на теле, гибком электронном колье. Чтобы уменьшить корреляцию внешних источников звука при анализе звука можно использовать экранированные микрофоны, ориентированные в направлениях на источник полезного звука. Для этого необходимы направленные микрофоны пушки, кардиоидные микрофоны, размеры которых не позволяют разместить их, например, на дужке наушников гарнитуры или в ушной раковине.

Для решения задачи – качественного снятия речи пользователя при различных окружающих шумах без использования специальных конструкций, которые удерживают микрофоны у его рта, предлагается использовать преимущества всей конструкции электронного колье, дающие возможность разместить на элементах эл.колье и аппаратно-программный комплекс для обработки речи, и несколько микрофонов (от трех до девяти) с особой топологией. В данной топологии однозначно можно выделить три позиции для микрофонов. Две позиции - по одному микрофону в каждой ушной раковине и(или) на полудужье наушника. В третьей позиции находится микрофон, расположенный в переднем электронном блоке и направленный вверх. Для функционирования эл.колье, наличие микрофонов внутри ушной раковины и(или) на дужке (полудужье) наушников необходимо по целому ряду причин:

 -при поворотах головы расстояние и направление между ртом и ухом пользователя не меняются и микрофоны остаются практически неподвижны относительно источника звука, что существенно упрощает выделение полезного голосового сигнала пользователя;

 -микрофоны, расположенные по одному внутри чаши правой и левой ушной раковины, способствуют более точной локализации звука, т.к. наиболее высокая разрешающая способность распознавания звуков у человека наблюдается при помещении источника звука по средней линии головы, а наименьшая - при его смещении к уху вбок влево-вправо или вверх-вниз. Лучшая разрешающая способность определения широкополосных сигналов (шум, щелчки, речь) лежит в горизонтальной плоскости, а минимально различимый угол определения источника звука лежит в частотах в диапазоне 1.5 — 2.5 кГц. Причиной этого является особое строение ушных раковин у человека, а так же расстояние между ними - интерауральная база (константа Хорнбостеля–Верхтеймера), которое у взрослого человека составляет в среднем 20 см.

 -ушные раковины, как правило, не закрыты одеждой, не экранированы ей, к тому же, расположенные в них микрофоны меньше всего подвержены влиянию шумов, создаваемых движением одежды.

Исходя из вышеизложенного, для локализации микрофонов в микрофонной решетке с направленностью на источник звука (рот пользователя), позволяющей эффективно выделять речь, целесообразно основные микрофоны воздушной проводимости размещать внутри ушной раковины, в полости нижней чаши (cavum conchae inferior) , чтобы полноценно использовать преимущества, данные природой человеку. Эти микрофоны располагаются в задней части корпуса наушников, где сами наушники в рабочем состоянии лежат именно в cavum conchae inferior, за противокозелком, а корпус наушника упирается в козелок, где в передней части корпуса наушников смонтированы арматурные динамики, а ниппель динамика направлен внутрь и вверх, в сторону наружного слухового прохода.

Преимущества использования такого количества микрофонов можно описать, опираясь на теорию и экспериментальные данные, полученные при акустических исследованиях.

В теории голосовой сигнал s(t) при проходе в место расположения микрофона подвержен эффектам затухания и реверберации или отражений, описываемым функцией импульсного отклика gi(t). В этом случае на i-й микрофон поступает звуковой сигнал xi (t) = gi(t)*s(t), где знак * означает свертку функций. На этот сигнал накладывается внешний шум gi(t) в результате на i-й микрофон поступает сигнал:

yi(t) = gi(t)*s(t) + vi(t)                                             (37)

