Способ и устройство для голосовой дыхательной гимнастики

Группа изобретений относится к медицине, средствам обучения и моделирования, способам и устройствам для выполнения голосовой дыхательной гимнастики (ГДГ). В способе и электронном устройстве для его осуществления используют графический образ (ГО) дыхательного симулятора (ДС), состоящий из статического и динамического трехмерных объектов, где динамический объект (ДО) поступательно движется на пользователя на фазе вдоха и от пользователя - на фазе выдоха, для сознательной синхронизации собственного дыхания и голосового озвучивания упражнений с фазами дыхания ДС и концентрацией внимания на этом процессе. При этом на дисплей устройства выводят текстовые сообщения, звукосочетания, которые подсказывают необходимые действия собственного дыхательного, голосового и артикуляционного аппаратов. Моменты начала и окончания фаз дыхания определяют в соответствии с максимальными и минимальными размерами объекта и в зависимости от степени его освещенности. Устройство включает базу данных параметров голосовых дыхательных упражнений, блоки акустической обратной связи и другие (частотного сдвига звука, маскирования шумом, задержки звука, детектора голосовой активности и маскирования пауз шумом, дисплей, микрофон, наушники), контроллеры, центральный процессор. В зависимости от возможностей пользователя выбирают длительности фаз вдоха, выдоха, пауз на вдохе и выдохе, количество повторов, название трехмерного ГО, количество вращений ДО, фазы дыхания с использованием подсветки дисплея с изменением освещенности трехмерного объекта. Вводимый через микрофон голос прослушивают в режиме реального времени, формируя правильные навыки озвучивания звукосочетаний, интонирования и изменения высоты голоса, усиления релаксации дыхательных мышц и улучшения концентрации внимания, резонирования звука с использованием соответствующих блоков акустической обратной связи устройства, маскируя фазы дыхания с помощью низкоамплитудных белого и броуновского шумов при озвучивании упражнений. Изобретения обеспечивают повышение информативности ГО ДС с сознательной синхронизацией собственного дыхания и голосового озвучивания с фазами дыхания ДС, повышение концентрации внимания, ускорение формирования правильных навыков голосового озвучивания упражнений ГДГ с индивидуальным самоконтролем и корректировкой техники озвучивания. 2 н.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к средствам обучения и моделирования, а именно к способам и устройствам для голосовой дыхательной гимнастики, и может быть использовано для повышения эффективности выполнения голосовой дыхательной гимнастики.

Применение изобретения позволяет самостоятельно в короткие сроки осваивать упражнения голосовой дыхательной гимнастики, выполнять и совершенствовать сложную технику упражнений с помощью графического трехмерного образа дыхательного симулятора, который дает возможность сознательно синхронизировать собственное дыхание и голосовое озвучивание упражнений с фазами дыхания дыхательного симулятора, позволяет эффективно концентрироваться и сохранять устойчивость внимания на синхронизации собственного дыхания; с помощью текстовых сообщений, которые подсказывают необходимые действия органов собственного дыхательного, голосового и артикуляционного аппаратов и звукосочетания; с помощью акустических средств для формирования правильных навыков голосового озвучивания с возможностью самоконтроля и корректировки техники голосового озвучивания в соответствии с индивидуальными потребностями пользователя.

Дыхание - одна из важнейших физиологических функций человеческого организма. Только человек способен осознанно управлять своим дыханием и оценивать характер деятельности дыхательной мускулатуры.

Естественное автоматическое дыхание, которое сопровождает человека по жизни - это и есть единственно правильное дыхание, автоматизм которого направлен на минимизацию энергетических затрат при поддержании оптимального газового состава крови. Современный уровень жизни приучает человека вести малоподвижный образ жизни. Отсутствие двигательной активности приводит к тому, что функции дыхательной системы, реализуемые через сокращение дыхательной мускулатуры, атрофируются. Причина в том, что у организма человека нет специальных механизмов, которые контролируют и удерживают эти функции на определенном уровне.

Современный человек дышит правильно, но качество дыхания снижено. Дыхание часто стеснено, зажато, что оказывает негативное влияние на физическое и психологическое здоровье. Дыхательную мускулатуру нужно тренировать и укреплять, как и любые другие скелетные мышцы.

Различают естественное автоматическое дыхание, регулируемое непроизвольно, произвольное дыхание, в котором сознательно регулируется и контролируется ритм дыхания, и голосовое дыхание, построенное на произвольном дыхании с озвученным выдохом.

При выполнении упражнений голосовой дыхательной гимнастики вовлекаются мышцы голосового и артикуляционного аппарата, более активную работу осуществляет дыхательная мускулатура. В результате в сравнении с неозвученными упражнениями дыхательной гимнастики эффективнее выполняются функции дыхательной системы, реализуемые через сокращение мускулатуры дыхательного аппарата, эффективнее снижается и полностью устраняется чрезмерное напряжение мускулатуры тела, которое мешает дыхательным движениям и является последствием стресса или вторичного психологического напряжения, которое возникает после пребывания в состоянии повышенной концентрации внимания или в состоянии повышенной эмоциональности. Кроме того, упражнения голосовой дыхательной гимнастики тренируют навык экономного и ровного выдоха, укрепляют и развивают естественный голос, позволяют почувствовать его и осознанно управлять им. Практика голосового дыхания формирует и закрепляет правильные навыки выдувания воздуха при звукоизвлечении в обычной речи.

Общее, что объединяет дыхательную и голосовую дыхательную гимнастику, - необходимость синхронного выполнения упражнений с фазами собственного дыхания.

Для повышения эффективности выполнения упражнений дыхательной гимнастики используют обычные метрономы или специализированные симуляторы дыхания, которые позволяют имитировать не только ритм, но и паттерн дыхания, который характеризуется длительностями фаз вдоха, паузы на вдохе, выдоха и паузы на выдохе. При этом способом выполнения упражнений дыхательной гимнастики является сознательная синхронизация собственного дыхания с фазами симулятора дыхания. Такой способ выполнения упражнений дыхательной гимнастики формирует навык контроля за длительностями фаз дыхания. Умение поддерживать оптимальную ритмическую структуру собственного паттерна спокойного дыхания позволяет тренировать экономное дыхание, эффективней расслабляться и снимать негативные проявления стресса.

