基于壓電骨傳導原理的助眠裝置設計研究

馬惜平,白 譽*,韓 兵**,劉 榮*,李艷琳*,董 彪

(1.北華大學 電氣與信息工程學院,吉林 吉林 132021;2.吉林市熱力集團有限公司,吉林 吉林 132002)

已知人類能夠通過顱骨的振動接收到音頻信號[1],且由2020年1月刊登在《世界睡眠醫學雜志》的“頻率醫學睡眠對慢性失眠癥的治療作用”中的研究得知,當大腦接受價值頻率相差10 Hz左右的聲波時,會達到入眠的最佳條件。實際應用中表明骨傳導頻率共振對調節慢性失眠癥患者腦電波具有良好效果[2],保障其身心平衡,舒緩心理壓力,緩解肌肉緊張,讓使用者快速進入睡眠狀態,并促進使用者深度睡眠。以助聽為主要目的骨傳導技術不僅僅能通過耳朵獲得聲音,也為佩戴者提供解放雙耳良好的體驗。如果能夠設計壓電骨傳導助眠模塊,實現無需佩戴耳機就能獲得聲音的效果,同時將聲波頻率調節到合理區間,使大腦接受價值頻率相差10 Hz左右,產生助眠聲波,可解決目前助眠裝置價格高昂,治療周期長等問題。

1 助眠裝置組成

骨傳導是以人體骨骼作為介質,將聲音轉化為不同頻率的震動,在不經過外耳道和骨膜的情況下,通過耳小骨的震動,將聲音經過內耳道,直線傳入到大腦聽覺神經中,圖1為結合Soildworks建立的3D骨傳導助眠裝置的總體示意圖,裝置主體采用彈性金屬,當人體躺下時彈性金屬產生如圖所示彎折包裹用戶頭部,保證骨傳導與用戶頭部接觸,同時播放預設助眠音頻文件。

圖1 助眠裝置主體圖

其中骨傳導核心部件為復合壓電振子,通過傳導柱傳給頭骨使人能感知聲音,設計了如圖2所示裝置,采用與壓電振子形狀相同的圓形結構為上蓋,既可隔音又可使傳導柱穿出連接導線[3],輸出信號。底座隔音的同時又可以支撐壓電振子。下殼留有小孔用以引出驅動信號的導線,最后在選取外殼時考慮到佩戴品不宜過重,同樣也要起隔音作用,減少漏音,可以有效傳導振動信號,因此采用有機玻璃(PMMA)。

圖2 壓電骨傳導方式結構圖

2 復合壓電振子設計

2.1 壓電陶瓷晶片材料選擇

為了設計可以產生一定幅值并結合差拍技術的壓電振子,要選擇能夠產生適合助眠頻率的壓電陶瓷晶片,并進行不同方向疊堆實現差拍復合壓電振子。壓電陶瓷晶片的壓電效應成為進行能量轉換和信號傳遞的重要載體,但它的缺點是機械性能偏低,解決方法是將壓電陶瓷晶片附著在金屬基板上,形成壓電振子,以壓電振子的形式發揮驅動換能作用。為綜合考慮材料壓電效應,通過對比介電常數εr、d31模式和d33模式、機械能與電能的耦合效應關系常數kp,由tanδ介電損耗正切角考查能量損耗程度,如表1所示,本裝置選用PZT-5H系列作為壓電陶瓷晶片材料,并采用壓電雙晶片結構作為本聽覺裝置的聲振動元件[4],金屬基板采用理想的高導、高強彈性材料鈹青銅。

表1 常用壓電陶瓷的壓電性能

2.2 壓電振子的工作方式選擇

壓電振子在頻率復雜的正弦信號疊加而成的聲音信號的激勵下產生振動,有四種基本振動模式,如圖3所示,分別為LE模:垂直于電場方向的伸縮振動;TE模:平行于電場方向的伸縮振動;FS模:垂直于電場平面內的剪切振動;TS模:平行于電場平面內的剪切。通過這四種振動模式的不同組合可以實現不同目的,參考人工植入中耳結構,本設計首先采用LE模實現振動原件的彎曲變形,同時為增強聽覺裝置驅動力,增高了壓電疊堆層數采用TE模式振動使其厚度方向發生伸縮變形。

