矩形振子驅動式分頻壓電骨傳導助聽器

曾平, 陳艷輝，孫淑杰, 柳杰, 程光明,2

(1.吉林大學 機械科學與工程學院，吉林 長春 130022；2.浙江師范大學 精密機械研究所，浙江 金華 3210046)

矩形振子驅動式分頻壓電骨傳導助聽器

曾平1, 陳艷輝1，孫淑杰1, 柳杰1, 程光明1,2

(1.吉林大學 機械科學與工程學院，吉林 長春 130022；2.浙江師范大學 精密機械研究所，浙江 金華 3210046)

為了使壓電骨傳導助聽器對聲音信號的傳遞更準確、更高效，提出一種具備對高低頻聲信號進行分頻傳導能力的新型壓電骨傳導助聽器。該助聽器利用方形和矩形2個壓電振子獨立驅動，可以將高低頻聲音信號分頻后通過骨傳導方式傳至內耳。對助聽器的主要部件壓電振子設計參數進行了仿真分析，依據仿真分析的結果，制作了壓電骨傳導助聽器試驗樣機，搭建了測試系統，對助聽器樣機進行了試驗測試。測試結果表明，矩形和方形振子的階躍響應速度相差約4 ms；中低頻段頻率響應中矩形振子的聲壓值突變平均超過方形振子約10 dB，中高頻段頻率響應中方形振子的聲壓值突變平均超過矩形振子約13 dB。試驗結果證明該助聽器可以實現聲音信號的分頻傳導。

分頻；骨傳導；壓電；助聽器；矩形振子

隨著壓電驅動技術的發展，基于壓電材料研制的驅動裝置在精密制造、醫療、振動控制等領域的研究工作得到廣泛重視。骨傳導助聽器是一種將音頻信號轉為振動信號的裝置，也可以利用壓電元件作為音頻信號轉化振動信號的驅動元件，因此壓電骨傳導助聽裝置的研究工作，近些年受到國內外科研人員的青睞[1-3]。目前較為成熟的骨傳導助聽裝置為電磁式骨傳導耳機，該裝置具有工作性能穩定，響度和音質好等特點[4]。但是壓電骨傳導耳機具有能耗低、無電磁輻射、易于微型化等優點，能夠減輕佩戴者的負擔，近年來國內外研究逐漸增加[5]。目前研究的壓電骨傳導耳機結構形式主要有內部植入式和外部佩戴式兩種[6-8]。內部植入式需要通過外科手術將助聽器植入到聽障患者中耳、外耳等部位，例如2009年韓國慶北大學研制的質量漂浮式骨傳導助聽器[9]和2011年英國鄧迪大學研制的低能耗微型壓電骨傳導助聽器[10]，體積小巧，通過中耳植入，能較好的適用于輕度和中度聽力損失患者。但是植入式的骨傳導助聽器技術成本高、患者承擔的心理和生理風險較大。外部佩戴式壓電骨傳導助聽器使用方便、風險小、成本低，如2008年泰國清邁大學研制的貼于顱骨乳突的膜片壓電骨傳導助聽器[11]和2010年吉林大學研制的基于圓形壓電振子的骨傳導聽覺裝置[12]。從國內外現狀分析，壓電骨傳導助聽器目前研制處于起步階段，且多數是利用單振子進行驅動，而人正常交流的頻率范圍約為200～4 000 Hz，單個振子在此頻率范圍內存在多個振型，而不同的振型對骨傳導效果以及用戶的體驗效果有不同程度的影響，在實際應用中將會使耳機的性能開發受限。本文提出一種外部佩戴式分頻壓電骨傳導助聽器結構設計方案，通過對其結構參數設計，結合仿真分析，研制了可以對高頻率、低頻率音頻信號有針對性的由相應壓電振子獨立輸出的新型骨傳導耳機，使得助聽器在高低頻段都能發揮良好的性能，使得壓電骨傳導助聽器的整體性能得到提升，為壓電骨傳導耳機的研究提供了新的思路。

