中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所李曉東、鮑明研究員課題組與南京大學(xué)固體微結構物理國家重點(diǎn)實(shí)驗室現代工程與應用科學(xué)學(xué)院陳延峰、盧明輝教授課題組合作，研制出單片集成的新型三維矢量傳聲器件，該研究成果以‘A monolithic three-dimensional thermal convective acoustic vectorsensor with acoustic-transparent heat sink’為題發(fā)表在《JASA Express Letters》上，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所博士研究生許相園為第一作者，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所鮑明研究員與南京大學(xué)盧明輝教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)項目，以及固體微結構物理國家重點(diǎn)實(shí)驗室平臺的大力支持。
研究背景
聽(tīng)覺(jué)對于動(dòng)物有重要意義，動(dòng)物會(huì )利用聽(tīng)覺(jué)逃避敵害，捕獲食物。而人類(lèi)的語(yǔ)言和音樂(lè )，一定程度上是以聽(tīng)覺(jué)為基礎的。有些動(dòng)物具有回聲定位功能，它們發(fā)出特定的聲波并接受周?chē)矬w反射回來(lái)的回聲，根據回聲的特點(diǎn)判斷物體的位置、形態(tài)、動(dòng)態(tài)、性質(zhì)等。蝙蝠和海豚是有名的回聲定位能力好的動(dòng)物，此外，還有少數哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)具有這類(lèi)型功能。人耳除了對聲音有響度、音調、音色的主觀(guān)感覺(jué)外，還有對聲源空間的印象感覺(jué)，也就是對聲源的定位能力，也可稱(chēng)作聲學(xué)透視。這種定位能力主要包括人耳對聲源的水平定位，上下定位，縱深定位和前后定位四個(gè)方面。這種能力歸功于人耳輪廓結構和分布構成的特殊頭傳遞函數以及強大的聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)系統，使得人能夠更好地感知周?chē)穆曇舡h(huán)境。
圖1 人耳聽(tīng)覺(jué)感知的示意圖
人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)具有全方位的感知能力，沉浸在各種聲音的包圍中，聽(tīng)覺(jué)世界呈現出多維，立體和層次分明的聲音景象。具有方向的聲音可以作為信息傳播的符號，充滿(mǎn)空間感的音樂(lè )能使感情表達更加充沛。大量空間音頻技術(shù)利用人對空間聲感知能力營(yíng)造出更具有沉浸感的聲音環(huán)境。例如現在廣泛應用的雙聲道立體聲，環(huán)繞聲重放系統或全景聲技術(shù)，以及相應的拾音和制作技術(shù)都是基于人耳這種能力的研究成果。
自然賦予人類(lèi)豐富的聽(tīng)覺(jué)體驗，自然也促使人類(lèi)懷有能將其再現的憧憬。在聲學(xué)傳感技術(shù)的發(fā)展中，產(chǎn)生了多種多樣的聲學(xué)測量設備用于像人耳一樣拾取聲音信號，從最開(kāi)始體積龐大的大振膜式麥克風(fēng)到現在只有米粒大小的MEMS麥克風(fēng)，這些設備存在于各類(lèi)擴聲協(xié)同中，也存在于我們日常使用的各式電子設備中，為我們傳遞和記錄寶貴的聲音資料。在這個(gè)過(guò)程中，我們似乎已經(jīng)越來(lái)越精通于像人耳一樣能夠拾取極高質(zhì)量的聲音信號。
圖2 Neumann CMV3第一款大規模生產(chǎn)的電容式傳聲器以及廣泛用于手機設備的MEMS麥克風(fēng)
然而，對聲音的空間信息測量卻是一個(gè)難題，這使得我們在使用這些設備拾取的聲音信號無(wú)法獲得媲美人耳的現場(chǎng)感和空間感。一種妥協(xié)地方式是麥克風(fēng)陣列，將多個(gè)麥克風(fēng)按照一定形狀和間距排布，通過(guò)聲音到達各個(gè)麥克風(fēng)之間的時(shí)間延遲區別來(lái)計算聲源方位。之所以說(shuō)這種技術(shù)有所妥協(xié)，是因為陣列的聲源定位能力和陣列的整體尺寸有著(zhù)密切關(guān)系。若陣列的尺寸遠小于入射波的半波長(cháng)時(shí)，陣列的定位能力會(huì )急劇下降。因此傳聲器陣列不得不設計足夠大的尺寸以滿(mǎn)足寬帶低頻聲音定位。
研究亮點(diǎn)
針對空間音頻拾取問(wèn)題，我們設計了一種新型的MEMS矢量傳聲器，這種傳聲器僅需一支就能夠實(shí)現三維空間中寬帶聲源定位。在設計過(guò)程中，提出了一種新的熱對流傳感機制，這種機制的引入允許我們設計出新的單片集成式三維質(zhì)點(diǎn)振速傳感器。該傳感器的MEMS結構依然是平面的，但是通過(guò)在器件中引入透聲熱沉實(shí)現了第三個(gè)維度的質(zhì)點(diǎn)振速傳感。
圖3 單片集成式三維質(zhì)點(diǎn)振速傳感器的示意圖和微觀(guān)結構SEM圖
我們通過(guò)數值方法和有限元方法詳細分析了透聲熱沉機制，并建立了相應的傳感模型。理論上這種設計方案能夠制造出具有最理想正交性的矢量傳聲器件。由于其是單芯片設計，能夠使得三維器件真正實(shí)現小型化，簡(jiǎn)化了制造和封裝成本，提高制造寬容度。最后使用MEMS工藝加工出了測試樣機，所設計傳感器尺寸僅為3.5mm x 3.5mm x 3.5mm。初步對其頻率響應和指向性進(jìn)行了評估如圖所示。該傳感器三個(gè)通道頻率響應非常一致，并且具有良好的指向性。
圖4 單片集成式三維質(zhì)點(diǎn)振速傳感器的頻響曲線(xiàn)圖
圖5 單片集成式三維質(zhì)點(diǎn)振速傳感器的角度響應曲線(xiàn)
論文信息
該技術(shù)的突破能夠實(shí)現以極小尺寸MEMS傳聲器拾取三維空間聲音的方位，從而擺脫傳統陣列式傳聲器的限制，大大拓展了空間拾音技術(shù)的應用范圍，而不是被束之高閣于專(zhuān)業(yè)音頻環(huán)境。
