一種仿生原理的矢量水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值研究*

王曉琳,楊 軍,程曉斌

(1.中國科學(xué)院噪聲與振動重點(diǎn)實驗室,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

一種仿生原理的矢量水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)值研究*

王曉琳1,2*,楊 軍1,2,程曉斌1,2

(1.中國科學(xué)院噪聲與振動重點(diǎn)實驗室,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

受奧米亞棕蠅聽覺系統(tǒng)特有結(jié)構(gòu)的啟發(fā),提出一種能夠測向的微機(jī)電(MEMS)矢量水聽器設(shè)計思路,并進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。這種思路是利用MEMS表面犧牲層工藝設(shè)計一種微型差分電容檢測水聽器,可實現(xiàn)低頻聲源測向定位。利用COMSOL多物理場耦合仿真軟件對水聽器的模態(tài)和耦合放大效果進(jìn)行了模擬仿真,結(jié)果顯示在0°～180°范圍,在諧振頻率333Hz處,水聽器差分電容敏感單元能夠?qū)β曅盘柗挡詈拖辔徊顚崿F(xiàn)有效放大,顯示出巨大的測向潛力。

微機(jī)電;奧米亞棕蠅;測向定位

對水下遠(yuǎn)程目標(biāo)進(jìn)行檢測、定位和識別,已經(jīng)成為各國海軍所關(guān)注的焦點(diǎn)。利用常規(guī)聲壓水聽器及其基陣探測目標(biāo)存在某些固有缺陷,如左右舷模糊、對低頻聲波進(jìn)行方位和到達(dá)時間分析時所需基陣龐大等問題。矢量水聽器可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)聲壓水聽器所存在的不足,單個矢量水聽器既能夠?qū)λ侣暷繕?biāo)進(jìn)行方位估計,并且不存在左右舷模糊問題。矢量水聽器進(jìn)行測向時,載體的散射作用會導(dǎo)致傳感器的輸出結(jié)果發(fā)生畸變,影響測向精度,莫世奇[1]等人對球形障板聲散射對矢量傳感器測向輸出的影響進(jìn)行了仿真研究及實驗驗證。隨著IC技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)的發(fā)展,為矢量水聽器的小型化、高一致性、低成本提供了必要條件。因此,利用MEMS技術(shù)設(shè)計和制作微型矢量水聽器成為矢量水聽器的發(fā)展趨勢。而在自然界之中,許多生物利用較小的聲感應(yīng)器管就能夠?qū)ιㄐ盘枌崿F(xiàn)精確獲取和定位。例如,奧米亞棕蠅其兩耳間距僅為450 μm～520 μm,對于4.8 kHz的聲源頻率,聲波波長約為7 mm,為其兩耳間距的150倍,兩耳聲波時間差僅僅有1.53 μs,但就能夠在如此小的聲壓入射時差情況下很好的完成對聲源的定位。Miles R N[2-4]等人研究了奧米亞棕蠅(Ormiaochracea)的感聲原理發(fā)現(xiàn)其利用兩耳之間的特殊結(jié)構(gòu)可對到達(dá)兩耳的聲壓的幅值和時延差實現(xiàn)耦合放大,使神經(jīng)細(xì)胞有足夠的激勵強(qiáng)度和時間對感應(yīng)到的聲波信號進(jìn)行處理最終完成聲源定位。HuipingXu[5]等人基于奧米亞棕蠅聽覺結(jié)構(gòu)的定向機(jī)理,利用傳聲器組陣,對各個陣元輸出信號進(jìn)行耦合,通過調(diào)節(jié)耦合參數(shù)實現(xiàn)對聲源定位,理論和實驗驗證符合較好,但并沒有對基于奧米亞棕蠅聽覺結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行研究。基于耦合放大原理,王瑞榮[6-7]等人基于MEMS技術(shù)均設(shè)計了用于空氣中的聲學(xué)定向水聽器。