Из уровня техники [1] известны способ и устройство для синхронизации дыхания и спадания легких. В способе данного изобретения используют датчики расхода воздуха и движения грудной клетки для оценки параметров дыхания пользователя, определяют параметры модели паттерна дыхания и используют сознательную синхронизацию собственного дыхания с помощью световых индикаторов устройства и звуков разной тональности, визуально и акустически симулирующих фазы вдоха и выдоха модели паттерна дыхания, изменяют параметры модели дыхательного паттерна. К недостаткам устройства следует отнести низкую информативность световой индикации для симуляции динамики фаз вдоха и выдоха и использование утомительного для слухового восприятия тонального звука для акустического выделения фаз дыхания.

Из уровня техники [2] также известна система для тренировки дыхательной синусовой аритмии. В данном изобретении для выполнения упражнений дыхательной гимнастики используется способ сознательной синхронизации собственного дыхания с фазами дыхательного симулятора, выполненного в виде графического индикатора на дисплее устройства. С помощью биологической обратной связи посредством электрокардиографических датчиков или фотоплетизмографического датчика, устройство позволяет индивидуально подбирать эффективный, с точки зрения выраженности дыхательной синусовой аритмии, паттерн дыхательного симулятора. Система не лишена недостатков. Графический образ дыхательного симулятора, выполненный в виде вытянутой и расположенной вертикально прямоугольной области, заполнение которой имитирует фазы дыхания, изменяет направление взгляда пользователя при синхронизации собственного дыхания, что приводит к отвлечению внимания.

Известна система с биологической обратной связью при расстройствах речи [3]. Система использует электромиографический датчик для обнаружения спазма мышц гортани в обычной речи и акустическую обратную связь для устранения расстройства речи. Система включает в себя микрофон, методы задержки звука, частотного сдвига звука и маскирования шумом акустической обратной связи, а также наушники. Данная система используется для устранения симптомов дикционных и артикуляционных трудностей в обычной речи.

Также известны система и способ [4] для оценки дыхания и звукоизвлечения голосового аппарата пользователя. Система включает в себя датчики биологической обратной связи для ввода сигнала дыхания и микрофон для ввода звука, громкоговоритель и наушники для прослушивания звука, блок интеграции для объединения сигналов от датчиков дыхания и микрофона, блок обработки сигналов, полученных с микрофона и дыхательных датчиков и процессор, управляющий комбинированием сигналов в разных сочетаниях для отображения на дисплее системы в режиме реального времени. Пользователь системы, используя визуальную обратную связь в виде комбинированного сигнала на дисплее системы, при помощи специалиста вырабатывает навыки правильного звукоизвлечения и поддерживания оптимального паттерна собственного дыхания. В системе не предусмотрено использование методов акустической обратной связи, которые в режиме реального времени обрабатывают, преобразуют и обратно воспроизводят звук в наушники, что ограничивает область ее применения.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ и устройство для дыхательной гимнастики, описанные в международной заявке, опубликованной на основе договора о патентном сотрудничестве [5]. Способ для дыхательной гимнастики, включает в себя сознательную синхронизацию собственного дыхания пользователя с динамически изменяющимся в размерах графическим объектом, симулирующим фазы дыхания на дисплее устройства. Устройство для дыхательной гимнастики содержит графический дисплей, элементы ввода значений длительностей фаз вдоха, выдоха и пауз на вдохе и выдохе модели дыхательного симулятора, элементы ввода значений количества повторов каждой фазы вдоха, выдоха и пауз, элементы указания последовательности их повторов; модель дыхательного симулятора, которая включает в себя одну или несколько фаз вдоха, одну или несколько фаз выдоха и одну или несколько фаз пауза на вдохе и выдохе; контроллер графического дисплея для управления отображением последовательности графических изображений в соответствии с полученными длительностями фаз вдоха, выдоха и пауз на вдохе и выдохе, последовательность изображений, в которых объект визуально увеличивается в размерах во время фазы вдоха, визуально уменьшается в размерах во время фазы выдоха, визуально остается фиксированным в размерах во время фаз пауза на вдохе и выдохе. Устройство может состоять из одного или более громкоговорителей для проигрывания фоновой музыки в течение времени выполнения дыхательной гимнастики, содержит список музыкальных записей, позволяющий пользователю выбирать фоновую музыку, содержит элементы ввода для задания количества повторов модели дыхательного симулятора и контроллер, осуществляющий повтор модели дыхательного симулятора заданное количество раз. Однако устройство не лишено недостатков. Графический образ дыхательного симулятора устройства, имитирующий фазы дыхания уменьшением и увеличением размера, делает неравнозначным определение пользователем моментов начала и окончания фаз, на которых графический образ симулятора имеет максимальные и минимальные геометрические размеры. В устройстве не предусмотрено текстовых сообщений, подсказывающих действия и звукосочетания для упражнений голосовой дыхательной гимнастики, техника выполнения которых сложна и состоит не только из сознательной координированной работы органов собственного дыхательного аппарата пользователя, но и из координированной работы органов голосового и артикуляционного аппаратов пользователя при озвучивании звукосочетаний. Также в изобретении не предусмотрено использование микрофона, методов акустической обратной связи и наушников, что ограничивает область его применения.

В этой связи, становится актуальной задача разработки способа и устройства для голосовых дыхательных упражнений.

При разработке изобретения решались следующие технические задачи.

