一种兼具牙齿清洁与音乐欣赏的牙刷实现方法及牙刷
阅读说明：本技术 一种兼具牙齿清洁与音乐欣赏的牙刷实现方法及牙刷 (Toothbrush implementation method with tooth cleaning and music appreciation functions and toothbrush ) 是由 伊晓辉 苏二锐 徐鑫 朱思琪 满其奎 李润伟 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种兼具牙齿清洁与音乐欣赏的牙刷实现方法及牙刷。音乐播放单元运行某音乐的音频文件,产生音频信号,从音频信号中提取和弦音频信号或者根据该音频信号的主旋律生成具有与该主旋律相配的和弦音频信号；将和弦音频信号驱动电机产生变频振动,通过刷毛作用于牙齿,不仅实现舒适的牙齿清洁,而且经骨传导使耳朵听到该和弦；同时,将包含主旋律的音频信号通过骨传导或者空气传导实现耳朵听到该音乐。本发明能够兼顾音乐欣赏和舒适的牙齿清洁功能,提高了刷牙的乐趣。(The invention provides a toothbrush and a method for realizing the same, which have the functions of tooth cleaning and music appreciation. The music playing unit operates an audio file of certain music to generate an audio signal, and extracts a chord audio signal from the audio signal or generates the chord audio signal matched with the main melody according to the main melody of the audio signal; the chord audio signal drives the motor to generate variable frequency vibration, and the variable frequency vibration acts on teeth through the bristles, so that comfortable tooth cleaning is realized, and the chord is heard by ears through bone conduction; meanwhile, the audio signal containing the main melody is conducted through bone conduction or air conduction to realize that the music is heard by ears. The invention can give consideration to music appreciation and comfortable tooth cleaning function, and improves the interest of tooth brushing.)
技术领域
本发明属于牙齿清洁技术领域，具体涉及一种兼具牙齿清洁与音乐欣赏的牙刷实现方法及牙刷。
背景技术
随着口腔护理意识的不断提高，高效清洁口腔卫生问题越来越受重视，若要彻底达到清洁牙齿的目的，刷净全口牙，每次刷牙至少要持续3-5分钟。为此，电动牙刷被广泛应用，具有自动省力的优点。但是，电动牙刷中刷头的振动是由电机振动带动的，电机振动存在如下问题：
