基于圆形压电振子的骨传导听觉装置

　　摘　要:应用周边固支式圆形压电振子作为驱动元件,将音讯信号转换为振动信号,再利用骨传导方式使人感知音讯信号,在此基础上构建了圆形双晶片压电式骨传导听觉装置。对圆形压电振子进行了建模,利用有限元仿真分析,提出了压电振子支撑方式的优化方案。对设计的压电式骨传导听觉装置进行了实验测试,得到了骨传导装置结构参数对其性能影响的关系曲线。实验研究表明:压电式骨传导听觉装置的基本性能指标能够满足骨传导听觉装置的要求。

　　Abstract:A piezoelectric bone conduction auditory device with the Surrounding-fixed circular piezoelectric vibrator as the drive element to transfer the vibration signal to the sound signal and make it be sensed by the people through bone conduction is present. Optimization scheme of the piezoelectric vibrator supporting way is put forth based on the modeling of the circular piezoelectric vibrator and its simulation analysis by the ANSYS software. A prototype of this kind of the piezoelectric bone conduction auditory device is produced. An experiment is conducted to acquire the 　　influence of the structure parameters of the bone conduction auditory device on the loudness performance, the result of which proves it to be excellent in meeting the requirements of the piezoelectric bone conduction auditory device.

　　近年来,随着科学技术的进步,大量微型化的新型电子元器件不断涌现,气传导听觉装置(包括助听器、耳机等)也日益向微型化和轻型化发展。但气传导听觉装置的适用范围却有其局限性,因为这种听觉装置是将声音经过鼓膜的振动作用传至内耳,因此它不适用于一些患耳炎、耳聋等的病人。给传导性听觉障碍患者及正常人皆可使用的骨传导听觉装置,以其广泛的适用性备受人们的青睐和广大科研工作者的关注[1-4]。

　　骨传导听觉装置按声源振动器件工作原理的不同,可分为电磁式骨传导装置和压电式骨传导听觉装置[5]。压电式骨传导听觉装置中压电式振动器件不会伴随有电磁式振动器件中线圈产生的焦耳热损耗,在节约能量的同时具有更长的工作时间;由于不需要磁铁和轭等金属部件,其重量轻、型面薄;压电式骨传导听觉装置不受外界磁场的干扰,不影响其他利用电磁原理工作仪器的正常使用,因此它比电磁式的应用领域更为广泛[6-7]。但是压电式骨传导装置的研究刚刚起步,目前国内外压电式骨传导手机、耳机及助听器等产品,大多存在由于装置结构不理想而导致发声强度偏弱等不足,与现有电磁式骨传导产品相比,在使用性能上有一定差距。

　　作者基于目前压电式骨传导听觉装置的研究现状,对骨传导的声源振动器件(压电振子)进行仿真与实验分析[8-9]，提出应用周边固支式圆形压电振子作为驱动元件,将音讯信号转换为振动信号,利用骨传导方式使人感知音讯信号,设计了压电式骨传导听觉装置。

　　1　声音的传导途径及参数

　　1.1　声音的传导途径[10]

　　声音的感受细胞在内耳的耳蜗部分,而外来的声波必须进入内耳才能引起听觉,声音传入内耳的途径如图1所示。

　　声音传导途径分为气传导与骨传导。气传导有两种途径:第一种为“声波-鼓膜-听小骨-卵圆窗-内耳淋巴液-螺旋器-听神经-大脑皮层听觉中枢”;第二种为“声波-鼓膜-鼓室空气-卵圆窗-内耳淋巴液-螺旋器-听神经-大脑皮层听觉中枢”。骨传导就是外界声波直接经过颅骨和耳蜗骨臂的振动传入内耳,刺激听神经,引起听觉。具体传导途径为:“声波-颅骨-骨迷路-内耳淋巴液-螺旋器-听神经-大脑皮层听觉中枢”。

　　1.2　声音感知频率范围及听觉参数

　　人能感知的声音频率范围为20—20 000Hz。人的语音频率范围为80—8000 Hz,但300—3400 Hz的频谱范围内话音的清晰度为90%,可懂度高达100%。气传导听觉的敏感区在2000—4000 Hz,而骨传导听觉的敏感区在800—2500 Hz。声音有三个基本特性:响度、音色、音调。响度的大小是决定听觉感觉的一个重要参数,它表示人的听觉判断声音的强弱程度,是一主观感觉量。它是衡量声音强弱程度一个最直观的参数。响度取决于声波振幅大小。

　　2　压电振子形态及支撑方式的选取

　　2.1　压电振子的选取

　　由扬声器理论可知:①点声源辐射形式为球面波。在听音方向上,波阵面始终保持一致,相位得到保真,相频曲线平坦,声场定位准确;②点声源概念在几何线度上具有相对性,它与可闻角度具有直接相关性。当声源的线度边缘与听音者的连线所形成的夹角不能被忽略时,声源不能视为标准的点声源,此时结构越对称的声源越趋向于点声源。相对于其他形态的压电振子,圆形压电振子更趋近于点声源。

