一种仿生原理的矢量水听器结构设计与数值研究*

王晓琳,杨 军,程晓斌

(1.中国科学院噪声与振动重点实验室,北京 100190;2.中国科学院大学,北京 100049)

一种仿生原理的矢量水听器结构设计与数值研究*

王晓琳1,2*,杨 军1,2,程晓斌1,2

(1.中国科学院噪声与振动重点实验室,北京 100190;2.中国科学院大学,北京 100049)

受奥米亚棕蝇听觉系统特有结构的启发,提出一种能够测向的微机电(MEMS)矢量水听器设计思路,并进行了数值仿真研究。这种思路是利用MEMS表面牺牲层工艺设计一种微型差分电容检测水听器,可实现低频声源测向定位。利用COMSOL多物理场耦合仿真软件对水听器的模态和耦合放大效果进行了模拟仿真,结果显示在0°～180°范围,在谐振频率333Hz处,水听器差分电容敏感单元能够对声信号幅值差和相位差实现有效放大,显示出巨大的测向潜力。

微机电;奥米亚棕蝇;测向定位

对水下远程目标进行检测、定位和识别,已经成为各国海军所关注的焦点。利用常规声压水听器及其基阵探测目标存在某些固有缺陷,如左右舷模糊、对低频声波进行方位和到达时间分析时所需基阵庞大等问题。矢量水听器可以弥补传统声压水听器所存在的不足,单个矢量水听器既能够对水下声目标进行方位估计,并且不存在左右舷模糊问题。矢量水听器进行测向时,载体的散射作用会导致传感器的输出结果发生畸变,影响测向精度,莫世奇[1]等人对球形障板声散射对矢量传感器测向输出的影响进行了仿真研究及实验验证。随着IC技术和微机电系统(MEMS)加工技术的发展,为矢量水听器的小型化、高一致性、低成本提供了必要条件。因此,利用MEMS技术设计和制作微型矢量水听器成为矢量水听器的发展趋势。而在自然界之中,许多生物利用较小的声感应器管就能够对生波信号实现精确获取和定位。例如,奥米亚棕蝇其两耳间距仅为450 μm～520 μm,对于4.8 kHz的声源频率,声波波长约为7 mm,为其两耳间距的150倍,两耳声波时间差仅仅有1.53 μs,但就能够在如此小的声压入射时差情况下很好的完成对声源的定位。Miles R N[2-4]等人研究了奥米亚棕蝇(Ormiaochracea)的感声原理发现其利用两耳之间的特殊结构可对到达两耳的声压的幅值和时延差实现耦合放大,使神经细胞有足够的激励强度和时间对感应到的声波信号进行处理最终完成声源定位。HuipingXu[5]等人基于奥米亚棕蝇听觉结构的定向机理,利用传声器组阵,对各个阵元输出信号进行耦合,通过调节耦合参数实现对声源定位,理论和实验验证符合较好,但并没有对基于奥米亚棕蝇听觉结构的传感器进行研究。基于耦合放大原理,王瑞荣[6-7]等人基于MEMS技术均设计了用于空气中的声学定向水听器。

本文受奥米亚棕蝇听觉系统独特的耦合放大仿生学原理启发,通过对其工作方式进行理论和模型分析,基于MEMS先进工艺技术,设计了一种适用于水下声源定位感知的MEMS声学定向水听器,具有灵敏度高、功耗低、微型化等特点,有潜力替代目前水下大规模传统声学探测基阵,特别适用于水下潜航器、鱼雷等对载荷体积、功耗要求较高的机动性平台应用。

1 原理分析

1.1 仿生模型

奥米亚棕蝇具有极强的声学定位能力[2],它们能够通过位于前胸腹侧极小的听觉系统对特定寄主昆虫的鸣叫声实时定位,从而在寄主昆虫身上进行产卵完成繁殖。图1为奥米亚棕蝇听觉系统照片及其力学模型,其中两侧听觉鼓膜对称分布于胸腹板之上,两听觉鼓膜利用表皮内突相连,当外部声音作用于左右两对称鼓膜之上的时候,会引起两鼓膜的振动,膜间桥可利用机械放大作用对此振动进行放大,可提高两鼓膜之间的净压差以及时间差,增大了听觉系统的激励幅值和计算时间。力学模型[8-10]如图1所示。

图1 奥米亚棕蝇的听觉结构及其力学模型

奥米亚棕蝇膜间直接机械耦合结构力学模型可等效为一个具有两自由度的集中系统,图1中x1(t)、x2(t)代表听觉系统两侧鼓膜的振动位移,P1和P2为两侧鼓膜感受到入射声压,P为两鼓膜连接枢轴处的入射声压,φ为声源入射角(-90,90),k1=k2=k为两侧鼓膜的等效刚度,c1=c2=c为两侧鼓膜的等效阻尼,k3、c3为膜间桥的等效刚度和等效阻尼。模型可用二阶微分方程描述[11]:

(1)