1 結構和工作原理

1-上蓋，2-傳導柱，3-矩形壓電振子，4-方形壓電振子，5-橡膠圈，6-環形傳導柱，7-圓形傳導柱，8-中間支撐柱，9-觸膜，10-陣子連接板，11-導線，12-下蓋.圖1 結構示意圖Fig. 1 Structure of the hearing aid

如圖1所示為分頻式壓電骨傳導耳機結構示意圖。耳機的各個部分通過膠結的方式連接，兩個主要工作部件壓電振子的支撐方式均為中間支撐，即壓電振子的中心與中間支撐柱膠結，支撐柱與外殼膠結固定，橡膠圈用于振動過程中緩沖和減小兩振子間的相互影響。觸膜覆蓋于傳導柱上端，一般為較柔和的材料，避免傳導柱與皮膚直接接觸損傷皮膚，助聽器的觸膜與佩戴者的顱骨乳突接觸進行聲音的傳導。 分頻式壓電骨傳導助聽器的工作原理如圖2所示，聲音信號通常包含了不同頻率段的信號成分，全頻信號通過麥克等聲音接收設備接收后，通過兩個濾波器，分別為高通濾波器和低通濾波器，通過濾波環節原本高低頻摻雜的信號被分成了高頻信號和低頻信號兩部分，這兩部分信號分別被輸入到功率放大器進行放大，最后被放大的信號被輸入到相應的壓電振子，驅動其振動傳遞給用戶。

圖2 分頻工作原理圖Fig. 2 Working principle of the frequency division

按照聲音信號的成分不同主要分為以下3種工作模式：

1)低頻工作模式：如圖3(a)所示，當音頻信號全部為低頻信號時，具有較好低頻響應的矩形壓電振子工作，方形壓電振子為非工作狀態，聲音信號通過環形傳導柱的振動傳遞給顱骨乳突。

2)高頻工作模式：如圖3(b)所示，當音頻信號全部為高頻信號時，具有較好高頻響應的方形壓電振子工作，矩形壓電振子為非工作狀態，聲音信號通過圓柱形傳導柱的振動傳遞給顱骨乳突。

3)全頻工作模式：如圖3(c)所示，當音頻信號為全頻信號時，矩形和方形壓電振子同時工作，聲音信號通過圓柱形和環形傳導柱共同傳遞給顱骨乳突。

圖3 助聽器工作模式示意圖Fig. 3 Working mode of the hearing aid

2 壓電振子仿真分析

2.1 仿真參數設置

壓電振子由壓電晶片粘接在基板上構成。壓電晶片選用PZT-5，密度為ρp=7.6×103kg/m3，其介電常數矩陣ε(nF/m)，壓電彈性系數矩陣c(1010N/m2)，壓電常數矩陣e(C/m2)分別為

基板選用鈹青銅材料，其屬性如表1所示。壓電晶片和基板建模的具體尺寸參數如表2所示。

表1 鈹青銅基板材料屬性

表2 壓電振子相關尺寸參數

壓電陶瓷材料和鈹青銅基板分別選用solid5和solid45單元類型，仿真分析中對壓電振子中心10 mm×3 mm的矩形區域施加固定約束的邊界條件。

2.2 靜力學分析

如圖4所示為壓電振子在50 V電壓激勵下的靜力學仿真變形圖，方形和矩形壓電振子的變形對稱，方形振子最大變形在4個直角處，變形量為10.2 μm，矩形振子最大變形在兩端處，變形量為44 μm。從仿真的結果分析可知，兩種規格的壓電振子均具有較大的變形量，能夠滿足驅動傳導柱進行聲音傳導的要求。