　　压电振子作为振动声源器件,如果振动位移小,即振幅小,会造成听觉响度不够,而人感受声音就会偏弱。骨传导听觉敏感区在800—2500Hz,通过将压电振子的共振区即谐振频率向听觉音频区域靠近,使压电振子在音频区域的振动达到共振,从而使振幅变大,可以提高响度。圆形压电振子的谐振频率与结构参数及固定方式有关,下面对圆形压电振子进行有限元分析。

　　2.2　压电振子支撑方式ANSYS建模

　　压电振子的建模参数如下:

　　(1)压电陶瓷参数:直径为25 mm;厚度为0.3 mm;密度为7.5×103kg/m3;介电常数矩阵(ε×10-9F/m);刚度矩阵(c×1010N/m2);压电常数矩阵(e×C/m2)分别为

　　2.3　压电振子支撑方式位移特性仿真及选取

　　由图2可以看出,周边固定的压电振子加直流电压后的变形曲面为抛物面,并且在同一直径上有相同的变形,中心点变形最大,离中心点距离越远变形越小。

　　由图3知,简支情况下的压电振子加直流电压后的变形与周边固定的压电振子变形曲面类似,也为抛物面。但中心点的最大变形量要小于周边固定情况下的压电振子。

　　中间固定的压电振子(见图4)加直流电压后的变形曲面也为抛物面形式,在同一直径上的变形是相同的,由于压电振子中心点位置被固定,中心点的变形为零,离中心点越远变形量越大,在压电振子的直径最大处变形量达到最大值。

　　综上所述,周边固定的压电振子的性能优于中间固定和简支情况下的压电振子,故作者采用周边固定作为圆形结构压电式骨传导听觉装置中压电振子的支撑方式。

　　3　试验模型及样机

　　制作压电式骨传导听觉装置样机,对不同频率下骨传导听觉装置的性能进行了试验测试。

　　3.1　压电式骨传导装置样机及结构

　　研制的圆形结构压电式骨传导听觉装置机体示意图及样机如图5所示。

　　3.2　试验测试系统组成

　　测试系统由AG1200任意波形信号发生器、7058功率放大器、激光测微仪、精密阻抗分析仪、示波器、ES-1358实时音频分析仪和精密气浮隔振台等构成。

　　4　不同参数对响度的影响

　　4.1　传导柱直径对响度的影响

　　如图6所示,在50 V、1000 Hz的正弦激励信号作用下,测得传导柱直径不同时压电振子的响度曲线。压电振子的响度是随着传导柱直径的变大而逐渐变小的;当传导柱直径大于7 mm时,压电振子的响度减小速率变得很慢。同时在试验中也能证明,对于不同的电压与频率,压电振子分别有不同的响度。但是压电振子的响度与传导柱关系的变化趋势与电压及频率的改变无关。

　　4.2　腔体高度对响度的影响

　　腔体高度对响度的影响如图7所示,在激励信号和圆形结构压电式骨传导听觉装置结构一定的情况下,腔体的高度会明显影响压电振子的响度,随着腔体高度的增加,压电振子的响度逐渐变大,并且呈近似线性增大的趋势。之所以出现这种情况,是因为为了减小漏音和声短路,压电振子经周边固定后的腔体尽量做成密封的,在这种情况下腔体高度越小则腔体的体积越小,则压电振子在振动时受到的腔体内的空气阻力越大,压电振子变形时受到的反作用力(即抑制作用)越大,从而腔体高度越小,压电振子的变形量就越小。

　　4.3　压电振子直径对响度的影响

　　由图8得知,压电振子直径为25 mm时的振动位移最小;压电振子直径为55 mm时的振动位移最大;在压电振子的直径从25 mm增大到55mm的过程中,其振动位移随着直径的增大而增大,并且增大的速度不断加快。

　　4.4　压电振子厚度对响度的影响

　　图9为50 V、1000 Hz的激励信号作用下，分别测得压电陶瓷直径为48 mm、铜极板直径为55mm时压电振子的响度曲线。

　　从图9中可以看出,随着压电振子厚度的增加,其发声响度逐渐变小。这主要是因为压电振子厚度增大的同时,其刚度随之增大,而变形减小,进而影响到发声响度的变化。为了使圆形结构压电式骨传导听觉装置的发声效果好,在保证压电振子强度的前提下,尽量选用厚度小的压电振子。

　　5　结束语

　　提出了基于圆形压电振子为声源振动器件,利用骨传导方式使人感知音讯信号的压电式骨传导听觉装置。仿真分析了压电振子支撑方式对装置性能的影响,最终采用性能最优的周边固定支撑方式。在上述基础上自行研制了基于圆形压电振子骨传导听觉装置样机,试验测试传导柱直径、腔体高度、压电振子直径、压电振子厚度对响度的影响。结果表明:选择适当参数设计的压电式骨传导听觉装置,能够实现将音讯信号转换为振动信号,使人通过感受振动信号而感知音讯信号的目的。

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