Одной из технических задач являлась разработка средств повышения информативности графического образа дыхательного симулятора для сознательной синхронизации как собственного дыхания, так и синхронизации голосового озвучивания с фазами дыхания дыхательного симулятора, эффективной концентрации и устойчивости внимания на графическом образе дыхательного симулятора при проведении сознательной синхронизации собственного дыхания и голосового озвучивания с фазами дыхания дыхательного симулятора. Для решения этой задачи необходимо было разработать такой графический трехмерный образ дыхательного симулятора, который делает процесс сознательной синхронизации дыхания наблюдателя с фазами дыхания дыхательного симулятора естественным, простым и понятным. При этом учитывалось, что для выполнения голосовых дыхательных упражнений важными являются поступательное движение воздуха за счет сокращения дыхательной мускулатуры на фазе вдоха и возвратное движение воздуха при расслаблении дыхательных мышц на фазе выдоха, на которой происходит озвучивание звукосочетаний упражнений. Необходимо было учесть, что эффективная концентрация при сознательной синхронизации собственного дыхания на графическом образе возможна только в случае, если не меняется направление взгляда наблюдателя. В противном случае происходит отвлечение внимания и потеря сознательной синхронизации собственного дыхания с фазами дыхания дыхательного симулятора.

Далее необходимо было обеспечить равнозначность визуального определения наблюдателем моментов начала и окончания фаз дыхания графического трехмерного образа дыхательного симулятора, а также учесть, что моменты начала и окончания фазы пауза на выдохе являются важными для тренировки голосового дыхания, так как в этой фазе происходит усиление релаксации дыхательной мускулатуры.

Кроме того, учитывалась важность сохранения устойчивости внимания на графическом трехмерном образе дыхательного симулятора, которая характеризуется длительностью сохранения концентрации внимания на одном уровне и формируется возможностью раскрытия в том объекте, на который оно направлено, новых свойств и внутреннего содержания. При этом учитывалось, что внутренняя ритмизация фаз вдоха и выдоха с вращением трехмерного объекта, а также разная динамика вращения трехмерного объекта на фазах вдоха и выдоха графического трехмерного образа дыхательного симулятора позволяют пользователю осознать два ритмичных события, происходящих при релаксации и расслаблении дыхательной мускулатуры: дыхание и сердцебиение. При решении задачи также учитывалось, что графический трехмерный образ дыхательного метронома должен позволять определять момент начала озвучивания фазы выдоха. Также учитывалось, что синхронизированные с фазами дыхательного симулятора подсветка дисплея и изменение освещенности графического трехмерного образа дыхательного симулятора способствуют релаксации и действуют успокаивающе на пользователя.

Следующей технической задачей, которая решалась в заявляемом способе и устройстве, являлась разработка средств формирования и отображения текстовых сообщений синхронно с фазами дыхания дыхательного симулятора, которые подсказывают пользователю необходимые действия органов собственного дыхательного, голосового и артикуляционного аппаратов и звукосочетания для озвучивания. При решении задачи учитывалось, что техника выполнения артикуляционных действий и сложность звукосочетаний для озвучивания может изменяться не только от дыхательного цикла к циклу, но и от фазы к фазе дыхательного цикла упражнения голосовой дыхательной гимнастики.

Далее в заявленном способе и устройстве решалась техническая задача разработки акустических средств, включающих микрофон, акустические методы обратной связи и наушники; определение состава методов акустической обратной связи для цели формирования правильной техники голосового озвучивания упражнений голосовой дыхательной гимнастики с возможностью самоконтроля и корректировки техники голосового озвучивания в соответствии с индивидуальными потребностями пользователя.

Выполнение голосового дыхательного упражнения с помощью микрофона и наушников, возможность слушать усиленный звук в наушниках тренирует восприятие собственного голоса пользователя и является эффективным средством самоконтроля при выполнении голосовых дыхательных упражнений. Причина в том, что собственный голос кажется человеку значительно более низким, чем его слышат окружающие. За счет существенной разницы в тембре костнопроводимого и воздухопроводимого звука, говорящий перестает узнавать свой голос при воспроизведении его в наушниках через микрофон. Звукоизоляция с помощью наушников позволяет исключить влияние акустических параметров помещения, шумов и других помех при восприятии своего голоса с позиций "постороннего слушателя". Усиление звука улучшает разборчивость восприятия собственного голоса, позволяет самостоятельно обнаруживать возможные дефекты звучания при выполнении упражнений голосовой дыхательной гимнастики.

При определении состава используемых методов акустической обратной связи учитывались возможности методов акустической обратной связи для цели формирования правильной техники голосовых дыхательных упражнений разного назначения и коррекции техники упражнений в соответствии с индивидуальными потребностями пользователя. В заявляемом способе и устройстве также учитывалось, что техническая реализация методов акустической обратной связи должна позволять изменять режимы их работы в зависимости от текущей фазы дыхания дыхательного симулятора, изменять параметры их работы по заданным функциональным зависимостям от времени выполнения указанной фазы дыхания симулятора для цели формирования правильных навыков голосового озвучивания разного назначения упражнений голосовой дыхательной гимнастики и коррекции техники голосового озвучивания в соответствии с индивидуальными потребностями пользователя, включать и выключать их синхронно с фазами дыхания дыхательного симулятора для цели энергосбережения аккумуляторных батарей,

Метод задержки звука акустической обратной связи, известный по своей английской аббревиатуре "DAF" ("Delayed Auditory Feedback"), заключается в задержке звука, который выводится на наушники. В результате сегмент звука голоса, который слышен в текущей момент, отличается от сегмента звука голоса, который произносится органами артикуляции речи в данный момент. Метод был разработан в конце 50-х годов двадцатого века и имеет большое количество технических решений. Традиционно метод задержки звука акустической обратной связи используется для устранения симптомов дикционных и артикуляционных трудностей за счет замедления темпа речи. Использование метода задержки звука акустической обратной связи в заявляемом способе и устройстве обусловлено в первую очередь эффектом протягивания гласных звуков при выполнении голосовых дыхательных упражнений. Изменение степени протягивания гласных методом задержки звука акустической обратной связи позволяет пользователю подстроить собственное озвученное дыхание под паттерн дыхательного симулятора без каких-либо волевых усилий, связанных с мышечным напряжением и без добавления дополнительных звуков, слогов и слов в процессе озвучивания, а также для формирования правильных навыков голосового озвучивания дикционных звукосочетаний.