Задача шумоподавления заключается в определении голосового сигнала s(t) по заданному yi(t). Поскольку шум и речь не являются стационарными и предсказуемыми сигналами прямого способа решения уравнения (37) не существует. Возможны лишь методы приближенной оценки сигнала для чего необходимы определения как функции импульсного отклика, так и внешнего шума gi(t). Таких методов существует достаточно много и они до сих пор развиваются (см. библиографию). Для оценки функции импульсного отклика необходимо иметь микрофон, слабо реагирующий на колебания давления воздуха, поскольку он будет не чувствителен к эффектам типа эхо или отражения акустических волн. В качестве такого микрофона в предлагаемой гарнитуре может выступить ларингофон. Принцип работы ларингофона основан на пьезоэффекте керамической пластинки. Поскольку пластинка обладает большой жесткостью и высокой собственной частотой колебаний, она слабо подвержена колебаниям давления воздуха. Однако добротность пластинки можно уменьшить, соединив ее с мягкими и хрящевыми тканями в области ушной раковины или височной кости, тогда пластинка будет воспринимать механические колебания, распространяющиеся от гортани по тканям тела человека при разговоре, которые опять же, слабо чувствительны к колебаниям воздуха, но участвуют в воспроизведении речи пользователя гарнитуры. Таким образом, ларингофон позволит отличить речь пользователя от его речевых пауз. Обнаружение в момент речевых пауз сигнала, коррелирующего с речью пользователя позволит оценить функцию импульсного отклика, а не коррелирующая часть будет соответствовать внешнему шуму.

Ларингофон, размещенный в ушной раковине или на внутренней поверхности передней части планки наушника (поз. 501 Рис 47) значительно искажает голос по сравнению с микрофонами воздушной проводимости (чем дальше от гортани, тем больше затуханий и искажений). Но он используется не только для определения чередований речевой активности и речевых пауз, но и позволяет оценить алгоритм и динамику голоса практически без шумовых помех.

Так же, используя аппарат линейного предсказания, коэффициент и(или) алгоритм этих искажений, можно определить, сравнить и учитывать это в дальнейших расчетах, так как период основного тона и у микрофонов и у ларингофона повторяется очень точно.

Необходимо отметить, что использование только лишь одного ларингофона в качестве записывающего устройства невозможно, в силу больших искажений в записи, которые обусловлены нелинейностью пьезоэффекта. Запись звукового сигнала будет осуществляться через микрофоны воздушной проводимости, в частности, микро-электромеханические (MEMS) микрофоны, которые обладают достаточной степенью линейности в частотном диапазоне голоса. Шумоподавление в этом случае можно осуществить и на одном микрофоне, но такое подавление сопровождается заметным искажением речи.

Таким образом, в предпочтительном воплощении эл.колье при формировании микрофонной матрицы предлагается использовать три основных микрофона воздушной проводимости и один ларингофон - по одному микрофону в каждой ушной раковине и (или) на полудужье наушника и микрофон, расположенный в переднем электронном блоке и направленный вверх.

По результатам многочисленных исследований с использованием метода Винера для подавления шума с N микрофонов с использованием выборки длиной Nsтактов с частотой 8 кГц., соотношение сигнал-шум (СОШ или SNR) меняется при увеличении количества микрофонов от 1 до 4, далее зависимость ослабляется. Отсюда следует, что количество микрофонов от 3 до 5 существенно повысит шумоподавление и позволит уменьшить искажение речи.

В многочисленных исследованиях, проведенных по проблеме шумоподавления, часто описывается метод пространственно-временного предсказания. В этом методе предлагается использовать известный вид корреляции сигналов микрофонов между собой. Этот вид можно определить из функций импульсного отклика gi(t) для каждого микрофона. Сравнение методов пространственно-временного предсказания и Винера, можно видеть, что при использовании 4-х микрофонов соотношение сигнал-шум примерно одинаково для обеих методов, а индекс искажения значительно меньше при большом количестве выборок Ns при использовании метода пространственно-временного предсказания. Таким образом, использование этого метода весьма актуально, что в свою очередь приводит к необходимости определения функций импульсного отклика gi(t). Именно для этой задачи в предлагаемой гарнитуре предполагается использование ларингофона. В данном случае ларингофон выступает в качестве детектора голосовой активности и позволяет определять речевые паузы, анализ которых, как описано выше, может позволить определение функций gi(t).