圖4 壓電振子仿真靜力學變形圖Fig. 4 Static deformation of the piezoelectric vibrator

2.3 模態分析

對人的聲音敏感區域200～4 000 Hz內，2種振子的振動模態進行了分析，其中對稱且振幅較大的振型能使骨傳導助聽器具有較好的傳聲能力，且工作性能穩定。如圖5所示為方形振子的前八階振型，其中二、三、五階振型對稱性較好，振幅較大，適用于骨傳導耳機的工作，相對應的工作頻率段在1 400 Hz以上，屬于中高頻率段。

如圖6所示為矩形振子的前八階振型，其中一、三、六階振型對稱性較好，振幅較大，適用于骨傳導助聽器的工作，其相應的工作頻率段在1 400 Hz以下，屬于中低頻率段。從仿真分析的結果可知，通過選擇合適的壓電振子形狀尺寸，將方形和矩形壓電振子分別作為中高頻和中低頻的傳聲器件獨立工作，可以實現骨傳導助聽器的分頻響應，提高耳機的工作性能。

(a)一階振型 (b)二階振型

(c)三階振型 (d)四階振型

(e)五階振型 (f)六階振型

(g)七階振型 (h)八階振型圖5 方形振子前八階振型Fig. 5 The first eight modes of the square vibrator

(a)一階振型 (b)二階振型

(c)三階振型 (d)四階振型

(e)五階振型 (f)六階振型

(g)七階振型 (h)八階振型圖6 矩形振子前八階振型Fig. 6 The first eight modes of the rectangle vibrator

3 試驗測試

3.1 樣機與試驗系統

依據仿真分析的結果，設計制作了壓電骨傳導助聽器樣機，如圖7所示。除主要元件壓電振子之外，殼體、支撐和傳導相關部件均由有機玻璃加工而成。為了測試助聽器的相關性能搭建了如圖8所示的試驗測試系統，該系統主要由壓電專用7058功率放大器、AG1200任意波形信號發生器、TES-1358實時音頻分析儀、LC-2400A激光測微儀組成。信號發生器產生所需頻率和幅值的聲音信號后由功率放大器放大驅動壓電振子振動傳聲，通過激光測微儀記錄振子的振動幅值，通過音頻分析儀記錄其響度值。

圖7 骨傳導助聽器樣機圖Fig. 7 Prototype of the bone-conduction hearing aid

圖8 試驗測試系統圖Fig. 8 Experimental test system

3.2 電壓特性

在不同的電壓幅值信號驅動下，利用音頻分析儀分別對助聽器兩振子的響度進行了測試，測試結果如圖9所示。當電壓小于30 V時，兩振子的響度均隨著電源激勵信號幅值的增大而增大，漲幅較大，當電壓超過30 V時，響度隨電壓的增長較為緩慢，當電壓為60 V時方形壓電振子響度達94 dB，矩形壓電振子響度達到82 dB。該試驗結果表明，可以通過合理的調節輸入信號的幅值，控制骨傳導耳機的響度，即音量的大小。

圖9 助聽器響度-電壓特性曲線Fig. 9 Loudness-voltage characteristic curve

3.3 同步特性

對于分頻式骨傳導助聽器，當兩振子同時工作時，如果產生不同步現象，就會出現聲音失真。如圖10、11所示分別為助聽器矩形和方形振子的階躍響應特性，矩形壓電振子到達穩態所需要的時間比方形壓電振子滯后4 ms，試驗結果說明，當連續的聲音信號分別輸入到兩壓電振子時，兩振子的工作存在微小的不同步現象，但相差十分小，由哈斯效應可知，當兩聲波相差5～35 ms時，人的聽覺是無法察覺的，因此分頻后該助聽器仍具備較好的聲音保真性。

圖10 矩形振子階躍響應特性曲線Fig. 10 Step response characteristic curve of the rectangle vibrator

圖11 方形振子階躍響應特性曲線Fig. 11 Step response characteristic curve of the square vibrator