电机振动往往由单一频率的电信号驱动，因此振动频率固定，振动时易产生嗡鸣噪音，影响使用舒适度。另外，电机振动的幅度一般较大，而牙齿对外界刺激较敏感，当通过刷头作用于牙齿时振动力度相对较大，容易损伤牙齿与牙龈。
音乐是由声波振动导致的一种物理现象。同一时刻，产生音乐效果的声波是由一系列频率不同的声波共同组成的振动。一段音乐可以由旋律和和弦组成。人们通常通过旋律识别歌曲。和弦是旋律的伴奏，通过和弦对旋律的伴奏，让人听到的音乐更有感染力。
专利文献CN201721263454.3公开了一种骨传导式音乐电动牙刷，手柄内装配微型电机与骨传导振子，利用音频信号驱动骨传导振子振动，通过刷毛与牙齿接触，然后通过骨传导送至内耳产生音乐，利用微型电机带动刷头振动刷牙。该产品在实现中存在的问题是：(1)仍然存在上述电机振动存在的问题；(2)电机振动与骨传导振动同时作用于牙齿，一方面牙齿受到的振动增强，另一方面与电机振动相比，骨传导振子的功率较小，因此电机振动对骨传导振子的振动造成严重干扰，影响了用户感受骨传导振子所传递的音乐体验；(3)骨传导振子放置于手柄内，产生的振动是通过刷毛传递到牙齿，传递过程中振动波易损耗，造成牙齿接受到的振动受损，进一步使振动波无法有效传至用户耳部而完整再现音乐。
专利文献CN202021879704.8公开了一种骨传导音频电动牙刷，包括音频处理模块、音频功放、马达、刷毛和刷头。利用音频信号驱动马达往复运动，达到牙齿清洁的效果，同时通过骨传导实现音乐传递。但是，该产品在实现中同样存在问题：有节奏、具有欣赏性的音乐产生的音频信号是一种频率随时间而变化，同时振幅也随时间而变化的信号，通过骨传导良好地再现音乐时，骨传导振子的振动频率与音乐的频率需同步变化，振动幅度与音乐的振幅需同步变化；但是，能够带动牙刷实现大幅振动的马达的转子通常惯性较大，无法和音频信号同步产生频率变化。
发明内容
针对上述技术现状，本发明旨在提供兼具牙齿清洁与音乐欣赏的牙刷实现方法，不仅能够为用户提供舒适的振动用于牙齿清洁，同时能够使用户欣赏音乐，从而提高刷牙的乐趣。
为了实现上述技术目标，本发明人充分利用了音乐信号的如下特点：
音乐信号的节奏，即音频数据中每个时刻主要的音高以及所有时间内各音高的变化情况称为主旋律。主旋律是音频数据的基本特征，能够被人耳听觉感知，通过不同的主旋律区分不同的音乐。与主旋律相比，和弦类似背景音乐或者伴奏音乐，其旋律与主旋律相配，使音乐更加丰富美化。与主旋律相比，和弦的音高较低，并且频率变化平缓。一段音乐可以只有主旋律，也可以由主旋律与和弦组成。
根据上述特点，本发明人在使用牙刷清洁牙齿时播放音乐；同时，将和弦音频信号驱动电机产生变频振动，通过机械连接带动刷头振动，刷头作用于牙齿，一方面利用和弦音频信号频率低、节奏感强的特点，能够使刷头振动稳定、力度适中，从而不仅实现了清洁牙齿的功能，而且提高了用户的使用舒适感，另一方面该振动通过骨传导传至内耳，实现和弦的听觉效果，与通过空气传导听到的音乐或者通过骨传导听到的音乐合在一起，加强了耳朵对音乐的听觉效果。
即，本发明提供的技术方案为：一种兼具牙齿清洁与音乐欣赏的牙刷实现方法，所述牙刷包括刷头与电机，刷毛固定于刷头上，刷牙时刷毛作用于牙齿，采用如下方法一、方法二或者方法三：
方法一：
如图1所示，所述牙刷还包括骨传导振子；
音乐播放单元运行某音乐的音频文件，产生音频信号，从音频信号中提取主旋律音频信号与和弦音频信号；
利用主旋律音频信号驱动骨传导振子产生变频振动，该变频振动通过刷毛作用于牙齿，经骨传导传至内耳，使耳朵听到该音乐的主旋律；
同时，利用和弦音频信号驱动电机产生变频振动，该变频振动通过刷毛作用于牙齿，不仅实现牙齿清洁，而且经骨传导传至内耳，使耳朵听到该音乐的和弦；