Количество микрофонов не является полной характеристикой микрофонной решетки, также велика роль взаимного расположения микрофонов, а именно расстояния между микрофонами. Из теории направленных микрофонов известно, что угол направленности внутри которого чувствительность велика, определяется отношением длины звуковой волны и расстоянием между микрофонами по следующей формуле:

a = arcsin (λ/L)                                              (1)

При выводе выражения (1) использовалось суммирование сигналов с микрофонов. В случае градиентной решетки первого порядка (сигналы с микрофонов вычитаются) выражение угла лепестка направленности несколько другое:

a1 = arccos (1 - λ/L)                                       (2).

В обоих случаях угол основного лепестка уменьшается при увеличении расстояния L. В нашем случае максимальное расстояние между микрофонами достигается, когда они расположены в диаметрально противоположных точках головы, т. е. в ушных раковинах.

Необходимо отметить, что выражения (1), (2) получены в случае плоских волн, т. е. для удаленных источников. В нашем случае источник голосового сигнала находится на расстоянии меньше длины звуковой волны. Этот факт можно использовать для отличия шума от полезного сигнала. Для этого необходимо анализировать временные задержки сигналов, пришедших на микрофоны. Результатом такого анализа может быть восстановление формы волнового фронта, а затем пространственная локализация источника сигнала. Для этого необходимо минимум четыре микрофона, не лежащих в одной плоскости. Подобная локализация также может оказаться полезной для определения положения головы говорящего пользователя в целях дальнейшей его навигации. В этих целях полезно расположить другие два микрофона на груди пользователя симметрично относительно рта.

Расположение микрофонов на груди оправдывается также следующими соображениями. Звуковые колебания, рождаемые в голосовых связках пользователя, распространяясь через гортань и ротовую полость, приобретают выделенное направление наружу, подобно направленному звуку, выходящему из рупора. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля колебания приходящие в конкретную точку есть результат сложения или интерференции вторичных волн, возбуждаемых звуковыми колебаниями в каждой точке фронта волны. Причем амплитуды этих вторичных волн падают с расстоянием, что касается фаз, то расстояния от микрофонов до рта значительно меньше длин волн основного участка спектра человеческой речи, передаваемой в сетях оператора (300-3500Гц), поэтому колебания можно считать синфазными. Таким образом, амплитуда звуковых колебаний будет обратно пропорционально квадрату среднего расстояния от микрофона до рта пользователя. В этом случае расстояние от ушных раковин до рта неизменно, в тоже время расстояния ото рта до груди пользователя меняется и может быть значительно меньше, чем расстояния между ртом и ушной раковиной. В этом случае амплитуда звуковых колебаний в области микрофонов на груди будет значительно выше, чем амплитуда колебаний в области ушной раковины. Это позволит лучше осуществлять шумоподавление и отслеживать движения головы пользователя.

Конструктивные особенности эл.колье позволяют разместить в переднем блоке и правом и левом шлейфе миниатюрные направленные микрофоны с механическими формирователями диаграммы направленности, попросту говоря, трубочки, в одном конце которой находится MEMS микрофон, а другим, открытым концом трубка направлена на рот пользователя. К миниатюрным устройствам относятся микрофоны, размер формирователя диаграммы направленности которой значительно меньше длин волн диапазона принимаемых звуковых сигналов. Механические миниатюрные формирователи диаграммы направленности представляют из себя канал (звуковод) произвольной формы, открытый с одного конца и присоединенный к капсуле с ненаправленным микрофоном внутри. Формирование диаграммы направленности происходит за счет дифракционной тени стенок звуковода в направлениях, отличных от направления оси звукового канала. Так как речь идет о миниатюрных устройствах, то коэффициент усиления редко больше 3 дБ. Однако именно этот тип направленных микрофонов ввиду своей простоты сейчас широко используется в слуховых аппаратах. Но конструктивные особенности эл.колье позволяют несколько увеличить длину трубки (до 5см в корпусе переднего блока и до 3см. в грудной части шлейфа, что, безусловно, улучшит качество съема речи пользователя и будет способствовать шумоподавлению окружающих шумов при дальнейших вычислениях.

