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基于仿生MEMS定向麦克风对的二维声源定位研究
作者及发表信息
本研究由韩国技术教育大学(Korea University of Technology and Education)的Ashiqur Rahaman和Byungki Kim合作完成,发表于2021年1月15日的《IEEE Sensors Journal》第21卷第2期。
学术背景
声源定位(Sound Source Localization, SSL)在机器人、助听器、安防监控等领域具有重要应用。传统SSL技术(如时差定位法TDOA和波束成形Beamforming)依赖复杂算法和高计算成本。受寄生蝇Ormia ochracea听觉机制的启发,研究者开发了基于微机电系统(MEMS)的仿生定向麦克风,其通过机械耦合结构直接感知声波方向,避免了高计算需求。然而,现有研究多限于一维定位(0°–180°),而二维定位(0°–360°)能更全面满足实际需求。
本研究旨在通过一对仿生MEMS定向麦克风实现高精度二维SSL,解决现有阵列设计(如三麦克风阵列或“四叶草”结构)的体积大、灵敏度低等问题,并探索其在宽频带(1–18 kHz)下的性能。
研究流程与方法
1. 仿生麦克风设计与仿真
- 结构设计:麦克风采用圆形双振膜结构,通过中央耦合区域(Coupling Area, CA)连接,振膜半径800 μm,表面覆盖AlN压电材料(d33模式)。扭转梁长度增至300 μm以降低扭转刚度,从而分离摇摆模式(Rocking Mode, 6.9 kHz)和弯曲模式(Bending Mode, 12.3 kHz),扩大工作频带。
- 仿真验证:通过COMSOL Multiphysics模拟声波作用下的振膜响应,验证方向性依赖关系(x轴为余弦,y轴为正弦)。
实验系统搭建
方向性与SSL验证
主要结果
1. 频响特性:MISD在弯曲频率(11.9 kHz)达到峰值,18 kHz时显著下降(图4b),直接影响方向性精度。
2. 二维SSL性能:在1–18 kHz范围内,误差随频率升高而增大,但整体优于同类研究(表III)。例如,弯曲频率下精度比Wilmott等(2016)提高约1.5°。
3. 结构优势:独立双麦克风设计比阵列更紧凑,且灵敏度更高(如“四叶草”结构牺牲了传感面积)。
结论与价值
本研究首次通过仿生MEMS麦克风对实现宽频带二维SSL,其高精度和小型化为助听器(HAs)等应用提供了新思路。科学价值在于揭示了MISD与SSL精度的关系,并通过结构优化扩展了工作频带;应用价值体现在无需复杂算法的实时定位潜力。
研究亮点
1. 创新设计:通过分扭转梁降低摇摆频率,增大模态间隔(6.9 kHz vs. 12.3 kHz),提升宽频方向性。
2. 多维定位:结合余弦和正弦方向性,首次实现仿生麦克风的二维SSL,误差低至±2.92°。
3. 跨频验证:覆盖1–18 kHz,为实际场景中的多频声源定位奠定基础。
其他发现
- 声源角度在45°附近时,双麦克风响应相等(图5c),可作为定位关键特征。
- 未来需优化低频( kHz)性能及远场条件适应性。