即，通过骨传导，耳朵听到主旋律与和弦的混合，实现了该音乐的听觉再现。
方法二：
如图2所示，所述牙刷还包括骨传导振子；
音乐播放单元运行某音乐的音频文件，产生音频信号；利用该音频信号驱动骨传导振子产生变频振动，该变频振动通过刷毛作用于牙齿，经骨传导传至内耳，使耳朵听到该音乐；
同时，从所述音频信号中提取得到和弦音频信号，或者根据所述音乐的主旋律选配具有与该主旋律相配旋律的和弦音频信号，利用和弦音频信号驱动电机产生变频振动，该变频振动通过刷毛作用于牙齿，不仅实现牙齿清洁，而且经骨传导传至内耳，使耳朵听到和弦；
即，通过骨传导，耳朵听到音乐与和弦的混合。
方法三：
如图3所示，音乐播放单元与扬声器相连；
音乐播放单元运行某音乐的音频文件，产生音频信号，音频信号经扬声器转换为声波振动，通过空气传导使耳朵听到该音乐；
同时，从所述音频信号中提取得到和弦音频信号，或者根据所述音乐的主旋律选配具有与该主旋律相配旋律的和弦音频信号，利用和弦音频信号驱动电机产生变频振动，该变频振动通过刷毛作用于牙齿，不仅实现牙齿清洁，而且经骨传导传至内耳，使耳朵听到和弦；
即，通过空气传导与骨传导，耳朵听到该音乐与和弦。
所述音乐播放单元用于运行音频文件，产生音频信号，当与扬声器相连时，人耳通过空气传导能够听到该音乐。所述音频文件可以存储在存储器上。所述音乐播放单元不限，可以是播放软件，也可以是播放硬件。所述播放软件可以内置在牙刷中，也可以与牙刷分离，例如是手机、电脑中的播放APP等。所述播放硬件可以是音响设备等。用户可以自由选择播放的音频文件，通过音乐播放单元进行播放。
所述音频信号包括频率在20Hz-20000Hz范围的声波信号。
所述主旋律音频信号包括频率在600Hz-20000Hz范围的声波信息。
所述和弦音频信号包括频率在600Hz以下范围的声波信息。
所述骨传导振子结构不限，包括压电式振子、电磁式振子等。
所述电机种类不限。作为优选，所述电机的振动频率小于600Hz，进一步优选小于500Hz。作为优选，所述电机为直线电机。
作为优选，所述骨传导振子设置在刷头中，用于减少振动传递造成的损耗。
作为优选，所述方法一与方法二中，当音频信号的音量保持不变，频率范围在100Hz-10000Hz时，骨传导振子的振动响度波动在±10dB范围；作为进一步优选，频率范围在20-20000Hz时，骨传导振子的振动响度波动在±3dB范围。
作为优选，所述方法一、方法二与方法三中，当和弦音频信号的音量保持不变，频率范围在200Hz-600Hz时，电机的振动响度波动在±10dB范围；作为进一步优选，频率范围在20-600Hz时，电机的振动响度波动在±3dB范围。
所述主旋律音频信号与骨传导驱动单元的连接方式不限，包括有线连接或者无线连接。
所述和弦音频信号与电机驱动单元的连接方式不限，包括有线连接或者无线连接。
为了提高骨传导振子的振动幅度，作为优选，在方法二中，音频信号经过放大后驱动骨传导振子振动。
从音频信号中提取主旋律音频信号的方法不限，例如可以采用专利文献CN111223491 A公开的方法或Melodia算法提取主旋律音频信号。
从音频信号中提取和弦音频信号的方法不限，可以利用提取软件，例如Riffstation等自动提取和弦音频信号。
根据所述音频信号生成与其主旋律相配的和弦音频信号方法不限。例如，参考文献Automatic Audio Chord Recognition With MIDI-Trained Deep Feature and BLSTM-CRF Sequence Decoding Model，IEEE-ACM TRANSACTIONS ON AUDIO SPEECH ANDLANGUAGE PROCESSING，27(2)，355-366中报到，可以通过深度学习及神经网络计算等生成和弦音频信号。又例如，可以根据如下参考文献中记载的和弦与旋律匹配规则：