Метод частотного сдвига акустической обратной связи, известный по своей английской аббревиатуре "FAF" ("Frequency Altered Feedback"), заключается в сдвиге тональности голоса слышимого в наушниках в сравнении с естественной тональностью голоса. Был разработан в середине 80-х годов двадцатого века. Так же как и метод задержки звука, метод частотного сдвига акустической обратной связи имеет большое количество технических решений и также используется для замедления темпа речи.

Изменение темпа звукоизвлечения с помощью метода частотного сдвига акустической обратной связи в дополнение к методу задержки звука акустической обратной связи в заявляемом способе и устройстве, позволяет пользователю подстроить собственное озвученное дыхание под паттерн дыхательного симулятора без каких-либо волевых усилий, связанных с мышечным напряжением и без добавления дополнительных звуков, слогов и слов в процессе озвучивания.

Традиционное использование метода с постоянным значением частотного сдвига акустической обратной связи не оказывает влияния на частоту основного тона голоса, формирующую его тональность или высоту. В работе [6] показан компенсаторный эффект голосового аппарата и изменение частоты основного тона голоса при использовании изменения значения частотного сдвига звука акустической обратной связи по функциональной зависимости от времени. В заявляемом способе и устройстве используется изменение частотного сдвига звука акустической обратной связи по функциональной зависимости от времени выполнения фаз дыхания дыхательного симулятора для формирования правильных навыков голосового озвучивания упражнений на интонирование и изменение высоты голоса.

Метод маскирования шумом акустической обратной связи, известный по своей английской аббревиатуре "MAF" ("Masking auditory feedback"), заключается в маскировании звука слышимого в наушниках белым шумом. Также имеет большое количество технических решений. Традиционное использование метода маскирования шумом акустической обратной связи с высокой амплитудой белого шума, обусловлено необходимостью устранения слухового восприятия собственного голоса и контроля голоса только за счет кинестезических ощущений речевой деятельности мышц. Известно, что использование низкоамплитудного шума акустической обратной связи в виде фонового помогает релаксации, снимает нервное напряжение, улучшает концентрацию внимания и помогает при бессоннице. В заявленном способе и устройстве используются низкоамплитудные шумы разного вида: белый и броуновский. Чередование разных видов шумов акустической обратной связи способствует релаксации дыхательной мускулатуры и улучшению концентрации внимания. Низкоамплитудный шум, являясь дисгармоничным звуком, не имеющим отношения к мелодии и музыкальным структурам, неутомителен для слухового восприятия пользователя на протяжении длительного периода времени и используется также в заявленном способе и устройстве для акустического выделения фаз дыхания дыхательного симулятора.

Метод детектор голосовой активности и маскирования пауз шумом акустической обратной связи, известный по своей английской аббревиатуре "VAD" ("Voice Activity Detector"), широко используется в устройствах цифровой мобильной связи в сочетании с генератором комфортного белого шума в паузах голосовой активности. Использование детектора голосовой активности в цифровой мобильной связи существенно экономит энергию аккумуляторной батареи (в паузах речи канал связи переводится в пассивный режим), поскольку средняя активность речи говорящего обычно ниже 50%. Экспериментально показано, что отсутствие фонового шума при отключении передатчика в паузах разговора раздражает абонента и снижает разборчивость речи. По этой причине применение комфортного для абонента белого шума в паузах считается необходимым. В заявленном способе и устройстве детектор голосовой активности и маскирования пауз шумом акустической обратной связи реализован в двух режимах настройки параметров: с установкой вручную пользователем амплитуды белого шума и автоматической настройкой амплитуды белого шума по уровню внешнего акустического фона. При выполнении голосовых дыхательных упражнений детектор голосовой активности с автоматической настройкой амплитуды белого шума по уровню внешнего акустического фона используется двумя способами. Первый способ аналогичен использованию детектора голосовой активности в мобильной связи для экономии энергии аккумуляторной батареи устройства: в паузах голосовой активности в наушниках слышен акустически комфортный белый шум, при появлении голосовой активности, например, при озвученном выдохе голосового дыхательного упражнения, он выключается. Второй способ - в качестве акустической обратной связи при выполнении голосовых дыхательных упражнений, которые тренируют навык резонирования звука у пользователя. Правильное выполнение этих упражнений сопровождается появлением и равномерным резонированием звука в отделах воздухоносных путей собственного дыхательного аппарата и воспринимается методом акустической обратной связи как акустический фон и в наушниках появляется белый шум, амплитуда которого пропорциональна амплитуде резонирующего звука. Совместное использование метода детектор голосовой активности и маскирования пауз шумом с методом задержки звука акустической обратной связи помогает протягивать резонирующие звуки и обеспечивают равномерность выдоха при выполнении упражнения. Настройка параметров метода детектор голосовой активности и маскирования пауз шумом акустической обратной связи позволяет усиливать или ослаблять требования к равномерности резонирования звука.

Кроме того, в заявленном способе и устройстве ставилась техническая задача разработки средств автоматического контроля метрологических характеристик дыхательного симулятора и качества звука при снижении заряда аккумулятора устройства.

Техническим результатом, достигаемым предлагаемым способом и устройством, является повышение информативности графического образа дыхательного симулятора для возможности сознательной синхронизации как собственного дыхания, так и голосового озвучивания с фазами дыхания дыхательного симулятора, повышение эффективности концентрации и устойчивости внимания на графическом образе дыхательного симулятора при проведении сознательной синхронизации как собственного дыхания, так и голосового озвучивания с фазами дыхания дыхательного симулятора, освоение упражнений голосовой дыхательной гимнастики за более короткое время с помощью текстовых сообщений, которые подсказывают необходимые действия органов собственного дыхательного, голосового и артикуляционного аппаратов и звукосочетания для озвучивания на фазах собственного дыхания, формирование правильных навыков голосового озвучивания упражнений голосовой дыхательной гимнастики с возможностью самоконтроля и корректировки техники голосового озвучивания в соответствии с индивидуальными потребностями пользователя.

Для осуществления поставленных технических задач и достижения технического результата авторами завяленного изобретения был разработан способ и устройство для голосовых дыхательных упражнений, описанные ниже.