То есть, в состав основной микрофонной решетки должен входить микрофон, расположенный в верхней части электронного блока эл.колье. Диаграмма направленности этого микрофона - вверх, на рот пользователя. Микрофон защищен от «микрофонного эффекта», т.к. лежит в углублении верхней плоскости электронного блока гарнитуры и чувствительная часть микрофона, защищенная корпусом электронного блока, не трется об одежду, но и не перекрывается одеждой, так как за счет толщины корпуса (около 15мм.) создается воздушная полость между поверхностью тела и одеждой. Также данный микрофон имеет ветрозащиту, так как находится под одеждой. Из недостатков этого микрофона – он располагается под одеждой (под галстуком, например), поэтому речь носителя глушится, а так же изменяется прием сигнала при поворотах головы.

Процессор, получая данные от микрофонов, расположенных в ушной раковине, может отфильтровывать преимущественно высокие частоты спектра человеческой речи - 1,5 - 6 кГц, а так как направленность микрофона при повышении частоты улучшается, осуществляется направленность микрофона на рот носителя, при этом микрофон (или микрофоны) на груди в переднем блоке и (или) в переднем правом и левом шлейфе настроить на преимущественно низкочастотный спектр речи, хорошо проходимый под одежду и меньше зависимый от положения рта пользователя, затем синхронизировать АХЧ всех микрофонов и передавать как исходящую речь носителя, что может избавить от присущих каждому микрофону недостатков.

В одном из вариантов гарнитуры возможно расположение в ушной раковине пары микрофонов. В этом случае пара может служить как направленный градиентный микрофон первого порядка. В этом случае направленность такого микрофона будет существенна только на высоких частотах в соответствии с выражениями (1) и (2). В этом случае локализацию и шумоподавление можно осуществлять по разным алгоритмам для высоких и низких частот. При этом сигналы с микрофонов на груди будут играть главную роль в низкочастотном алгоритме шумоподавления.

В других воплощениях эл.колье при формировании микрофонной решетки возможно использование дополнительных микрофонов: Микрофон, смонтированный на каждом наушнике, так чтобы один микрофон размещался на полудужье наушника, а второй внутри ушной раковины, в чаше, способствует реализации градиентного приема голосового сигнала, а так же использованию так называемого «эффекта близости», что позволяет рассчитать направленность на источник полезного звука. Градиентная решетка первого порядка, размещенная на правом наушнике с диаграммой направленности влево, и градиентная решетка на левом наушнике, с диаграммой направленности вправо, дадут более точное направление на источник речи.

Накладывая зеркально диаграмму направленности ушных микрофонов, усиливая те спектры сигнала, которые совпадают у правого и левого микрофона и отсекая несовпадающие спектры по диаграмме направленности, можно довольно точно выделить речь носителя устройства.

Дополнительный, направленный назад микрофон размещается на затылке в месте верхней фиксации проводов наушников (субокципитальный узел) и предназначен для формирования объемной микрофонной матрицы и для приема окружающих шумов.

Для расчета микрофонной решетки с заданной направленностью на источник звука используем следующую топологию микрофонов:

-правый и левый микрофон в каждой ушной раковине;

-ларингофон в корпусе наушника;

-микрофон в верхней передней части электронного колье, направленный вверх.

Расширенная топология микрофонов может включать:

-микрофоны в правом и левом шлейфе гарнитуры, направленные вверх;

-по дополнительному микрофону на каждом наушнике, что дает возможность создать  на каждой ушной раковине градиентную решетку первого порядка, состоящая из двух микрофонов, находящихся на расстоянии 2,5-3 см. друг от друга - один на полудужье наушника, второй внутри ушной раковины, где левая градиентная решетка имеет диаграмму направленности вправо, а правая градиентная решетка - диаграмму направленности влево;

- затылочный микрофон.

В одном из воплощений осуществляется предварительное измерение акустических характеристик голоса пользователя с дальнейшей регулировкой звукового процессора, принимающего речь, учитывая характерные особенности данного речевого диапазона.

В одном из воплощений речь носителя при телефонном разговоре, снятая с помощью нескольких микрофонов и микрофонной направленной матрицы электронного колье без изменений передается по каналам связи на базу оператора связи, где и осуществляется математическая обработка полученных данных с целью шумоподавления и выделения полезного сигнала (собственно речи), с дальнейшее передачей собеседнику пользователя.