《流行音乐和声教程》，作者：唐军、李罡，2011年11月出版，大众文艺出版社；
《和声学基础教程上下册》，作者：谢功成,马国华,童忠良,赵德义；2009年08月出版；人民音乐出版社；
作为初步判断一个小节的和弦的方法，首先找出重拍上的音或时值较长的音，然后找出含有这几音最多的和弦作为该小节的和弦，生成和弦音频信号。再例如，可以根据作曲者曲谱信息中标注的和弦信息，生成和弦音频信号。
本发明还提供一种实现所述方法一的牙刷，包括手柄和刷头，刷毛固定于刷头上；还包括信号接收处理单元、振动电机、骨传导振子，电机驱动单元与骨传导驱动单元；
音乐播放单元播放音频文件，产生音频信号；
信号接收处理单元接收所述音频信号，从中提取主旋律音频信号与和弦音频信号；
所述主旋律音频信号输入骨传导驱动单元，用于驱动骨传导振子产生变频振动；同时，所述和弦音频信号输入电机驱动单元，用于驱动微型电机产生变频振动。
本发明还提供一种实现所述方法二的牙刷，包括手柄和刷头，刷毛固定于刷头上；还包括信号接收处理单元、振动电机、骨传导振子，电机驱动单元与骨传导驱动单元；
音乐播放单元播放音频文件，产生音频信号；
信号接收处理单元接收该音频信号，从中提取和弦音频信号，或者根据所述音频信号生成与其主旋律相配的和弦音频信号；
所述音频信号输入骨传导驱动单元，用于驱动骨传导振子产生变频振动；同时，所述和弦音频信号输入电机驱动单元，用于驱动微型电机产生变频振动。
本发明还提供一种实现所述方法三的牙刷，包括手柄和刷头，刷毛固定于刷头上；还包括信号接收处理单元、扬声器、振动电机与电机驱动单元；
音乐播放单元播放音频文件，产生音频信号；
信号接收处理单元接收该音频信号，传递音频信号至扬声器，产生声波振动，通过空气传导至内耳；
同时，信号接收处理单元从该音频信号中提取和弦音频信号，或者根据所述音频信号生成与其主旋律相配的和弦音频信号；所述和弦音频信号输入电机驱动单元，用于驱动微型电机产生变频振动。
所述音乐播放单元与信号接收处理单元的连接方式不限，包括有线连接或者无线连接。
作为优选，所述信号接收处理单元、振动电机、电机驱动单元与骨传导驱动单元设置在手柄中。
所述音乐播放单元与信号接收处理单元的连接方式不限，包括有线连接或者无线连接。
所述骨传导振子与骨传导驱动单元的连接方式不限，包括有线连接或者无线连接。
所述振动电机与电机驱动单元的连接方式不限，包括有线连接或者无线连接。
与现有技术相比，本发明针对电动牙刷技术中存在的如下现有技术问题：
(1)利用固定频率的电信号驱动电机振动，从而带动牙刷的刷毛振动时存在振动频率固定而造成嗡鸣噪音，容易引起心情烦躁的问题；
(2)仅使用音乐频率驱动骨传导振子，由于振幅较小，无法提供有效清洁的问题。
(3)利用音乐的变频电信号驱动骨传导振子产生振动而听到音乐，同时利用固定频率驱动电机振动而清洁牙齿时存在如下问题：
骨传导振子的振动频率较大，但是功率较小；而电机振动频率单一易产生嗡鸣声，且振动幅度较大，因此电机振动将严重干扰音乐的听觉效果。
(4)直接利用音乐的变频电信号驱动电机振动时存在电机转子惯性较大，当信号频率较高时，电机振动频率无法同步变化，高低频信号同步作用电机，信号严重失真，无法实现刷牙的同时感受音乐的问题；
(5)同时利用音乐的变频电信号驱动电机振动和骨传导振子振动时，产生和(4)同样问题；
针对上述技术问题，本发明根据用户使用舒适的牙刷的振动频率一般在15000转/分钟(250Hz)到32000次/分钟(533.33Hz)范围，覆盖从C4(261.626Hz)、D4(293.665Hz)、E4(329.629Hz)、F4(349.228Hz)、G4(391.995Hz)、A5(440Hz)、B5(466.164Hz)、C5(523.251Hz)等音调；例如C、E、G构成C和弦，C、E、A构成A和弦，创新性地提出利用和弦音频信号驱动电机产生变频振动，同时利用包含主旋律的音频信号通过骨传导或者空气传导被耳朵听到，实现了音乐欣赏功能和牙齿清洁功能，具有如下优点：