Существо заявляемого изобретения поясняется графическими материалами. На фиг 1. представлена функциональная блок-схема устройства для голосовой дыхательной гимнастики;

на фиг.2 - структура базы данных комплексов упражнений голосовых дыхательных гимнастик, хранимой в модуле ПЗУ 1 устройства;

на фиг.3 - экран блока 2 ввода голосового дыхательного упражнения устройства;

на фиг.4 - структура графического образа и положения трехмерных объектов в моменты окончания фаз выдоха и вдоха;

на фиг.5 - экран области графики 22а дисплея 22 графического образа дыхательного симулятора с возможностью возвратно-поступательного движения трехмерного динамического объекта продольно оси Z;

на фиг.6 - экран области графики 22а дисплея 22 графического образа дыхательного симулятора с возможностью вращения динамического трехмерного объекта вокруг оси при поступательном и возвратном движении продольно оси Z;

на фиг.7 - статический трехмерный объект с возможностью оценки взаиморасположения динамического трехмерного объекта по оси Z;

на фиг.8 - временная диаграмма частотного сдвига для указанной фазы дыхательного симулятора;

на фиг.9 - временная диаграмма маскирования шумами разного вида в соответствии с указанными фазами дыхательного симулятора;

на фиг.10 - экран устройства для голосовой дыхательной гимнастики;

на фиг.11 - алгоритм управления центрального процессора 17 устройства в режиме голосовой гимнастики.

Устройство для голосовой дыхательной гимнастики, функциональная схема которого представлена на Фиг.1, выполнено следующим образом.

Модуль памяти ПЗУ для хранения базы данных голосовых дыхательных упражнений 1 выполнен с возможностью сохранения базы данных комплексов упражнений голосовых дыхательных гимнастик. Структура базы данных комплексов упражнений голосовых дыхательных гимнастик показана на Фиг.2.

Контроллер последовательности голосовых дыхательных упражнений 3 выполнен с возможностью формирования последовательности упражнений в выбранном комплексе упражнений и указания очередности упражнений в последовательности, а также с возможностью использования двух режимов загрузки параметров упражнения из модуля 1: ручной режим и автоматический режим загрузки упражнений в порядке сформированной очередности номеров упражнений, инициализация параметров контроллера модели дыхательного симулятора 5 параметрами загруженного упражнения.

Блок ввода голосового дыхательного упражнения 2 выполнен с возможностью ввода общего описания техники выполнения упражнения, ввода текстовых сообщений для каждой дыхательной фазы каждого повтора модели дыхательного симулятора или их редактирования при выборе упражнения с помощью контроллера 3. Экран блока 2 ввода голосового дыхательного упражнения, реализованного в виде машиносчитываемых команд, показан на Фиг.3.

Модуль памяти ОЗУ 4 содержит параметры голосового дыхательного упражнения и выполнен с возможностью их сохранения в модуль памяти ПЗУ для хранения базы данных голосовых дыхательных упражнений 1.

Контроллер модели дыхательного симулятора 5 с возможностью ввода длительностей фаз вдоха, выдоха и пауз на вдохе и выдохе модели дыхательного симулятора, ввода количества повторов модели, ввода названия трехмерного графического образа модели дыхательного симулятора, ввода количества вращений динамического трехмерного объекта на одно поступательное или возвратное движение продольно оси Z, указания фаз дыхания модели дыхательного симулятора, для которых используется подсветка дисплея и изменяется освещенность трехмерных объектов графического образа, используются блоки акустической обратной связи 12, 13, 14, 15, режимы и параметры их работы.

Блок графического трехмерного образа 6 выполнен с возможностью формирования последовательности графических изображений модели дыхательного симулятора в виде динамического и статического трехмерных объектов в системе трехмерных координат X, Y, Z, в которых динамический трехмерный объект выполнен с возможностью поступательного движения продольно оси Z на наблюдателя в фазе вдоха и возвратного движения от наблюдателя в фазе выдоха.

Структура графического образа и положения трехмерных объектов в моменты окончания фаз выдоха и вдоха модели дыхательного симулятора, показаны на Фиг.4. Экран области графики 22а дисплея 22 графического образа дыхательного симулятора с возможностью возвратно-поступательного движения трехмерного динамического объекта продольно оси Z показан на Фиг.5.

Далее, блок графического трехмерного образа 6 выполнен с возможностью вращения динамического трехмерного объекта вокруг оси, лежащей в зеркальной плоскости этого объекта при его поступательном и возвратном движении продольно оси Z (Фиг.6).

Статический трехмерный объект графического образа дыхательного симулятора выполнен с возможностью оценки взаиморасположения динамического трехмерного объекта по оси Z (Фиг.7). Динамический и статический трехмерные объекты графического образа дыхательного симулятора выполнены с возможностью изменения освещенности.

Блок текстовых сообщений 7 с возможностью формирования последовательности текстовых сообщений для синхронизации с фазами дыхания модели дыхательного симулятора.

Блок подсветки 8 с возможностью формирования последовательности включения и выключения подсветки для синхронизации с фазами дыхания модели дыхательного симулятора.

Контроллер синхронизации параметров визуальных и звуковых блоков с фазами дыхания модели дыхательного симулятора 11 с возможностью синхронизации работы визуальных 6, 7, 8 и звуковых 12, 13, 14, 15 блоков в реальном масштабе времени с помощью таймера 9 в соответствии с длительностями фаз дыхательного симулятора.

Контроллер управления подсветкой 18 с возможностью управления подсветкой 19 в соответствии с последовательностью включения и выключения подсветки дисплея 22.

Графический контроллер 20 с возможностью отображения в виде последовательности графических изображений трехмерных объектов модели дыхательного симулятора на область графики 22а дисплея 22.

Текстовый контроллер 21 с возможностью отображения последовательности текстовых сообщений на область текста 226 дисплея 22.

Контроллер для управления звуком 23 с возможностью усиления и изменения частоты дискретизации звука и вывода звука на один или более громкоговорителей 24 или наушники 25.

