基于苍蝇仿生学的MEMS定向麦克风阵列，用于三维声源定位
2022-06-18 10:21:18   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近日，韩国技术教育大学（Korea University of Technology and Education）的一支研究团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了基于苍蝇仿生学的压电MEMS定向麦克风（DM）的毫米级阵列的最新论文，该新型定向麦克风阵列可应用于三维声源定位。

奥米亚棕蝇（Ormia ochracea）是一种来自寄蝇科的非凡的苍蝇，具有不同寻常的听觉机制。如图1a所示，这种苍蝇的耳朵，也被称为鼓膜，在空间上相隔约450-520 μm并从中间耦合。该苍蝇耳朵间的“桥梁”从两侧支撑鼓膜，并允许其根据传入的声音进行振动。鼓膜的振动会产生双耳间强度差（IID）和双耳间时间差（ITD），以定位传入的声音。由于这些鼓膜是内部耦合的，鼓膜的振动形成两种模式：摇摆模式，鼓膜显示异相状态；弯曲模式，利用鼓膜的同相状态，如图1b所示。在这些模式下，IID从1dB提高到12 dB，ITD从 1.5µs提高到60 µs。改进的IID和ITD使这种苍蝇在5KHz频率时的30°定向范围内达到±2°的声源定位（SSL）精度。

图1 苍蝇仿生学和常规定位麦克风的工作原理示意图

在进一步的研究中，Miles等人报道了这种苍蝇鼓膜的弹簧质量阻尼器（SMD）模型，其中每个单独的鼓膜用质量进行量化，并由柔性梁支撑。在临界阻尼下，他们报道了靠近入射声源的鼓膜相对于最远的鼓膜会产生相位差；因此，作用力，即每个鼓膜的面积乘以施加的声压，对于两个鼓膜来说是相同的，但相位差会影响IID和ITD。Miles所在的研究团队扩展了SMD模型的适用性，并报道了SMD模型与立体声配置中的常规定向耦合器之间的对比研究。在立体声配置中，两个全向麦克风（OM₁和OM₂）需要放置在与应用的声音波长相匹配的间距（UC_d）中，如图1c所示。此外，这个间距的变化会对定向性产生负面影响。除了改进的定向灵敏度外，这种基于苍蝇仿生学的定向麦克风在缩小尺寸的情况下将内部噪声降至17.9 dBA。基于苍蝇仿生学的定向麦克风的这些优势在实现各种声学应用方面受到了极大的关注。

Gibbons等人利用Miles等人于1995年提出的SMD模型，报道了首款受奥米亚棕蝇耳朵为启发的用于光学传感的MEMS定向麦克风。然而，控制挤压膜阻尼（SFD）是SMD模型的主要挑战。继Pandey等人之后，Ishfaque等人报道了一种创新的方法来控制SFD并实现临界阻尼，而无需进一步调整和优化。然而，背面板的存在是限制机械振动的设计约束。为了克服这个问题，人们开展了无背面板配置的研究工作。无背面板配置带来了两个额外的优势：几乎为零的SFD和余弦相关定向性。余弦相关定向性可用于定位传入的声音，因为它提供了相对于声源位置的最大和最小波瓣。

然而，每个基于苍蝇仿生学的MEMS定向麦克风的定向传感被限制在±90°。因此，如果到达耦合区域的声音不能假设为零，则这种类型的定向麦克风提供了一种抛物线形的定向传感，而不是双定向性的。此外，对法线轴的唯一相关性会催化噪声；因此，基于单个奥米亚棕蝇仿生学的MEMS定向麦克风的SSL精度与该苍蝇鼓膜的SSL精度不一致，误差率在±6.31°～±7.05°之间，比该苍蝇鼓膜低约±5°。为了克服这个问题，人们使用均匀分布的定向麦克风对/阵列来提高定向传感能力和SSL精度。为此，人们开展的之前的研究工作包括具有120°相位差的双传感器、四个正交连接的振膜、三个具有120°相位差空间旋转的圆形振膜以及一对具有90°相位差的圆形定向麦克风。然而，这些方法仅限于二维SSL，因为它们分别只关注X–Y、X–Z或Y–Z中的任一平面，而不是同时理解X、Y和Z轴。二维SSL在应用中的选择有限，这表明三维SSL的创建和证明将是该领域的一项创新。

图2 基于苍蝇仿生学的压电MEMS定向麦克风阵列

本论文重点研究了由三个受奥米亚棕蝇鼓膜启发的压电MEMS定向麦克风组成的毫米级阵列，其中它们的面内定向性被视为证明三维SSL的有用的信息。在该阵列中，基于苍蝇仿生学的压电MEMS定向麦克风以120°角旋转布置；因此，三个定向麦克风中的六个振膜在方位平面上以±30°的间隔，从0°到360°以六个不同的角度保持相对于声源的法向轴布置。此外，应用的声音的余弦相关水平分量为Z轴定向传感提供了有用的信息。作者们首先对整个阵列进行分析仿真，然后在消声室中进行实验测量。两种测试结果均符合要求，三维SSL的角分辨率在法向轴上为±2°。该阵列在方位平面上的分辨率为±1.28°， 当声音从高程平面变化时，它的分辨率为±4.28°。这项研究工作揭示了以下创新点：（1）首次使用受奥米亚棕蝇耳朵启发的压电MEMS定向麦克风实现三维SSL；（2）基于压电传感技术的定向麦克风的完整物理模型；（3）迄今为止最高的SSL精度。

图3 基于苍蝇仿生学的压电MEMS定向麦克风阵列在10 kHz频率和1 Pa声压下的三维声源定位性能

论文信息：

Rahaman, A., Kim, B. An mm-sized biomimetic directional microphone array for sound source localization in three dimensions. Microsyst Nanoeng 8, 66 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41378-022-00389-9

延伸阅读：

《传感器技术和市场趋势-2020版》