矩形结构压电晶片式骨传导听觉装置研究*

1 引言

目前，在6 至19 岁的青少年中，15%的人有听力受损的症状，究其原因，专家认为，导致听力受损的罪魁祸首就是噪音。除了噪音，耳塞、耳机也是伤害听力的祸首之一。正常情况下，声音经过一段距离才能到达耳朵，这中间声音中的高频部分已经被空气吸收。如果使用耳塞，耳机，传声器就压在耳朵上，所以耳朵吸收了全部频率的声波，对听力伤害很大。而骨传导助听装置可以直接将声波通过颅骨送至内耳，开放双耳有效听取环境声音，有效克服高噪声掩蔽效应，在高噪声环境中保证收听清晰，而无高音量损伤听力问题。

骨传导听觉装置按振动器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[1-3]。压电式骨传导听觉装置中压电式振动器不会伴随有上述电磁式振动器中线圈产生的焦耳热损耗，节约能量的同时使其具有更长的工作时间。此外，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，也不会影响其它利用电磁原理的仪器正常工作，因此它比电磁式的应用领域更为广泛[4-7]。

分析了骨传导听觉装置的研究现状，提出应用两端刚性夹持式矩形双晶片压电振子作为驱动元件[8]，将音讯信号转换为振动信号，利用骨传导方式，使人感知音讯信号的矩形双晶片压电式骨传导听觉装置。

2 听力学基础

听觉是人们的主观感觉，物体振动就会发出声音，所以声音是一种振动，是由一定的能量作用于可振动的物体而产生并由介质传播的波。声音有三个基本特性，它们分别是响度、音色、音调[3]。

人能感知的声音频率有一个从最低可听频率20Hz 到最高可听频率20kHz 的范围。大量统计表明，人的语音讯率范围为（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。

研究音讯信号驱动骨传导压电振子所产生的振动属于强迫振动，外部的激励是非周期性的激励，但是在一个非常短的时间内，我们可以把这种振动简单的看成是简谐激励：

式中：ω—输入的频率；ωn—系统的固有频率。

在工程中，通常当0.75＜λ＜1.25 的区间为共振区[3－4]。一般用于骨传导声振动压电振子的谐振频率为1kHz 或是更高，在（750～1250）Hz 这段频率的声音较易被人感知，不需要提高响度，也就是不需要增大振幅。在低频区域时，声音的响度不够，声音不易被人感知，所以低频区域的声音需要的响度高，那么我们得要想解决这一矛盾，可以通过一些方法把声振动压电振子的共振区降低，也就是把压电振子的共振区向低频区域靠近。当共振区在低频区域时，低频区域的振动达到共振，声音的振幅就变大，响度就提高了，从而克服了在低频区域被人感知需要高响度的缺点。

研究的压电式骨传导听觉装置是由压电振子的振动来实现声音的再现，但是，压电振子一般具有1kHz 或更高的谐振频率，因此，在低于谐振频率的低频区域的再现不充分。低频区域一般是指（20～160）Hz 这一段频率，在整个人耳所能听到的声音中，低频是声音的基础，是声音的厚度，所以压电元件骨传导应用中，低频区域是非常重要的。

3 压电振子结构参数仿真分析

压电振子的振动对音讯信号的再现充分与否，体现为压电振子的变形大小。采用有限元仿真分析的方法，分析压电振子变形位移与影响参数之间的关系，确定实验用压电振子结构参数，为以后的骨传导听觉装置的结构设计提供实验依据。压电晶片的材料参数：密度ρp=7.6×103kg/m3，弹性模量Ep=10.6×1010Pa，其介电常数矩阵（ε×10－9F/m）、压电常数矩阵（e×C/m2）和压电弹性系数矩阵（c×1010N/m2）分别为：