本文受奧米亞棕蠅聽覺系統(tǒng)獨(dú)特的耦合放大仿生學(xué)原理啟發(fā),通過對其工作方式進(jìn)行理論和模型分析,基于MEMS先進(jìn)工藝技術(shù),設(shè)計了一種適用于水下聲源定位感知的MEMS聲學(xué)定向水聽器,具有靈敏度高、功耗低、微型化等特點(diǎn),有潛力替代目前水下大規(guī)模傳統(tǒng)聲學(xué)探測基陣,特別適用于水下潛航器、魚雷等對載荷體積、功耗要求較高的機(jī)動性平臺應(yīng)用。

1 原理分析

1.1 仿生模型

奧米亞棕蠅具有極強(qiáng)的聲學(xué)定位能力[2],它們能夠通過位于前胸腹側(cè)極小的聽覺系統(tǒng)對特定寄主昆蟲的鳴叫聲實時定位,從而在寄主昆蟲身上進(jìn)行產(chǎn)卵完成繁殖。圖1為奧米亞棕蠅聽覺系統(tǒng)照片及其力學(xué)模型,其中兩側(cè)聽覺鼓膜對稱分布于胸腹板之上,兩聽覺鼓膜利用表皮內(nèi)突相連,當(dāng)外部聲音作用于左右兩對稱鼓膜之上的時候,會引起兩鼓膜的振動,膜間橋可利用機(jī)械放大作用對此振動進(jìn)行放大,可提高兩鼓膜之間的凈壓差以及時間差,增大了聽覺系統(tǒng)的激勵幅值和計算時間。力學(xué)模型[8-10]如圖1所示。

圖1 奧米亞棕蠅的聽覺結(jié)構(gòu)及其力學(xué)模型

奧米亞棕蠅膜間直接機(jī)械耦合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型可等效為一個具有兩自由度的集中系統(tǒng),圖1中x1(t)、x2(t)代表聽覺系統(tǒng)兩側(cè)鼓膜的振動位移,P1和P2為兩側(cè)鼓膜感受到入射聲壓,P為兩鼓膜連接樞軸處的入射聲壓,φ為聲源入射角(-90,90),k1=k2=k為兩側(cè)鼓膜的等效剛度,c1=c2=c為兩側(cè)鼓膜的等效阻尼,k3、c3為膜間橋的等效剛度和等效阻尼。模型可用二階微分方程描述[11]:

(1)

式中:fi(t)=pi(t)A,i=1,2,其中,p1(t)和p2(t)分別為聲源信號在同側(cè)鼓膜和異側(cè)鼓膜壓強(qiáng)的壓強(qiáng)分布,A為鼓膜面積,m為兩個鼓膜的等效質(zhì)量(由于生物對稱性,認(rèn)為兩鼓膜質(zhì)量相同),理想集中于兩鼓膜兩端。該聽覺系統(tǒng)可等效為兩輸入-兩輸出系統(tǒng),鼓膜的激勵聲壓信號為輸入,鼓膜的振動位移為輸出,兩鼓膜之間利用且k3和c3完成耦合連接。利用傅里葉變換可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為:

(2)

(3)

(4)

(5)

由式(5)可見,兩端鼓膜的輸出響應(yīng)由于k3和c3的原因,存在一定的幅度差和相位差。

水下聲信號作用在兩鼓膜上產(chǎn)生的作用力可表示為f1(t)=Psin(ωt+ωΔ/2)和f2(t)=Psin(ωt-ωΔ/2),利用模態(tài)分析方法設(shè)其聽覺系統(tǒng)模態(tài)陣型為:

(6)

可得:

(7)

(8)

由此可得系統(tǒng)一階、二階模態(tài)自由振蕩頻率和阻尼比分別為:

(9)

(10)