式中:fi(t)=pi(t)A,i=1,2,其中,p1(t)和p2(t)分别为声源信号在同侧鼓膜和异侧鼓膜压强的压强分布,A为鼓膜面积,m为两个鼓膜的等效质量(由于生物对称性,认为两鼓膜质量相同),理想集中于两鼓膜两端。该听觉系统可等效为两输入-两输出系统,鼓膜的激励声压信号为输入,鼓膜的振动位移为输出,两鼓膜之间利用且k3和c3完成耦合连接。利用傅里叶变换可得到系统的传递函数为:

(2)

(3)

(4)

(5)

由式(5)可见,两端鼓膜的输出响应由于k3和c3的原因,存在一定的幅度差和相位差。

水下声信号作用在两鼓膜上产生的作用力可表示为f1(t)=Psin(ωt+ωΔ/2)和f2(t)=Psin(ωt-ωΔ/2),利用模态分析方法设其听觉系统模态阵型为:

(6)

可得:

(7)

(8)

由此可得系统一阶、二阶模态自由振荡频率和阻尼比分别为:

(9)

(10)

式中:ω1和ω2为一阶、二阶模态自由振荡频率,κ1和κ2为一阶、二阶模态阻尼比。由此通过将物理坐标系转换为模态坐标系,可得一阶、二阶模态下两鼓膜之间的幅值和相位分别为:

(11)

(12)

由此可见,模态响应幅值由系统参数决定,模态响应相位由系统参数和入射声波频率共同决定。

1.2 耦合机制

Miles R N[12]等对其耦合特性进行了分析发现了两侧鼓膜对所受入射声压激励对于幅值差和相位差的耦合放大作用,使得同侧振动幅值与入射声压之间的传递函数幅值显著大于对侧传递函数的幅值。此外,两侧响应之间的时间延迟与无耦合的情况相比也得到了显著放大。奥米亚棕蝇利用这种耦合作用导致的振幅差异及时间延迟,来实现对声源方向的精确判别,其听觉系统耦合处理系统如图2所示。

图2 奥米亚棕蝇耦合结构

(13)

x1(t)、x2(t)为奥米亚棕蝇两端鼓膜在外界声波激励下的位移函数,该响应由一阶、二阶模态响应共同作用,设δ为x1(t)x2(t)间的相位差,ψ12为二阶模态间的相位差。计算可得两鼓膜之间的幅度差和相位差为:

(14)

(15)

因此若听觉系统内部不存在耦合时,ψ12=90°,且η1≫η2,则有Y1=Y2,δ很小;当存在耦合系统时,ψ12≠90°,η1和η2也相应减小,但η1和η2的差值却增大,最终使得Y1≠Y2,δ也相应变大,当ψ12=0°时(δ)max=180°。由此可见,声波信号作用于两端鼓膜之后经耦合系统之后,对其间的微小差异实现了放大。

图3 水下MEMS声学定向水听器结构框图

2 水听器设计思路

通过对奥米亚棕蝇的听觉系统耦合放大机理的理论分析,其结构特殊之处在于两个鼓膜之间的膜间桥具备的耦合作用,本文基于MEMS先进表面牺牲层工艺技术模仿奥米亚棕蝇听觉系统结构,设计了微梁结构模仿膜间桥实现对左右两侧入射声压的耦合放大,提高水听器灵敏度指标。水听器结构设计如图3所示,水听器结构中利用两个相连的可变电容结构(CL、CR)模拟奥米亚棕蝇听觉系统两侧的收声鼓膜,可变电容间距L=1 000 μm,其中左右两侧设置处于悬浮状态的蓝色方形部分(AL、AR)为可变电容上电极,AL和AR在外界入射声压作用下可实现受迫振动。两个可动电极中心连接处利用两根微机械弹簧(S1、S2)与上下锚区相连,S1和S2的等效弹性系数为耦合系统的弹性系数k3,AL和AR的等效阻尼为耦合系统的阻尼系数c3,通过仿真设计可获得合适的耦合系统参数k3和c3。可变电容CL和CR能够对入射声压信号实现响应,用来模拟奥米亚棕蝇的听觉系统信号传输神经。

水听器可作为一个差分电容系统,CL和CR在入射声压作用下作等值反相变化,当外界入射声压为P1和P2时,此时两端产生等效位移x1(t)、x2(t),忽略寄生电容效应,则有:

(16)

(17)

由此可得可变电容CL和CR的响应函数为:

(18)

(19)

图4 1-6阶模态云图

(20)

水听器系统输出响应为:

ΔC=CL-CR=

(21)

该传感器芯片采用标准6英寸硅基衬底材料,工艺流程为:(1)硅基表面利用热氧化制备SiO2层,厚度1 μm,实现与固定电极之间的绝缘;(2)溅射Cr/Au层(厚度:500 A/1 000 A),作为固定电极仔金层;(3)利用Au电镀工艺电镀固定电极,厚1 μm,并图形化固定电极图形制备;(4)旋涂制备AZ4620光刻胶牺牲层,光刻完成牺牲层形状;(5)溅射Cr/Au层(厚度:500 A/1 000 A),作为可动电极仔金层;(6)利用Au电镀工艺电镀可动电极,厚4 μm,并图形化完成可动电极图形制备;(7)牺牲层干法释放,最终完成整个芯片的制备。