Микрофон 10, блоки акустической обратной связи 12, 13, 14, 15 с возможностью синхронизации включения и выключения, изменения режимов и параметров их работы с фазами дыхания модели дыхательного симулятора, включающие блок задержки звука 14, блок частотного сдвига звука 12 с возможностью изменения значения частотного сдвига звука по функциональной зависимости от времени выполнения фазы дыхания (Фиг.8), блок маскирования шумами 13 с возможностью использования разных видов шумов для указанных фаз дыхания модели дыхательного симулятора (Фиг.9), блок детектора голосовой активности с маскированием пауз шумом 15 с возможностью ручной и автоматической по акустическому фону настройки амплитуды шума в паузах голосовой активности.

Центральный процессор 17 выполнен с возможностью управления контроллером синхронизации параметров визуальных и звуковых блоков с фазами дыхания модели дыхательного симулятора 11, графическим и текстовым контроллером для синхронного вывода графического образа модели дыхательного симулятора и текста сообщений в соответствующие области 22а и 226 дисплея 22, контроллером управления подсветкой 18, контроллером управления звуком 23, передачей и обменом данных между модулями, блоками и контроллерами устройства (Фиг.1).

Эталонный таймер 16 выполнен с возможностью контроля достаточности мощности центрального процессора 17 для управления контроллерами и блоками устройства и обеспечения автоматического контроля метрологических характеристик дыхательного симулятора и качества звука при снижении заряда аккумулятора устройства 26.

Заявляемое устройство (Фиг.1) может быть реализовано с помощью аппаратных модулей, использующих схемотехнические решения, или аппаратно-программных модулей, использующих схемотехнические решения с программируемыми контроллерами и процессорами, или в виде модулей машиносчитываемых команд. На Фиг.10 показан экран устройства для голосовой дыхательной гимнастики, блоки которого реализованы в виде машиносчитываемых команд.

Заявляемый способ голосовой дыхательной гимнастики с помощью данного устройства (Фиг.1) реализуется следующим образом.

Выбирают параметры голосового дыхательного упражнения из модуля памяти ПЗУ для хранения базы данных голосовых дыхательных упражнений 1 посредством элементов управления контроллера последовательности голосовых дыхательных упражнений 3. Формируют очередность извлечения упражнений из модуля памяти ПЗУ 1 и указывают режим загрузки упражнений с помощью контроллера последовательности голосовых дыхательных упражнений 3: автоматический или ручной.

Создают через блок ввода голосового дыхательного упражнения 2 параметры нового голосового дыхательного упражнения (Фиг.3): заполняют текстовые поля описания техники выполнения голосовых дыхательных упражнений и поля текстовых сообщений для фаз вдох, пауза на вдохе, выдох, пауза на выдохе модели дыхательного симулятора, описывающие артикуляционные действия и озвучиваемые звукосочетания.

Устанавливают индивидуально в зависимости от функциональных возможностей дыхательного и голосового аппарата длительности фаз вдоха и выдоха, пауз на вдохе и выдохе. Для чего вводят в контроллер модели дыхательного симулятора 5 длительности фаз вдоха, выдоха и пауз на вдохе и выдохе модели дыхательного симулятора, количество повторов модели, название трехмерного графического образа модели дыхательного симулятора, количество вращений динамического трехмерного объекта на одно поступательное или возвратное движение по оси Z, указывают фазы дыхания модели дыхательного симулятора, для которых используется подсветка дисплея и изменяется освещенность трехмерных объектов графического образа, а также используются блоки акустической обратной связи 12, 13, 14, 15. Изменяют режимы и параметры работы блоков акустической обратной связи 12, 13, 14, 15 для указанных фаз.

Сохраняют в модуль памяти ПЗУ для хранения базы данных голосовых дыхательных упражнений 1 (Фиг.2) содержимое модуля памяти ОЗУ 4, заполненное данными контроллера модели дыхательного симулятора 5, контроллера последовательности голосовых дыхательных упражнений 3 и блока ввода голосового дыхательного упражнения 2.

Включают режим тренировки устройства и осуществляют сознательную синхронизацию собственного дыхания с фазами выбранного графического образа дыхательного симулятора, отображаемого на области графики 22а дисплея 22.

При этом визуально воспринимают динамический трехмерный объект как движущийся поступательно на пользователя на фазе вдоха и от пользователя на фазе выдоха, причем моменты начала и окончания фаз дыхания определяют в соответствии с моментами, когда динамический трехмерный объект графического образа визуально имеет максимальные и минимальные размеры (Фиг.4), для определения которых визуально контролируют изменение освещенности статического трехмерного объекта и включение подсветки дисплея.

Концентрируют и сохраняют внимание на синхронизации собственного дыхания в процессе визуального восприятия динамики вращения динамического трехмерного объекта.

Синхронно с соответствующей фазой дыхания определяют момент начала озвучивания звукосочетаний, как показано на Фиг.7.

Сознательно координируют работу собственных дыхательного, голосового и артикуляционного аппаратов в соответствии с текстовыми сообщениями на текстовой области 226 дисплея 22, которые подсказывают действия и звукосочетания, которые необходимо выполнять на текущей фазе дыхания и на следующей фазе дыхания.

Осуществляют ввод голоса в устройство через микрофон 10 и слушают преобразованный в режиме реального времени с использованием блоков акустической обратной связи 12, 13, 14, 15 собственный голос в наушниках 25, формируя правильные навыки озвучивания звукосочетаний, интонирования и изменения высоты голоса, усиления релаксации дыхательных мышц и улучшения концентрации внимания, резонирования звука.

Для чего используют работу соответствующих блоков акустической обратной связи устройства, а именно:

- изменяют задержку звука блока 14 и величину частотного сдвига звука блока 12 для подстройки длительности собственного озвученного дыхания к соответствующим длительностям фаз дыхательного симулятора без добавления дополнительных звуков, слогов и слов в озвучиваемое звукосочетание;

- используют изменение частотного сдвига блока 12 по функциональной зависимости от времени выполнения фаз дыхания дыхательного симулятора (Фиг.8) для формирования правильных навыков голосового озвучивания упражнений на интонирование и изменение высоты голоса;

- акустически выделяют фазы дыхания путем чередования низкоамплитудных белого и броуновского шумов (Фиг.9) блока 13 для маскирования ими фаз вдоха и выдоха, пауз на вдохе и выдохе, при озвучивании, усиления релаксации дыхательных мышц и улучшения концентрации внимания;

- используют режим ручной настройки амплитуды шума блока детектор голосовой активности и маскирования пауз шумом 15 для создания акустически комфортного фона в паузах озвучивания упражнений;

- используют автоматический режим настройки амплитуды шума блока детектор голосовой активности и маскирования пауз шумом 15 для формирования правильных навыков голосового озвучивания упражнений на резонирование звука.