В эл.колье так же можно расположить датчики положения, акселерометры, что поможет при ориентировании с помощью голосовых подсказок GPS коммуникатора. Если расположить акселерометры на дужках наушников или в самих наушниках, то система навигации, имеющаяся в эл.колье, сможет даже определять направление поворота головы пользователя.

Антенны bluetooth-приемника (а в некоторых моделях и передатчика) можно расположить на шлейфе, на обоих плечах, будучи в районе ключиц или плеч пользователя, антенна располагается выше обычного, что позволяет улучшить прием и передачу сигнала, что так же можно добиться при расположении двух ветвей антенны на обоих плечах или ключицах, добиваясь расстояние между ветвями антенны соотносительно половины длины GSM и(или) bluetooth- сигнала.

Преимущества:

Эл.колье дает возможность говорить по телефону, слушать музыку, или получать какую либо голосовую информацию, оставляя свободными руки.

Размещенная подобным образом гарнитура на груди и, частично на спине носителя позволяет разместить дополнительные источники питания, большую аппаратную базу, что улучшает качество связи, длительность использования без подзарядки и позволит отказаться от микрофонов, находящихся непосредственно вблизи лица носителя.

Возможность размещения большого количества микрофонов и их особая топология (на дужках, на груди, сзади), позволяет принимать и обрабатывать исходящий от носителя сигнал на основе широкой микрофонной решетки, более полно фиксировать и отсекать окружающие шумы.

Для управления не надо доставать эл.колье или телефон из-под одежды или из кармана, так как можно нажимать находящиеся под одеждой кнопки снаружи, поверх одежды, или подавая голосовые команды, вообще не манипулировать руками для управления.

Имея постоянно носимое, но малозаметное эл.колье, можно находиться на связи, слушать музыку, подкасты, получать текущую голосовую информацию, визуально не искажая внешний облик пользователя и не выделяясь на фоне окружающих.

В эл.колье есть возможность совместить электронное устройство и ювелирное украшение.

Входящий вызов не слышен окружающим, но ощущается носителем.

При использовании эл.колье уменьшается излучение телефона на головной мозг носителя.

Непосредственный контакт устройства с кожными покровами пользователя дает возможность размещения на эл.колье датчиков для мониторинга состояния здоровья пользователя (температура, давление, содержание алкоголя и т.п.), отслеживать кожно-гальванические реакции для контроля работы симпатической нервной системы, а также эл.колье может использоваться как часть биотелеметрического комплекса для медицинской диагностики.

Варианты использования:

Устройство может использоваться не только как дополнительное к мобильному телефону, но и  как составная часть всего мобильного, носимого человеком комплекса, где аппаратная база рассредоточена в нескольких устройствах, носимых человеком, например, часть аппаратной и батарейной базы может находиться в мужском брючном ремне, а проводное соединение с эл.колье возможно по проводу, лежащему под одеждой вдоль позвоночника на спине; эл. колье само может быть мобильным телефоном (смартфоном), а отдельно носимый экранно-клавиатурный блок может быть беспроводным интерфейсом к нему.

При дальнейшем развитии очков-экранов можно сосредоточить всю аппаратную и батарейную базу не в самих очках (что делало бы их тяжелыми и громоздкими), а в различных блоках эл.колье, а электроразъемы между очками и колье разместить на дужках наушника и дужках очков-экранов.

При дальнейшем развитии технологий, расширяющих возможности голосового общения между человеком и компьютером, а так же при широком распространении связи 3G и 4G поколений, преимущества эл.колье становятся еще более очевидными, а именно; улучшенное качество связи, возможность говорить и слушать собеседника по телефону в стерео режиме; GPS навигация без визуального осмотра карты, а только с помощью звуковых команд носителю; развитие новых голосовых серверов интернета и интернет серфинг без экрана и мышки, а только с помощью голосового интерфейса.

Эл.колье может быть как часть общего единого комплекса, в состав которого входят (наряду с очками-экранами и другими носимыми на теле мобильными блоками) домашние или офисные компьютеры с осуществлением постоянной связи между собой и базой оператора, что, по аналогии с термином «облачные вычисления», возможно назвать данный комплекс, используя термин “cloud mobiling”.