中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聲探測與聲定位技術(shù)廣泛應用于低慢小飛行器的探測與追蹤、交通噪聲監測、油氣管道泄漏檢測、智能機器人聽(tīng)覺(jué)等領(lǐng)域，在工業(yè)、交通、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。
聲定位設備通?；诙鄠€(gè)性能高度一致的全向麥克風(fēng)組成的麥克風(fēng)陣列，常規麥克風(fēng)陣列的整體尺寸較大，不便于攜帶和布設，隱蔽性差，應用范圍受限。為了滿(mǎn)足室內機器人聽(tīng)覺(jué)導航、可穿戴聲定位傳感器、迷你飛行器探測等新型應用場(chǎng)景對小型化便攜式聲定位設備的需求，開(kāi)展微型化聲定位技術(shù)與器件的研究具有重要應用價(jià)值。
中國科學(xué)院空天信息創(chuàng )新研究院、中國科學(xué)院大學(xué)的研究人員基于奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)系統的機械耦合結構與機理，設計制備了一種基于硅基MEMS仿生振膜的光纖麥克風(fēng)，該麥克風(fēng)具有較高靈敏度以及強抗電磁干擾能力，工作頻率較低，適用于復雜環(huán)境的低頻聲源檢測，同時(shí)還具有寬頻工作的潛能。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《物理學(xué)報》期刊。
奧米亞棕蠅是自然界中的一種寄生蠅，具有非凡的聽(tīng)覺(jué)機制，其雙耳間僅450~520 μm，卻能對宿主發(fā)出的波長(cháng)約7 cm的聲信號進(jìn)行精準定位。這是由于奧米亞棕蠅的雙耳鼓膜通過(guò)角質(zhì)層連接形成一種耦合結構，這種機械耦合結構可以放大聲源到達兩耳的時(shí)延差和幅值差，從而使其獲得卓越的定位能力。這種耦合機制為微型化定位麥克風(fēng)和定位麥克風(fēng)陣列提供了新思路。
奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)系統的（a）解剖圖和（b）力學(xué)模型
該項研究中，研究人員基于奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)器官的等效力學(xué)模型，設計制備了一種橋連耦合雙翼形硅基MEMS仿蠅耳振膜。通過(guò)將該振膜與金屬支座集成，結合光纖Fabry-Pérot干涉（FPI）傳感技術(shù)，進(jìn)一步制備了基于硅基MEMS仿生振膜的FPI光纖麥克風(fēng)。
硅基MEMS仿生振膜的制作工藝流程
（a）仿生光纖麥克風(fēng)結構示意圖（I，光束的光強）；（b）仿生光纖麥克風(fēng)實(shí)物照片；
（c）用于在麥克風(fēng)組裝過(guò)程中精確調控光纖FPI腔長(cháng)的平臺
結合設計參數與實(shí)際制備過(guò)程，研究人員對該仿生光纖麥克風(fēng)進(jìn)行了仿真分析。結果表明，仿生振膜具有搖擺和彎曲兩種振動(dòng)模態(tài)，在搖擺模態(tài)本征頻率下，仿生光纖麥克風(fēng)的響應在全空間下隨聲源入射角呈現紡錘形分布，且仿生振膜的方向靈敏度極高。
在仿真的基礎上，研究人員進(jìn)一步開(kāi)展了性能表征與測試。由于仿生振膜的雙翼結構，使得單個(gè)麥克風(fēng)探頭具有兩個(gè)光纖FPI檢測通道。通過(guò)近場(chǎng)聲學(xué)測試系統獲取了麥克風(fēng)振膜雙翼分別對應的雙通道的頻響特性曲線(xiàn)，結果顯示，雙通道的頻率響應特性基本相同，搖擺模態(tài)和彎曲模態(tài)的本征頻率分別在700 Hz和1700 Hz附近，與仿真數據結果接近。在聲源頻率為已測得的雙通道對應的搖擺模態(tài)的本征頻率下，對麥克風(fēng)進(jìn)行了最小可探測聲壓的探測，證明了該麥克風(fēng)在搖擺模態(tài)下依然具有良好的傳感性能。在聲源頻率接近麥克風(fēng)搖擺模態(tài)對應的本征頻率時(shí)，麥克風(fēng)輸出信號強度隨聲源方位角變化呈現“8”字形，在方位角0°~±60°的范圍內二者呈線(xiàn)性關(guān)系，證明該麥克風(fēng)在搖擺模態(tài)附近具有良好的聲定位能力。
用于表征仿生光纖麥克風(fēng)的聲學(xué)測試系統示意圖
綜合而言，得益于獨特的光學(xué)傳感性能，該項研究提出的仿生光纖麥克風(fēng)在靈敏度以及抗電磁干擾方面具備一定的優(yōu)勢，能夠在惡劣的電磁環(huán)境下工作，在復雜低頻聲源定位領(lǐng)域擁有廣闊的應用前景。