圖3 壓電振子基本震動模式

2.3 復合壓電振子設計與助眠的實現

當聲音頻率控制在8～12 Hz(α波及θ波)的范圍時,使用者的腦波會逐漸和聲音的頻率相同,持續使用一段時間后,使用者的腦波也將慢慢地進入放松(α波)狀態或入眠(θ波)狀態[5],但與音樂發生器不同的是,這里的聲波是低頻聲波,人的骨傳導敏感聽域為800～2 000 Hz區間,難以加載于大腦有效形成相應的腦波引導[5],解決這一問題的辦法之一就是運用差拍技術,例如同時給左耳1 000 Hz、右耳1 010 Hz的聲波,被大腦感應到,有效地對大腦實施加載,從而使EEG也向10 Hz的θ模式轉變。利用壓電陶瓷設備,通過骨骼和神經傳導聲波,產生使人類感受深刻且舒暢的生物學共振頻率激活大腦中樞,產生快速深度的放松和理療作用[6]。通過不同音樂類型的搭配,可以有效緩解失眠的問題。

基于壓電雙晶片原理,本設計的復合壓電振子如圖4所示具有較大驅動力,復合壓電由上下兩片壓電陶瓷中夾一片彈性金屬基板組成,金屬基板一端連接導線接向電源一極,上下兩側壓電陶瓷連接后再連向電源另一極即為并聯型振子,僅將上下兩側壓電陶瓷連接到電源兩端為串聯型振子,其中箭頭表示極化方向,對相同的源電壓對壓電振子施加電場,對于并聯型壓電振子在每個振子厚度之間,而串聯大于兩個振子厚度之間,因此并聯型振子所施加的電場強度要大于串聯型振子,所以在壓電振子的使用中,并聯型壓電振子可以獲得較大的變形。

圖4 并聯型壓電振子

3 復合壓電振子仿真

壓電振子對聲音信號的頻率響應能力取決于輸入信號和系統自身參數,本設計所采用的由中部固定并支撐圓形壓電振子[7],彎曲形變都較理想,可以通過傳導柱進行信號傳遞。為了保證用戶良好的體驗感,結合實際設計情況選取建模條件為銅基板直徑為30 mm,厚度為0.2 mm,壓電陶瓷直徑為25 mm,厚度為0.2 mm的雙晶片壓電振子,網格劃分直徑為1×10-3mm。邊界條件:中間固支形式的圓形壓電雙晶片中心固定,采用壓電雙晶片并聯方式對壓電雙晶片施加直流15V恒定電壓載荷。

由于其邊界和應力狀態的復雜性,采用常規的試驗方法對其進行分析,不但耗費時間,而且還會產生強烈的局部效應。所以,運用電腦模擬技術來分析本論文研究的聲學元件所使用的復合式壓電振動器[8]。考慮到作為發聲元件的壓電振子具有顯著機電耦合特性,因此利用ANSYS軟件中三維物理耦合場元素SOLID5對其進行網格分割,SOLID5單元可用于不同物理場的耦合問題,當應用于壓電分析時,SOLID5具有大變形能力,因此對該狀態下的壓電振子進行ANSYS分析。

以下是仿真分析的特定的模型參數:

ANSYS的模態分析見圖5。

(a) 1階模態

在日常語言頻率范圍即3 kHz以內,中間固定情況下的壓電振子有六階諧振模態,對本設計的前6階模態及諧振頻率進行比較分析,結果如表2所示。除6階模態外,幾種陣型的變形都較理想,對聲音信號響應能力較強且仿真的四階和五階模態頻率恰好相差8 Hz,因此通過兩固定頻率聲音信號使左耳壓電振子為4階模態,右耳壓電振子為5階模態即可達到助眠效果。且該兩種振型都能實現彎曲變形,因此可以通過壓電振子的傳導柱進行聲音信號的傳遞。

表2 壓電振子六個階次模態比較

4 實驗測試

考慮到復合壓電振子受力便會有初始變形導致壓電振子響應波形失真,該裝置通過液態環氧樹脂膠黏劑黏結,且耐沖擊,耐震,適合本裝置。利用波形為正弦波的最簡單聲音信號純音進行實驗,中間固支方法及頻率響應特性折線見圖6,給予相同電壓與不同頻率信號的壓電振子,利用音頻分析儀采集振動信號測得壓電振子產生的加權響度,隨著激勵頻率的增大響度逐漸變大[10]。同樣可得此次壓電振子其振動模態有六階,有多種搭配方式可以實現連接相同電壓并給予如模擬所示不同模態下的共振頻率以達到相差8～12 Hz頻率差的目的,以此便可實現助眠。

5 結 論

本文助眠音頻利用差拍技術,研究開發了復合壓電振子產生骨傳導助眠聲波核心器件,利用ANSYS軟件對PZT-5H系列型號壓電陶瓷晶片進行模態仿真分析,選擇出四五階次的模擬諧振振動頻率,確定了適合輔助睡眠的8 Hz的參數,通過不同頻率的信號,進行了頻率響應實驗,驗證實現共振頻率相差8～12 Hz的效果,利用此設備即可產生使人類感受深刻且舒暢的生物學共振頻率激活大腦中樞,使人快速深度地放松及產生理療作用,從而實現助眠效果。