矩形振子驱动式分频压电骨传导助听器

曾平, 陈艳辉，孙淑杰, 柳杰, 程光明,2

(1.吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130022；2.浙江师范大学 精密机械研究所，浙江 金华 3210046)

矩形振子驱动式分频压电骨传导助听器

曾平1, 陈艳辉1，孙淑杰1, 柳杰1, 程光明1,2

(1.吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130022；2.浙江师范大学 精密机械研究所，浙江 金华 3210046)

为了使压电骨传导助听器对声音信号的传递更准确、更高效，提出一种具备对高低频声信号进行分频传导能力的新型压电骨传导助听器。该助听器利用方形和矩形2个压电振子独立驱动，可以将高低频声音信号分频后通过骨传导方式传至内耳。对助听器的主要部件压电振子设计参数进行了仿真分析，依据仿真分析的结果，制作了压电骨传导助听器试验样机，搭建了测试系统，对助听器样机进行了试验测试。测试结果表明，矩形和方形振子的阶跃响应速度相差约4 ms；中低频段频率响应中矩形振子的声压值突变平均超过方形振子约10 dB，中高频段频率响应中方形振子的声压值突变平均超过矩形振子约13 dB。试验结果证明该助听器可以实现声音信号的分频传导。

分频；骨传导；压电；助听器；矩形振子

随着压电驱动技术的发展，基于压电材料研制的驱动装置在精密制造、医疗、振动控制等领域的研究工作得到广泛重视。骨传导助听器是一种将音频信号转为振动信号的装置，也可以利用压电元件作为音频信号转化振动信号的驱动元件，因此压电骨传导助听装置的研究工作，近些年受到国内外科研人员的青睐[1-3]。目前较为成熟的骨传导助听装置为电磁式骨传导耳机，该装置具有工作性能稳定，响度和音质好等特点[4]。但是压电骨传导耳机具有能耗低、无电磁辐射、易于微型化等优点，能够减轻佩戴者的负担，近年来国内外研究逐渐增加[5]。目前研究的压电骨传导耳机结构形式主要有内部植入式和外部佩戴式两种[6-8]。内部植入式需要通过外科手术将助听器植入到听障患者中耳、外耳等部位，例如2009年韩国庆北大学研制的质量漂浮式骨传导助听器[9]和2011年英国邓迪大学研制的低能耗微型压电骨传导助听器[10]，体积小巧，通过中耳植入，能较好的适用于轻度和中度听力损失患者。但是植入式的骨传导助听器技术成本高、患者承担的心理和生理风险较大。外部佩戴式压电骨传导助听器使用方便、风险小、成本低，如2008年泰国清迈大学研制的贴于颅骨乳突的膜片压电骨传导助听器[11]和2010年吉林大学研制的基于圆形压电振子的骨传导听觉装置[12]。从国内外现状分析，压电骨传导助听器目前研制处于起步阶段，且多数是利用单振子进行驱动，而人正常交流的频率范围约为200～4 000 Hz，单个振子在此频率范围内存在多个振型，而不同的振型对骨传导效果以及用户的体验效果有不同程度的影响，在实际应用中将会使耳机的性能开发受限。本文提出一种外部佩戴式分频压电骨传导助听器结构设计方案，通过对其结构参数设计，结合仿真分析，研制了可以对高频率、低频率音频信号有针对性的由相应压电振子独立输出的新型骨传导耳机，使得助听器在高低频段都能发挥良好的性能，使得压电骨传导助听器的整体性能得到提升，为压电骨传导耳机的研究提供了新的思路。

1 结构和工作原理

1-上盖，2-传导柱，3-矩形压电振子，4-方形压电振子，5-橡胶圈，6-环形传导柱，7-圆形传导柱，8-中间支撑柱，9-触膜，10-阵子连接板，11-导线，12-下盖.图1 结构示意图Fig. 1 Structure of the hearing aid