Повторяют текущее или выполняют новое голосовое дыхательное упражнение в соответствии с алгоритмом управления центрального процессора 17 устройства в режиме тренировки.

Самостоятельно контролируют и корректируют технику голосового озвучивания, выбирая состав одновременно используемых блоков акустической обратной связи, режимы их работы и параметры в режиме реального времени

Нажимают кнопку выключения режима тренировки и завершают выполнение голосовой дыхательной гимнастики.

Рассмотрим подробнее алгоритм управления центрального процессора 17 устройства, который используют в режиме тренировки голосовой гимнастики, блок-схема которого показана на Фиг.11. Цикл выполнения голосового дыхательного упражнения (ступень управления 1 или сокращенно - ст.1) центральный процессор проводит проверку счетчика выполнения (ст.2). Если выполнение упражнения не завершено, центральный процессор передает управление на ст.6 и продолжает выполнение упражнения. Если выполнение упражнения завершено, то проверяется режим загрузки упражнения контроллера 3 (ст.3). Если режим автоматической загрузки включен, то осуществляется чтение следующего упражнения последовательности посредством контроллера 3 (ст.4). Если нет, то счетчик выполнения упражнения сбрасывается (ст.5) и повторяется цикл тренировки текущего голосового дыхательного упражнения (ст.6), на котором проверяется изменение спецификации параметров контроллера 5. Если параметры контроллера 5 были изменены, то автоматически происходит обновление данных контролера 11, блоков 6, 7, 8, 12, 13, 14, 15 (ст.7). Если нет, то происходит переход на ст.8.

На ст.8 контроллер синхронизации параметров визуальных и звуковых модулей с фазами дыхательного симулятора 11, используя таймер 9, синхронизирует работу модулей визуальных 6, 7, 8 и звуковых 12, 13, 14, 15 модулей.

На ст.9 центральный процессор 17 управляет через графический и текстовый контроллеры синхронным выводом графического образа дыхательного симулятора и текстовых сообщений в соответствующие области 22а и 226 дисплея 22.

Также центральный процессор 17 через контроллер управления подсветкой 18 управляет подсветкой 19.

Контроллер управления звуком 23 обеспечивает усиление, изменение частоты дискретизации и вывод звука на наушники 25 или громкоговоритель 24.

Центральный процессор 17 через контроллер управления звуком 23 обеспечивает вывод звука на громкоговоритель 24 или наушники 25.

Далее происходит увеличение счетчика выполнения голосового дыхательного упражнения (ст.10) и проверяется состояние кнопки включения/ выключения режима тренировки устройства (ст.11). Если кнопка нажата, то цикл выполнения голосового дыхательного упражнения останавливается. Если кнопка не была нажата, то выполняется следующий цикл (ст.1).

Источники информации

1. US 6626843 В2, A61B 5/08, 2003.

2. US 6305943 В1, G09B 23/28, 2001.

3. US 5794203, G10L 9/0, 1998.

4. US 6423013 B1, A61B 7/00, 2002.

5. US 2009/0263773 A1, G09B 23/28, 2009.

6. Theresa A Burnett, Charles R Larson, Jay J. Bauer, and Swathi Kiranc, Timothy C. Hain. Comparison of voice F0 responses to pitch-shift onset and offset conditions // J Acoust Soc Am. 2001 December; 110(6), p.2845-2848.

Перечень обозначений к заявке

«Способ и устройство для голосовой дыхательной гимнастики»

1. Модуль памяти ПЗУ для хранения базы данных голосовых, дыхательных упражнений.

2. Блок ввода голосового дыхательного упражнения.

3. Контроллер последовательности голосовых дыхательных упражнений.

4. Модуль памяти ОЗУ.

5. Контроллер модели дыхательного симулятора.

6. Блок графического трехмерного образа.

7. Блок текстовых сообщений.

8. Блок подсветки.

9. Таймер.

10. Микрофон.

11. Контроллер синхронизации параметров визуальных и звуковых блоков с фазами дыхания модели дыхательного симулятора.

12. Блок частотного сдвига звука.

13. Блок маскирования шумом.

14. Блок задержки звука.

15. Блок детектора голосовой активности и маскирования пауз шумом.

16. Эталонный таймер.

17. Центральный процессор.

18. Контроллер управления подсветкой.

19. Подсветка.

20. Графический контроллер.

21. Текстовый контроллер.

22. Дисплей: 22а - область графики, 22б - область текста.

23. Контроллер управления звуком.

24. Громкоговоритель.

25. Наушники.

26. Блок питания, аккумулятор.