式中:ω1和ω2為一階、二階模態(tài)自由振蕩頻率,κ1和κ2為一階、二階模態(tài)阻尼比。由此通過將物理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo)系,可得一階、二階模態(tài)下兩鼓膜之間的幅值和相位分別為:

(11)

(12)

由此可見,模態(tài)響應(yīng)幅值由系統(tǒng)參數(shù)決定,模態(tài)響應(yīng)相位由系統(tǒng)參數(shù)和入射聲波頻率共同決定。

1.2 耦合機(jī)制

Miles R N[12]等對其耦合特性進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)了兩側(cè)鼓膜對所受入射聲壓激勵對于幅值差和相位差的耦合放大作用,使得同側(cè)振動幅值與入射聲壓之間的傳遞函數(shù)幅值顯著大于對側(cè)傳遞函數(shù)的幅值。此外,兩側(cè)響應(yīng)之間的時間延遲與無耦合的情況相比也得到了顯著放大。奧米亞棕蠅利用這種耦合作用導(dǎo)致的振幅差異及時間延遲,來實現(xiàn)對聲源方向的精確判別,其聽覺系統(tǒng)耦合處理系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 奧米亞棕蠅耦合結(jié)構(gòu)

(13)

x1(t)、x2(t)為奧米亞棕蠅兩端鼓膜在外界聲波激勵下的位移函數(shù),該響應(yīng)由一階、二階模態(tài)響應(yīng)共同作用,設(shè)δ為x1(t)x2(t)間的相位差,ψ12為二階模態(tài)間的相位差。計算可得兩鼓膜之間的幅度差和相位差為:

(14)

(15)

因此若聽覺系統(tǒng)內(nèi)部不存在耦合時,ψ12=90°,且η1?η2,則有Y1=Y2,δ很小;當(dāng)存在耦合系統(tǒng)時,ψ12≠90°,η1和η2也相應(yīng)減小,但η1和η2的差值卻增大,最終使得Y1≠Y2,δ也相應(yīng)變大,當(dāng)ψ12=0°時(δ)max=180°。由此可見,聲波信號作用于兩端鼓膜之后經(jīng)耦合系統(tǒng)之后,對其間的微小差異實現(xiàn)了放大。

圖3 水下MEMS聲學(xué)定向水聽器結(jié)構(gòu)框圖

2 水聽器設(shè)計思路

通過對奧米亞棕蠅的聽覺系統(tǒng)耦合放大機(jī)理的理論分析,其結(jié)構(gòu)特殊之處在于兩個鼓膜之間的膜間橋具備的耦合作用,本文基于MEMS先進(jìn)表面犧牲層工藝技術(shù)模仿奧米亞棕蠅聽覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu),設(shè)計了微梁結(jié)構(gòu)模仿膜間橋?qū)崿F(xiàn)對左右兩側(cè)入射聲壓的耦合放大,提高水聽器靈敏度指標(biāo)。水聽器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示,水聽器結(jié)構(gòu)中利用兩個相連的可變電容結(jié)構(gòu)(CL、CR)模擬奧米亞棕蠅聽覺系統(tǒng)兩側(cè)的收聲鼓膜,可變電容間距L=1 000 μm,其中左右兩側(cè)設(shè)置處于懸浮狀態(tài)的藍(lán)色方形部分(AL、AR)為可變電容上電極,AL和AR在外界入射聲壓作用下可實現(xiàn)受迫振動。兩個可動電極中心連接處利用兩根微機(jī)械彈簧(S1、S2)與上下錨區(qū)相連,S1和S2的等效彈性系數(shù)為耦合系統(tǒng)的彈性系數(shù)k3,AL和AR的等效阻尼為耦合系統(tǒng)的阻尼系數(shù)c3,通過仿真設(shè)計可獲得合適的耦合系統(tǒng)參數(shù)k3和c3。可變電容CL和CR能夠?qū)θ肷渎晧盒盘枌崿F(xiàn)響應(yīng),用來模擬奧米亞棕蠅的聽覺系統(tǒng)信號傳輸神經(jīng)。