3.1 压电晶片长度对最大位移的影响

仿真条件：压电晶片长度分别36mm、37mm、38mm、39mm、40mm、41mm、42mm、43mm、44mm，施压电压激励12v，其仿真结果，如图1 所示。当在压电振子上施加电压后，在某一电压下，压电振子中心变形位移伴随着压电振子长度的增加而增加。但是，压电振子的长度过长，会严重影响压电振子的尺寸，不适合骨传导听觉装置结构的要求。

图1 压电晶片长度与最大位移关系

3.2 压电晶片宽度对最大位移的影响

仿真条件：基板长度60mm，厚度0.2mm，压电晶片长度40mm，厚度0.2mm，压电双晶片并联，施加电压载荷12V，仿真结果，如图2 所示。

图2 压电晶片宽度与最大位移关系

由图2 可以看出，压电振子在长度相等，施加电压相等，刚性夹持相同的情况下，振子振幅的最大位移随着宽度的增加而增加。但是宽度不能过大，宽度大会影响整个压电振子的尺寸，导致整个机构的尺寸过大。

3.3 压电晶片和基板厚度对最大位移的影响

仿真条件：基板参数为长60mm，宽20mm，压电晶片参数长40mm，宽20mm，压电双晶片并联，施加电压载荷12V。仿真结果，如图3 所示。

图3 压电晶片厚度与最大位移关系

由图3 中可以看出，压电振子的最大振幅随着基板的厚度和压电晶片的增加而减小。可以通过改变压电晶片和基板的厚度来影响压电振子的最大振幅位移。但是在厚度变化量相同时，伴随压电晶片厚度变化趋势比基板厚度变化的趋势更明显，因此在考虑通过改变振子厚度来改变压电振子变形最大位移时首先应考虑改变压电晶片的厚度，但是降低厚度幅度不能太大时，太大会使压电振子的刚度降低，稳定性下降。

4 实验模型及样机

制作了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实验测试。

4.1 压电式骨传导装置样机及结构尺寸

试验样机零件图与装配实物图，如图4 所示。

图4 压电骨传导装置的零件图与样机

制作的压电式骨传导装置组成部件，如表1 所示。

表1 骨传导装置组成部件

4.2 实验测试系统组成

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测试系统。

5 试验研究

5.1 不同激励信号频率下声压值测试

施加正弦激励信号的频率为音讯分析仪1/3 倍频下各频率值。针对试验样机和电磁式骨传导听觉装置测试本频段声压值的变化。实验数据，如图5 所示。

图5 声压与频率关系

由图5 可以看出，试验样机声压值在低频段明显高于电磁式听觉装置，同时曲线平滑，声音变化的尖锐度低，声音变化柔和，在中高频段声压值低于电磁式的声压值。

5.2 峰值电压不同时各频段声压测试

峰值电压不同，设备在各个频段的声压值不同，考虑不同人的听觉的灵敏度是不同的，在产品中必然要求在音讯信号接入骨传导头前加入音讯信号功率放大，就涉及到骨传导听觉装置在不同电压信号下的响应，故测试在不同电压下的各个频段的声压值。取低压电源中常用3v 和5v，在不同的峰值电压下，测试各个频率的声压值。实验数据，如图6 所示。

图6 不同峰值下信号声压值曲线

由图6 可以看出，在5v 电压下，骨传导听觉装置的声压值的曲线变化与在3v 电压下的声压值曲线变化大致相似，就是说可以通过改变施加在骨传导听觉装置上的音讯信号的大小来实现传递声压值的大小的变化。

6 结束语

设计、制作了基于矩形压电振子骨传导听觉装置。针对试验样机和电磁式骨传导装置进行频域分析，测试两听觉装置在不同频率的正弦激励下，振动响应的声压值，结果表明压电式骨传导听觉装置基本性能已经达到骨传导听觉装置的要求。测试压电式骨传导听觉装置的频率响应，根据测试结果绘制频率响应曲线，响应曲线表明：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，并使人通过感受振动信号而感知音讯信号的目的。