如图1所示为分频式压电骨传导耳机结构示意图。耳机的各个部分通过胶结的方式连接，两个主要工作部件压电振子的支撑方式均为中间支撑，即压电振子的中心与中间支撑柱胶结，支撑柱与外壳胶结固定，橡胶圈用于振动过程中缓冲和减小两振子间的相互影响。触膜覆盖于传导柱上端，一般为较柔和的材料，避免传导柱与皮肤直接接触损伤皮肤，助听器的触膜与佩戴者的颅骨乳突接触进行声音的传导。 分频式压电骨传导助听器的工作原理如图2所示，声音信号通常包含了不同频率段的信号成分，全频信号通过麦克等声音接收设备接收后，通过两个滤波器，分别为高通滤波器和低通滤波器，通过滤波环节原本高低频掺杂的信号被分成了高频信号和低频信号两部分，这两部分信号分别被输入到功率放大器进行放大，最后被放大的信号被输入到相应的压电振子，驱动其振动传递给用户。

图2 分频工作原理图Fig. 2 Working principle of the frequency division

按照声音信号的成分不同主要分为以下3种工作模式：

1)低频工作模式：如图3(a)所示，当音频信号全部为低频信号时，具有较好低频响应的矩形压电振子工作，方形压电振子为非工作状态，声音信号通过环形传导柱的振动传递给颅骨乳突。

2)高频工作模式：如图3(b)所示，当音频信号全部为高频信号时，具有较好高频响应的方形压电振子工作，矩形压电振子为非工作状态，声音信号通过圆柱形传导柱的振动传递给颅骨乳突。

3)全频工作模式：如图3(c)所示，当音频信号为全频信号时，矩形和方形压电振子同时工作，声音信号通过圆柱形和环形传导柱共同传递给颅骨乳突。

图3 助听器工作模式示意图Fig. 3 Working mode of the hearing aid

2 压电振子仿真分析

2.1 仿真参数设置

压电振子由压电晶片粘接在基板上构成。压电晶片选用PZT-5，密度为ρp=7.6×103kg/m3，其介电常数矩阵ε(nF/m)，压电弹性系数矩阵c(1010N/m2)，压电常数矩阵e(C/m2)分别为

基板选用铍青铜材料，其属性如表1所示。压电晶片和基板建模的具体尺寸参数如表2所示。

表1 铍青铜基板材料属性

表2 压电振子相关尺寸参数

压电陶瓷材料和铍青铜基板分别选用solid5和solid45单元类型，仿真分析中对压电振子中心10 mm×3 mm的矩形区域施加固定约束的边界条件。

2.2 静力学分析

如图4所示为压电振子在50 V电压激励下的静力学仿真变形图，方形和矩形压电振子的变形对称，方形振子最大变形在4个直角处，变形量为10.2 μm，矩形振子最大变形在两端处，变形量为44 μm。从仿真的结果分析可知，两种规格的压电振子均具有较大的变形量，能够满足驱动传导柱进行声音传导的要求。

图4 压电振子仿真静力学变形图Fig. 4 Static deformation of the piezoelectric vibrator

2.3 模态分析

对人的声音敏感区域200～4 000 Hz内，2种振子的振动模态进行了分析，其中对称且振幅较大的振型能使骨传导助听器具有较好的传声能力，且工作性能稳定。如图5所示为方形振子的前八阶振型，其中二、三、五阶振型对称性较好，振幅较大，适用于骨传导耳机的工作，相对应的工作频率段在1 400 Hz以上，属于中高频率段。

如图6所示为矩形振子的前八阶振型，其中一、三、六阶振型对称性较好，振幅较大，适用于骨传导助听器的工作，其相应的工作频率段在1 400 Hz以下，属于中低频率段。从仿真分析的结果可知，通过选择合适的压电振子形状尺寸，将方形和矩形压电振子分别作为中高频和中低频的传声器件独立工作，可以实现骨传导助听器的分频响应，提高耳机的工作性能。

(a)一阶振型 (b)二阶振型

(c)三阶振型 (d)四阶振型

(e)五阶振型 (f)六阶振型

(g)七阶振型 (h)八阶振型图5 方形振子前八阶振型Fig. 5 The first eight modes of the square vibrator

(a)一阶振型 (b)二阶振型

(c)三阶振型 (d)四阶振型

(e)五阶振型 (f)六阶振型

(g)七阶振型 (h)八阶振型图6 矩形振子前八阶振型Fig. 6 The first eight modes of the rectangle vibrator