(1)和弦的音高较低，并且频率变化平缓，利用和弦音频信号驱动电机实现了变频振动，不仅解决了单一频率振动产生的嗡鸣噪音，而且该振动的频率在600Hz以下，振动柔和舒适，作用于牙齿时能够提高用户的使用舒适感，避免了振幅过小无法清洁牙齿的问题；同时，该变频振动作用于牙齿后通过骨传导实现了和弦被耳朵听到，与耳朵听到的音乐主旋律混合后实现了耳朵对音乐的再现。
(2)音乐的主旋律音频信号的频率变化比和弦音频信号的频率变化快，骨传导振子的频率响应速度优于电机的频率响应速度，因此降低了电机振动对骨传导振子振动的干扰。
(3)一般的音乐速度不会超过120拍每分钟；如果歌曲是4/4拍，最多每两个音符间隔变换一次和弦，即1秒钟变换一次和弦。因此，如果用电机的振动来展示和弦的变换，仅需电机驱动装置1秒钟变换一次振动频率，这一变换速度相对一般的振动电机是可行的。
因此，本发明有效解决了上述问题(1)(2)(3)，不仅能够为用户提供舒适的振动用于牙齿清洁，同时能够使用户听到音乐节奏，提高了刷牙的乐趣。
附图说明
图1是本发明实现兼具牙齿清洁与音乐欣赏的牙刷的第一种工作原理图。
图2是本发明实现兼具牙齿清洁与音乐欣赏的牙刷的第二种工作原理图。
图3是本发明实现兼具牙齿清洁与音乐欣赏的牙刷的第三种工作原理图。
图4是本发明实施例1中兼具牙齿清洁与音乐欣赏的牙刷的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图4中的附图标记为：1、手柄；2、信号接收处理单元；3、骨传导驱动单元；4、电机驱动单元；5、振动电机；6、刷头；7、骨传导振子；8、刷毛。
实施例1：
本实施例中，牙刷包括手柄1和刷头6。手柄1内装配信号接收处理单元2、骨传导驱动单元3、电机驱动单元4，以及振动电机5。振动电机5与刷头6机械连接。刷毛8固定于刷头6上。刷头内装配骨传导振子7。电机驱动单元4与振动电机5电连接。当刷头与手柄相连时，骨传导振子7与骨传导驱动单元3电连接。
本实施例中，振动电机选择微型直线电机，其振动频率在20-600Hz，骨传导振子的振动频率在600Hz-20000Hz。
本实施例中，音乐播放单元是手机或者电脑中的播放APP。音频文件存储在手机或者电脑中，用户选择播放某音乐的音频文件，通过音乐播放APP进行播放，产生频率为20-20000Hz的音频信号；信号接收处理单元2接收该音频信号，利用提取软件Riffstation从音频信号中提取主旋律音频信号与和弦音频信号。
主旋律音频信号体现该音乐的节奏，由频率在600Hz-20000Hz范围内的中高频信号组成。和弦音频信号体现背景音乐或者伴奏音乐，由频率在600Hz以下的低频信号组成。
主旋律音频信号输入骨传导驱动单元3，用于驱动骨传导振子7产生变频振动，该变频振动具有主旋律特征，通过刷毛8作用于牙齿，然后通过骨传导传送至内耳，实现主旋律的听觉效果。同时，和弦音频信号输入电机驱动单元4，用于驱动振动电机5产生变频振动，通过机械连接带动刷毛8振动作用于牙齿，一方面利用和弦音频信号振幅较小、变化舒缓的特点，使刷毛8不仅振动稳定、力度适中，而且避免了振动时的嗡鸣噪音，从而实现了清洁牙齿的功能，并且提高了用户的使用舒适感，另一方面，该变频振动通过骨传导传送至内耳，实现了和弦的听觉效果。因此，耳朵不仅听到了该音乐的主旋律，而且听到了和弦，总体完美听见了该音乐。