3 仿真与分析

3.1 模态分析

利用COMSOL多物理场耦合仿真软件,本文对水听器结构进行了三维立体模型的建立,其中水听器可动结构材料为Au,水听器结构周围为以海水为介质构成的声场环境,具体仿真结构参数如表1所示。

表1 仿真结构参数

利用模态仿真得到水听器结构1阶～6阶模态阵型如图4所示,其中1阶～6阶固有频率如表2所示。

表2 模态仿真结果

由模态分析可见,1阶模态水听器两侧可动电极呈“跷跷板”结构上下摆动,两侧相位相反;2阶模态下两侧可动电极呈同相上下摆动模态;3阶～6阶模态两侧可动电极呈扭摆姿态。通过模态分析,该水听器在1阶模态以下频段为正常工作频段,可得到正常的系统响应输出ΔC,以及入射声压的幅度差和相位差。

3.2 耦合放大分析

利用COMSOL声-固耦合仿真模块对水听器的耦合放大特性进行了模拟仿真。水听器结构至于三维声场(海水)模型之中,定义为远场声场边界,水听器最佳工作频率设置为333 Hz。模型中,在0°～180°方向设置333 Hz点声源,模型如图5所示。

图5 水听器置于海水中的模型

图6 耦合放大结构作用下两端振动强度差值

图6、图7为两端振动强度差值和时延差值的模拟仿真,结果显示在耦合结构放大作用下随着入射声压角度的变化,两端可变电容输出也发生相应改变,变化规律符合奥米亚棕蝇仿生学原理。两端可变电容输出差值最大值在0°和180°方向,分别能够达到8.1 dB和-8.05 dB,在90°方向两端可变电容输出平衡,无差值。随着入射声源角度的改变,在90°方向,两端可变电容相位无时延差,在0°和180°方向时延差达到最大值,分别为22.5 μs和22.3 μs,较传统无耦合放大作用下1.5 μs最大时延差放大约15倍。

图7 耦合放大结构作用下两端时延差值

4 结束语

本文针对奥秘亚棕蝇声学定位仿生学原理进行了深入理论分析,对其耦合放大结构的运行机理进行了研究,依据其对两端鼓膜引起的幅值差和相位差的放大原理,基于MEMS先进半导体表面牺牲层工艺技术,设计了一款用于水下声源定位的水听器,并给予COMSOL多物理场耦合仿真软件对该水听器特性进行了模拟仿真,验证了其1阶～6阶谐振频率和耦合放大效果,结果显示该水听器敏感频率为333 Hz,在0°～180°范围内,可对两端敏感可变电容产生优于8 dB的幅值放大效果,并且两端的时延差可达到约22.5 μs,较未放大之前提高约15倍。该水听器有潜力显著降低水下声源探测设备的体积和功耗,十分适于机动平台使用。

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王晓琳(1981-),女,吉林省白城人,工学硕士,中国科学院声学研究所副研究员。长期从事主动控制理论及主动声学材料研究。先后主持和参加完成了多项国家级科技项目研究,主要包括国家973、自然科学基金、中国科学院重点重大、国际交流项目等。多次参加国内外学术交流会议,在国内外期刊发表文章10余篇,wangxiaolin@mail.ioa.ac.cn;

程晓斌(1971-),男,江苏如皋县人,工学博士,中国科学院声学所研究员。主要从事环境噪声监测、平台噪声与振动状态监测、声信号处理、回声抵消及其系统、语音增强、传声器阵列技术等方面的研究。曾负责和主要参加多项国家级、省部级项目研究,主要包括国家973、自然科学基金、国家863项目等。发表论文30余篇,授权发明专利4项。

杨军(1968-),男,安徽省安庆市人,理学博士。中国科学院声学研究所研究员、博士生导师。长期从事声学与信号处理的研究,特别是在噪声控制与通信声学领域。先后主持和参加完成了数十项国家科技项目、国家科技支撑计划重点项目等。发表学术论文150余篇,其中SCI和EI收录60余篇。已申请专利21项,获得授权专利10项。参与制定国家标准2项;

AStructureandAnalysisforaMEMSSensorBasedonBionicsprinciple*

WANGXiaolin1,2*,YANGJun1,2,CHENGXiaobin1,2

(1.Key Laboratory of Noise and Vibration Research,Institute of Acoustics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Inspired by the unique structure of the ormisochraces auditory system,a kind of microelectromechanical(MEMS)sensor oriented for underwater location detection is proposed. This idea is to adopt MEMS surface passivation process to achieve a hydrophone based on micro differential capacitance detection forthe direction orientation of sound source in the low frequency range. The modal shapes of the hydrophone and the coupling amplification effect has been analyzedby using COMSOL Multiphysics. The numericalresults show that at the first resonance frequency of 333 Hz and in the range of 0°～180°,the differential capacitance unit can amplify acoustic signal amplitude and phase difference significantly,indicating of huge potential of direction orientationfor underwater applications.

MEMS;fly ormisochraces;underwater sound location

项目来源:国家自然科学基金项目(11404368)

2017-03-15修改日期:2017-05-12

:A

:1004-1699(2017)09-1318-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.09.003