3 试验测试

3.1 样机与试验系统

依据仿真分析的结果，设计制作了压电骨传导助听器样机，如图7所示。除主要元件压电振子之外，壳体、支撑和传导相关部件均由有机玻璃加工而成。为了测试助听器的相关性能搭建了如图8所示的试验测试系统，该系统主要由压电专用7058功率放大器、AG1200任意波形信号发生器、TES-1358实时音频分析仪、LC-2400A激光测微仪组成。信号发生器产生所需频率和幅值的声音信号后由功率放大器放大驱动压电振子振动传声，通过激光测微仪记录振子的振动幅值，通过音频分析仪记录其响度值。

图7 骨传导助听器样机图Fig. 7 Prototype of the bone-conduction hearing aid

图8 试验测试系统图Fig. 8 Experimental test system

3.2 电压特性

在不同的电压幅值信号驱动下，利用音频分析仪分别对助听器两振子的响度进行了测试，测试结果如图9所示。当电压小于30 V时，两振子的响度均随着电源激励信号幅值的增大而增大，涨幅较大，当电压超过30 V时，响度随电压的增长较为缓慢，当电压为60 V时方形压电振子响度达94 dB，矩形压电振子响度达到82 dB。该试验结果表明，可以通过合理的调节输入信号的幅值，控制骨传导耳机的响度，即音量的大小。

图9 助听器响度-电压特性曲线Fig. 9 Loudness-voltage characteristic curve

3.3 同步特性

对于分频式骨传导助听器，当两振子同时工作时，如果产生不同步现象，就会出现声音失真。如图10、11所示分别为助听器矩形和方形振子的阶跃响应特性，矩形压电振子到达稳态所需要的时间比方形压电振子滞后4 ms，试验结果说明，当连续的声音信号分别输入到两压电振子时，两振子的工作存在微小的不同步现象，但相差十分小，由哈斯效应可知，当两声波相差5～35 ms时，人的听觉是无法察觉的，因此分频后该助听器仍具备较好的声音保真性。

图10 矩形振子阶跃响应特性曲线Fig. 10 Step response characteristic curve of the rectangle vibrator

图11 方形振子阶跃响应特性曲线Fig. 11 Step response characteristic curve of the square vibrator

3.4 分频特性

给助听器分别施加频率为31.5、125、500 Hz、1、2、4 kHz的正弦激励信号，通过音频分析仪测试其声压值，测试结果如图12所示。在激励信号频率对应的声压值处都出现了不同程度的声压突变。矩形压电振子负责中低频率段的声传导，在中低频段(≤1 kHz)的测试中，矩形压电振子的声压值突变平均高于方形压电振子约10 dB；方形压电振子负责中高频率段的声传导，在中高频段(≥2 kHz)的测试中，方形压电振子的声压值突变平均高于矩形压电振子约13 dB。

(a)31.5 Hz (b)125 Hz

(c)500 Hz (d)1 kHz

(e)2 kHz (f)4 kHz六阶振型图12 频率响应特性曲线Fig. 12 Frequency response characteristic curve

试验结果说明，矩形和方形压电振子能分别在中低频和中高频实现较好的声传导，使高低频声信号都能得到理想的重现，且试验的结果和仿真分析的结果相一致。

4 结论

本文提出一种由双压电振子分频传导声音信号的骨传导助听器。通过对核心部件压电振子的仿真分析，验证了矩形和方形压电振子的设计尺寸的合理性，确定了两压电振子适用的工作频率段，以仿真分析为依据，设计制作了压电骨传导助听器样机，搭建了试验测试系统，对助听器的性能进行了初步的试验测试。试验结果表明：

1)在一定的电压范围内，助听器的响度随电压信号的增大而增大，通过调节驱动信号的幅值可以调节助听器的响度，当电压为60 V时，助听器方形和矩形压电振子响度分别可达93 dB和82 dB。

2)助听器两振子阶跃响应速度相差约4 ms,两振子共同响应时不会出现失真。

3)中低频段频率响应中矩形振子的声压值突变平均超过方形振子约10 dB，中高频段频率响应中方形振子的声压值突变平均超过矩形振子约13 dB，两振子的分频特性明显。研究结果对于提高压电骨传导助听器的工作性能提供了参考依据。

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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.

时间：2015-08-24.

国家自然科学基金资助项目(51175478)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110061110024)；教育部高等学校科技创新工程重大项目(708028).

曾平(1957-), 女, 教授,博士生导师.

曾平,E-mail：zengping321@163.com.

10.3969/jheu.201404088

TH703.8

A

1006-7043(2015)09-1264-05

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