例如，用户想在使用电动牙刷刷牙时听到激情励志的音乐。用户通过手机选择播放《国际歌》音频文件，产生音频信号。信号接收处理单元接收到该音频信号，并且提取和弦音频信号和主旋律音频信号。《国际歌》用到的和弦包括D、A、G、E等和弦，和弦音频为上述和弦的某种排列，速度为80拍每分钟，4/4拍。和弦音频信号发送至电机驱动单元，主旋律音频信号发送至骨传动驱动单元。电机驱动单元驱动振动电机振动，通过机械连接带动刷头振动，利用和弦音频信号振幅较小、变化舒缓的特点，能够使刷头振动稳定、力度适中，从而不仅实现了清洁牙齿的功能，而且提高了用户的使用舒适感，并且该振动通过骨传导送至内耳，实现和弦的听觉效果。同时，骨传动驱动单元驱动骨传导振子产生变频振动，通过骨传导送至内耳，实现主旋律的听觉效果。因此，刷牙时不仅舒适地清洁了牙齿，而且听到了《国际歌》。
实施例2：
本实施例中，牙刷的结构与实施例1基本相同，所不同的是手柄还设置存储音频文件的存储器与用于运行音频文件的播放软件。
本实施例中，用户使用牙刷刷牙时，选择存储器中存储的自己喜欢某首音乐的音频文件，通过播放软件进行播放，产生音频信号。信号接收处理单元2接收该音频信号，利用提取软件Riffstation从音频信号中提取和弦音频信号。
本实施例中，所述音频信号输入骨传导驱动单元3，用于驱动骨传导振子7产生变频振动，通过刷毛8作用于牙齿，然后通过骨传导传送至内耳，实现该音乐的听觉效果。同时，和弦音频信号输入电机驱动单元4，用于驱动振动电机5产生变频振动，通过机械连接带动刷毛8振动作用于牙齿，一方面利用和弦音频信号频率低、变化舒缓的特点，使刷毛8不仅振动稳定、力度适中，而且避免了振动时的单一嗡鸣，从而实现了清洁牙齿的功能，并且提高了用户的使用舒适感，另一方面，该变频振动通过骨传导传送至内耳，实现了该音乐的和弦的听觉效果。因此，耳朵听到了和弦加强的该音乐。
实施例3：
本实施例中，牙刷的结构与实施例2基本相同，所不同的是本实施例中包括扬声器(喇叭)，但是不包括骨传导驱动单元与骨传导振子。
本实施例中，用户使用牙刷刷牙时，选择存储器中存储的自己喜欢的某首音乐的音频文件，通过播放软件进行播放，产生音频信号；音频信号经扬声器转换为声波，通过空气传导使用户耳朵听到该音乐。同时，信号接收处理单元2接收该音频信号，利用提取软件Riffstation从音频信号中提取和弦音频信号，该和弦音频信号输入电机驱动单元4，用于驱动振动电机5产生变频振动，通过机械连接带动刷毛8振动作用于牙齿，一方面利用和弦音频信号频率低、变化舒缓的特点，使刷毛8不仅振动稳定、力度适中，而且避免了振动时的单一嗡鸣，从而实现了清洁牙齿的功能，并且提高了用户的使用舒适感，另一方面，该变频振动通过骨传导传送至内耳，实现了该音乐和弦的听觉效果。因此，耳朵听到了和弦加强的该音乐。
实施例4：
本实施例中，牙刷的结构与实施例3基本相同，所不同的是本实施例中信号接收处理单元2接收该音频信号，生成与其主旋律相配的和弦音频信号，生成方法采用IEEE-ACMTRANSACTIONS ON AUDIO SPEECH AND LANGUAGE PROCESSING，27(2)，355-366中报道的方法。该和弦音频信号输入电机驱动单元4，用于驱动振动电机5产生变频振动，通过机械连接带动刷毛8振动作用于牙齿，一方面利用和弦音频信号频率低、变化舒缓的特点，使刷毛8不仅振动稳定、力度适中，而且避免了振动时的单一嗡鸣，从而实现了清洁牙齿的功能，并且提高了用户的使用舒适感，另一方面，该变频振动通过骨传导传送至内耳，实现了与该音乐配合的和弦的听觉效果。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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