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微型压电陶瓷传感器拾取声学信号的实验研究

吴拥真  
【摘要】: 目的:筛选最小规格的具有良好声信号拾取能力的压电陶瓷双晶片(PCBE,Piezoelectric ceramic bimorph element)。 材料与方法:使用PT300-10型压电陶瓷材料制作26种不同规格的压电陶瓷双晶片(潘特电陶科技研发中心提供),PCBE的厚度相同为0.3mm,长度不同(2.0-8.0mm),宽度不同(1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm四种规格)。将各规格PCBE与测试基板(含有放大电路组件)连接后分别用胶带固定在声源扬声器上,使用9种频率的纯音信号(250Hz、500 Hz、1000 Hz、1500 Hz、2000 Hz、3000Hz、4000 Hz、6000 Hz、8000 Hz)测试。将不同规格PCBE拾取的信号以Cool editorPro 2.1软件同步记录(采样率:44100,采样精度:16位,单通道录音方式),然后保存为.wav格式声音文件。分析记录的声音文件,进行数据处理并比较各规格PCBE的频率响应曲线(FRC,Frequency response curve),参考总谐波失真度(THD,total harmonic distortion)以及各频率响应主峰。 结果①各规格PCBE的频率响应与输入信号基本一致,响应范围包含从250Hz至8000Hz的主要言语频率。同时,各规格PCBE的频率响应曲线均较平,都具有良好的频率响应,组间比较无明显差异。②各规格PCBE的参考总谐波失真度都<0.5%,均能良好拾取声信号。③对纯音信号各频率响应主峰采用IntercooledStata 7.0统计软件进行随机区组统计分析,组间比较无明显差异。信号拾取能力均较好。本实验组测试的最小规格PCBE(2.0×1.0×0.3mm)也能具有良好的信号拾取能力。 结论:①本实验选用的性能优化后的0.3mm厚度26种规格PCBE,在LMV1032前置放大器的辅助下,均可以良好地拾取信号。PCBE在体外都具有较为理想的频响特性和可被接受的参考THD,在电子耳蜗系统中可能取代麦克风进行声信号的传递和转换。②厚度为0.3mm,宽度为1.0mm,不同长度(2.0-6mm,以0.5mm为阶梯递增)的PCBE可以试制9个规格的系列简易微型压电陶瓷传感器用以进一步测试筛选。 目的:本部分研究采用不同规格的PCBE,与放大降噪微型系统直接组装成9个规格的系列简易微型压电陶瓷传感器进行体外测试,了解其信号拾取能力,并筛选出能良好拾取信号的较小规格传感器,耦合于听骨链将听骨振动信号转换为电信号。 材料与方法:①直接将放大(前置放大器LMVl032,美国国家半导体公司)与降噪系统封胶固定于PCBE(宽度为1.Omm,厚度0.3mm,长度从2.Omm至6.Omm以0.5m为阶梯递增)的一端,组装成9个规格的系列简易微型压电陶瓷传感器测试。②分别将各规格的传感器用胶带固定于声源扬声器上,输入20秒扫频和40秒语言音乐信号作为测试声,同样使用cool edit pro 2.1软件拾取输出信号,分析比较拾取的输出信号与测试声信号的时域波形图及频谱分布图形差异,定性研究了解其信号拾取能力并确定最小规格的压电陶瓷传感器。 结果:①根据传感器拾取信号与扫频信号的时域波形图及频谱分布图形比对,本实验研制的9种规格简易传感器均具有较好的频响特性。②通过比对各规格压电陶瓷传感器之间拾取扫频与音乐言语信号的时域波形图及频谱分布图形,发现3.5mm以上尺寸PCBE组装的PCS均具有的声信号良好拾取能力。 结论:①本实验组自行研制组装了放大降噪系统的传感器具有较好的频响特性和信号拾取能力,在电子耳蜗系统中可能取代麦克风进行声信号的传递和转换,为全植入式助听装置的研制提供了基础依据。②体外能良好拾取声信号的简易传感器最小规格为3.5x1.OxO.3mm。考虑到狭小的鼓室结构以及屏蔽封装等因素,可以选择3.5mm、4.Omm、4.5mm尺寸的PCBE制作植入式传感器,进行进一步的体内筛选测试。 目的:优选微型植入式压电陶瓷传感器,并初步考察其固定耦合于猫耳听骨链上拾取声信号的性能。 材料与方法:①将第二部分实验优选的3.5mm、4.0mm、4.5mm 3种规格简易微型PCS分别加上方柱形铜质外壳(外壳宽1.6mm、厚l-3mm,长度分别为4.0mm、4.5rm、5.0ram),组装为微型植入式PCS。以商用骨导耳机用压电陶瓷传感器作为对照组测试(同第二部分)。②选用纯音信号(250Hz、500Hz、1000Hz、1500Hz、2000Hz、3000Hz、4000Hz、6000Hz、8000Hz九种频率)、20秒时长201tz一20Ktlz的连续渐变扫频信号、40秒时长音乐语频信号三种信号作为体外测试声源,测试条件与记录方法同本论文前面两部分。③比较自制的三种规格微型植入式PCS的对纯音信号的频率响应曲线,参考总谐波失真度以及各频率响应主峰幅值同第一部分实验进行统计分析。④通过分析拾取的扫频信号与音乐语频信号的时域波形图及频谱分布图,定性比较不同微型植入式PCS的声信号拾取性能。⑤将优选的微型植入式PCS以4-0手术丝线拴扎固定于猫耳内锤骨上,测试其对扫频与音乐语频信号的拾取能力。同时选取鼓室腔内直接放置同型微型植入式PCS作为对照组测试。⑥将音乐言语测试信号及4.5tm微型压电陶瓷植入式传感器从听骨链上提取的相应信号从输入预制的声学信号处理原理样机印刷电路板,8通道虚拟电极系统演示实验中进行信号包络与电极极阵比较。 结果:①实验组各微型植入式PCS拾取信号的频率与三类测试声信号的频率高度一致,响应范围均覆盖20-20KHz。各规格微型植入式PCS的频率响应曲线均较平坦,对各频率信号的响应灵敏度大致相当。②实验组与商用耳机传感器对纯音信号各频率响应主峰随机区组统计分析有差异,但配对设计资料的统计分析两两比较时4.5mm规格压电陶瓷传感器与商用耳机传感器无明显差异,都能较灵敏的拾取声信号。③4.5nln规格植入式PCS可以较灵敏地从听骨链的振动中拾取扫频信号与音乐语频信号。④4.5nln规格植入式PCS听骨链上提取的信号及测试信号输入预制的声学信号处理原理样机印刷电路板,8通道虚拟电极系统演示实验中信号包络在电极极阵的实时分布基本相似。 结论:①本实验自制的三种规格微型植入式PCS均能在体外拾取全频段可听见声信号,具有高度一致的频率响应以及较灵敏的信号拾取能力。其中以4.5mm规格(外尺寸5.0x1.6xl-3ram)植入式PCS性能最优。②将4.5mm规格植入式PCS植入猫耳内,它可以从耦合的听骨链上较灵敏的提取声信号。③将实时拾取的外源声信号输入虚拟电极,可以刺激相应的电极极阵,实现电听觉。对于研发中的全植入人工耳蜗系统,它可以用作植入式传感器。


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