3.4 分頻特性

給助聽器分別施加頻率為31.5、125、500 Hz、1、2、4 kHz的正弦激勵信號，通過音頻分析儀測試其聲壓值，測試結果如圖12所示。在激勵信號頻率對應的聲壓值處都出現了不同程度的聲壓突變。矩形壓電振子負責中低頻率段的聲傳導，在中低頻段(≤1 kHz)的測試中，矩形壓電振子的聲壓值突變平均高于方形壓電振子約10 dB；方形壓電振子負責中高頻率段的聲傳導，在中高頻段(≥2 kHz)的測試中，方形壓電振子的聲壓值突變平均高于矩形壓電振子約13 dB。

(a)31.5 Hz (b)125 Hz

(c)500 Hz (d)1 kHz

(e)2 kHz (f)4 kHz六階振型圖12 頻率響應特性曲線Fig. 12 Frequency response characteristic curve

試驗結果說明，矩形和方形壓電振子能分別在中低頻和中高頻實現較好的聲傳導，使高低頻聲信號都能得到理想的重現，且試驗的結果和仿真分析的結果相一致。

4 結論

本文提出一種由雙壓電振子分頻傳導聲音信號的骨傳導助聽器。通過對核心部件壓電振子的仿真分析，驗證了矩形和方形壓電振子的設計尺寸的合理性，確定了兩壓電振子適用的工作頻率段，以仿真分析為依據，設計制作了壓電骨傳導助聽器樣機，搭建了試驗測試系統，對助聽器的性能進行了初步的試驗測試。試驗結果表明：

1)在一定的電壓范圍內，助聽器的響度隨電壓信號的增大而增大，通過調節驅動信號的幅值可以調節助聽器的響度，當電壓為60 V時，助聽器方形和矩形壓電振子響度分別可達93 dB和82 dB。

2)助聽器兩振子階躍響應速度相差約4 ms,兩振子共同響應時不會出現失真。

3)中低頻段頻率響應中矩形振子的聲壓值突變平均超過方形振子約10 dB，中高頻段頻率響應中方形振子的聲壓值突變平均超過矩形振子約13 dB，兩振子的分頻特性明顯。研究結果對于提高壓電骨傳導助聽器的工作性能提供了參考依據。

[1]張為, 鄭敏利, 徐錦輝, 等. 鈦合金Ti-6Al-4V車削加工表面硬化實驗[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2013, 34(8): 1052-1056. ZHANG Wei, ZHENG Minli, XU Jinhui, et al. Surface work-hardening experiment of titanium alloy Ti-6Al-4V turning[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2013, 34(8): 1052-1056.

[2]馬聞宇, 王寶雨, 周靖, 等. AA6082鋁合金熱變形損傷本構模型[J]. 中國有色金屬學報, 2015, 25(3): 595-601. MA Wenyu, WANG Baoyu, ZHOU Jing, et al. Damage constitutive model for thermal deformation of AA6082 aluminum alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(3): 595-601.

[3]劉興華, 朱立群, 劉慧叢, 等. 鋁合金微弧氧化放電火花對膜層粗糙度的影響[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2014, 35(4): 510-515. LIU Xinghua, ZHU Liqun, LIU Huicong, et al. Influence of micro-arc oxidation discharge sparks on the surface roughness of aluminum alloy coating[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2014, 35(4): 510-515.

[4]ZHOU Jing, WANG Baoyu, LIN Jianguo, et al. Optimization of an aluminum alloy anti-collision side beam hot stamping process using a multi-objective genetic algorithm[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2013, 13(3): 401-411.

[5]傅壘, 王寶雨, 孟慶磊, 等. 鋁合金熱沖壓成形質量影響因素[J]. 中南大學學報:自然科學版, 2013, 44(3): 936-941. FU Lei, WANG Baoyu, MENG Qinglei, et al. Factors affecting quality in hot stamping of aluminum alloy[J]. Journal of Central South University:Science and Technology, 2013, 44(3): 936-941.