1. Способ голосовой дыхательной гимнастики, характеризующийся тем, что для его осуществления используют электронное устройство, включающее базу данных параметров голосовых дыхательных упражнений, блоки акустической обратной связи: блок частотного сдвига звука, блок маскирования шумом, блок задержки звука, блок детектора голосовой активности и маскирования пауз шумом, дисплей, микрофон, наушники; при этом из базы данных выбирают параметры голосового дыхательного упражнения; задают очередность упражнений, режим их загрузки, автоматический или ручной; вводят параметры нового голосового дыхательного упражнения в поле описания техники выполнения упражнений, в поле текстовых сообщений для фаз вдоха, паузы на вдохе, выдоха и паузы на выдохе модели дыхательного симулятора (МДС) вводят характеристику артикуляционных действий и озвучиваемые звукосочетания; индивидуально в зависимости от функциональных возможностей дыхательного и голосового аппаратов в МДС выбирают длительности фаз вдоха, выдоха и пауз на вдохе и выдохе, количество повторов МДС, название используемого трехмерного графического образа МДС, состоящего из статического и динамического трехмерных объектов, количество вращений динамического трехмерного объекта, фазы дыхания МДС с использованием подсветки дисплея с изменением освещенности трехмерного объекта графического образа, выбирают режимы и параметры работы блоков акустической обратной связи для каждой из фаз дыхания; после сохранения данных включают режим тренировки устройства и осуществляют сознательную синхронизацию собственного дыхания с фазами выбранного графического образа дыхательного симулятора, отображаемого на дисплее; при этом визуально воспринимают динамический трехмерный объект как движущийся поступательно на пользователя на фазе вдоха и от пользователя на фазе выдоха, причем моменты начала и окончания фаз дыхания определяют в соответствии с моментами, когда динамический трехмерный объект графического образа визуально имеет максимальные и минимальные размеры, для определения которых визуально контролируют изменение освещенности статического трехмерного объекта и включение подсветки дисплея; концентрируют и сохраняют внимание на синхронизации собственного дыхания в процессе визуального восприятия динамики вращения динамического трехмерного объекта; синхронно с соответствующей фазой дыхания определяют момент начала озвучивания звукосочетаний; сознательно координируют работу собственных дыхательного, голосового и артикуляционного аппаратов в соответствии с текстовыми сообщениями на дисплее, которые подсказывают действия и звукосочетания, необходимые для выполнения на текущей и на следующей фазах дыхания; осуществляют ввод голоса через микрофон и прослушивают в режиме реального времени собственный голос в наушниках, формируя правильные навыки озвучивания звукосочетаний, интонирования и изменения высоты голоса, усиления релаксации дыхательных мышц и улучшения концентрации внимания, резонирования звука, для чего используют работу соответствующих блоков акустической обратной связи устройства, а именно: изменяют задержку звука и величину частотного сдвига звука для подстройки длительности собственного озвученного дыхания к соответствующим длительностям фаз дыхательного симулятора без добавления дополнительных звуков, слогов и слов в озвучиваемое звукосочетание, акустически выделяют фазы дыхания путем чередования низкоамплитудных белого и броуновского шумов для маскирования ими фаз вдоха и выдоха, пауз на вдохе и выдохе при озвучивании упражнений; повторяют текущее или выполняют новое голосовое дыхательное упражнение в соответствии с алгоритмом режима тренировки; самостоятельно контролируют и корректируют технику голосового озвучивания, выбирая состав одновременно используемых блоков акустической обратной связи, режимы их работы и параметры в режиме реального времени.

2. Устройство для голосовой дыхательной гимнастики, включающее контроллер модели дыхательного симулятора с возможностью ввода длительностей фаз вдоха, выдоха и пауз на вдохе и выдохе модели дыхательного симулятора, количество повторов модели дыхательного симулятора, контроллер последовательности голосовых дыхательных упражнений с возможностью формирования последовательности моделей дыхательного симулятора и указания очередности выполнения моделей дыхательного симулятора, дисплей, графический контроллер дисплея с возможностью отображения модели дыхательного симулятора в виде последовательности графических изображений объекта с возможностью визуального увеличения объекта в размерах на фазе вдоха, визуального уменьшения объекта в размерах на фазе выдоха, визуального фиксирования размеров объекта на фазах пауза на вдохе и выдохе модели дыхательного симулятора, таймер с возможностью контроля длительности фаз дыхания модели дыхательного симулятора, контроллер для управления звуком с возможностью вывода звука на один или более громкоговорителей и центральный процессор, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок графического трехмерного образа, имеющий возможность формирования последовательности графических изображений дыхательного симулятора в виде динамического и статического трехмерных объектов с изменяемой освещенностью в системе координат X, Y, Z, поступательного движения динамического объекта вдоль оси Z на наблюдателя в фазе вдоха и от наблюдателя в фазе выдоха и его одновременного вращения, оценки взаиморасположения статического и динамического объектов по оси Z и изменения их освещенности, блок ввода голосового дыхательного упражнения выполнен с возможностью ввода описания техники выполнения упражнений, ввода текстовых сообщений для каждой фазы дыхания каждого повтора модели дыхательного симулятора, блок текстовых сообщений с возможностью формирования последовательности текстовых сообщений для синхронизации с фазами дыхания модели дыхательного симулятора, текстовый контроллер с возможностью отображения текстовых сообщений на область текста дисплея, микрофон, наушники, блоки акустической обратной связи с возможностью синхронизации включения и выключения, изменения режимов и параметров их работы с фазами дыхания модели дыхательного симулятора, включающие блок задержки звука, блок частотного сдвига звука с возможностью изменения значения частотного сдвига звука по функциональной зависимости от времени выполнения фазы дыхания, блок маскирования шумами с возможностью использования разных видов шумов для указанных фаз дыхания модели дыхательного симулятора, блок детектора голосовой активности с маскированием пауз шумом с возможностью ручной и автоматической по акустическому фону настройки амплитуды шума в паузах голосовой активности, блок подсветки с возможностью формирования последовательности включения и выключения подсветки для синхронизации с фазами дыхания модели дыхательного симулятора, контроллер управления подсветкой с возможностью управления подсветкой дисплея, контроллер синхронизации параметров визуальных и звуковых блоков с фазами дыхания модели дыхательного симулятора, контроллер модели дыхательного симулятора с возможностью ввода названия трехмерного графического образа, ввода количества вращений динамического трехмерного объекта при поступательном и возвратном движениях продольно оси Z, указания фаз дыхания модели дыхательного симулятора, для которых используется подсветка дисплея, изменяется освещенность трехмерных объектов графического образа, используются блоки акустической обратной связи, режимы и параметры их работы, центральный процессор подключен с возможностью управления контроллером синхронизации параметров визуальных и звуковых блоков с фазами дыхания модели дыхательного симулятора, графическим и текстовым контроллерами для синхронного вывода графического образа модели дыхательного симулятора и текста сообщений в соответствующие области дисплея, контроллером управления подсветкой, контроллером управления звуком, передачей и обменом данными между блоками и контроллерами устройства.