[6]NGUYEN D T, YANG S H, JUNG D W, et al. A study on material modeling to predict spring-back in V-bending of AZ31 magnesium alloy sheet at various temperatures[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 62(5/6/7/8): 551-562.

[7]MA Wenyu, WANG Baoyu, FU Lei, et al. Influence of process parameters on deep drawing of AA6111 aluminum alloy at elevated temperatures[J]. Journal of Central South University, 2015, 22(4): 1167-1174.

[8]SUN Guangyong, LI Guangyao, GONG Zhihui, et al. Radial basis functional model for multi-objective sheet metal forming optimization[J]. Engineering Optimization, 2011, 43(12): 1351-1366.

[9]楊卓懿, 龐永杰, 王建, 等. 響應面模型在艇型多目標優化中的應用[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2011, 32(4): 407-410. YANG Zhuoyi, PANG Yongjie, WANG Jian, et al. Application of a response surface model in multi-objective optimization for submersible shapes[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2011, 32(4): 407-410.

[10]MOHAMED M S, FOSTER A D, LIN Jianguo, et al. Investigation of deformation and failure features in hot stamping of AA6082: Experimentation and modelling[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 53(1): 27-38.

[11] INGARAO G, DI LORENZO R, MICARI F. Analysis of stamping performances of dual phase steels: a multi-objective approach to reduce springback and thinning failure[J]. Materials & Design, 2009, 30(10): 4421-4433.

[12]MA Wenyu, WANG Baoyu, BIAN Jianhua, et al. A new damage constitutive model for thermal deformation of AA6111 sheet[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2015, 46(6): 2748-2757.

[13]周平, 郭威, 張向奎, 等. 薄板成形切邊回彈模擬的切邊算法[J]. 農業機械學報, 2010, 41(5): 222-226. ZHOU Ping, GUO Yi, ZHANG Xiangkui, et al. Trimming algorithm in trimming springback simulation of thin sheet forming[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(5): 222-226.

[14]DILIP KUMAR K, APPUKUTTAN K K, NEELAKANTHA V L, et al. Experimental determination of spring back and thinning effect of aluminum sheet metal during L-bending operation[J]. Materials & Design, 2014, 56: 613-619.

Frequency division type piezoelectric bone-conduction hearing aid based on square and rectanglar vibrators

ZENG Ping1，CHEN Yanhui1,SUN Shujie1,LIU Jie1,CHENG Guangming1,2

(1.College of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China；2.Institute of Precision Machinery，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China)

In order to transmit sound signals more accurately and more efficiently, a novel piezoelectric bone-conduction hearing aid that separates voice signals into high frequency and low frequency conduction is proposed. The hearing aid is actuated by both square and rectanglar vibrators, and can conduct the resulting divided high-frequency and low-frequency signals to the inner ear. Simulation analysis was conducted on design parameters of the main -piezoelectric vibrator,then a prototype of the piezoelectric bone-conduction hearing aid was developed, and tested, based on the results. The results indicate that the speed difference of step response between the square vibrator and the rectanglar vibrator is about 4 ms. In the frequency response test, the sudden change of sound pressure of the rectanglar vibrator averages 10 dB higher than the square vibrator at medium and low frequencies. The sudden change of sound pressure for the square vibrator averages about 13 dB lower than the rectanglar vibrator at the medium and high frequencies. The experimental result confirms that the hearing aid can conduct the voice signal after frequency division.

frequency division; bone-conduction; piezoelectricity; hearing aid; rectangle vibrator

2014-04-03.

時間：2015-08-24.

國家自然科學基金資助項目(51175478)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20110061110024)；教育部高等學校科技創新工程重大項目(708028).

曾平(1957-), 女, 教授,博士生導師.

曾平,E-mail：zengping321@163.com.

10.3969/jheu.201404088

TH703.8

A

1006-7043(2015)09-1264-05

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20150824.1616.002.html