水聽器可作為一個差分電容系統(tǒng),CL和CR在入射聲壓作用下作等值反相變化,當(dāng)外界入射聲壓為P1和P2時,此時兩端產(chǎn)生等效位移x1(t)、x2(t),忽略寄生電容效應(yīng),則有:

(16)

(17)

由此可得可變電容CL和CR的響應(yīng)函數(shù)為:

(18)

(19)

圖4 1-6階模態(tài)云圖

(20)

水聽器系統(tǒng)輸出響應(yīng)為:

ΔC=CL-CR=

(21)

該傳感器芯片采用標(biāo)準(zhǔn)6英寸硅基襯底材料,工藝流程為:(1)硅基表面利用熱氧化制備SiO2層,厚度1 μm,實現(xiàn)與固定電極之間的絕緣;(2)濺射Cr/Au層(厚度:500 A/1 000 A),作為固定電極仔金層;(3)利用Au電鍍工藝電鍍固定電極,厚1 μm,并圖形化固定電極圖形制備;(4)旋涂制備AZ4620光刻膠犧牲層,光刻完成犧牲層形狀;(5)濺射Cr/Au層(厚度:500 A/1 000 A),作為可動電極仔金層;(6)利用Au電鍍工藝電鍍可動電極,厚4 μm,并圖形化完成可動電極圖形制備;(7)犧牲層干法釋放,最終完成整個芯片的制備。

3 仿真與分析

3.1 模態(tài)分析

利用COMSOL多物理場耦合仿真軟件,本文對水聽器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維立體模型的建立,其中水聽器可動結(jié)構(gòu)材料為Au,水聽器結(jié)構(gòu)周圍為以海水為介質(zhì)構(gòu)成的聲場環(huán)境,具體仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)

利用模態(tài)仿真得到水聽器結(jié)構(gòu)1階～6階模態(tài)陣型如圖4所示,其中1階～6階固有頻率如表2所示。

表2 模態(tài)仿真結(jié)果

由模態(tài)分析可見,1階模態(tài)水聽器兩側(cè)可動電極呈“蹺蹺板”結(jié)構(gòu)上下擺動,兩側(cè)相位相反;2階模態(tài)下兩側(cè)可動電極呈同相上下擺動模態(tài);3階～6階模態(tài)兩側(cè)可動電極呈扭擺姿態(tài)。通過模態(tài)分析,該水聽器在1階模態(tài)以下頻段為正常工作頻段,可得到正常的系統(tǒng)響應(yīng)輸出ΔC,以及入射聲壓的幅度差和相位差。

3.2 耦合放大分析

利用COMSOL聲-固耦合仿真模塊對水聽器的耦合放大特性進(jìn)行了模擬仿真。水聽器結(jié)構(gòu)至于三維聲場(海水)模型之中,定義為遠(yuǎn)場聲場邊界,水聽器最佳工作頻率設(shè)置為333 Hz。模型中,在0°～180°方向設(shè)置333 Hz點(diǎn)聲源,模型如圖5所示。

圖5 水聽器置于海水中的模型

圖6 耦合放大結(jié)構(gòu)作用下兩端振動強(qiáng)度差值

圖6、圖7為兩端振動強(qiáng)度差值和時延差值的模擬仿真,結(jié)果顯示在耦合結(jié)構(gòu)放大作用下隨著入射聲壓角度的變化,兩端可變電容輸出也發(fā)生相應(yīng)改變,變化規(guī)律符合奧米亞棕蠅仿生學(xué)原理。兩端可變電容輸出差值最大值在0°和180°方向,分別能夠達(dá)到8.1 dB和-8.05 dB,在90°方向兩端可變電容輸出平衡,無差值。隨著入射聲源角度的改變,在90°方向,兩端可變電容相位無時延差,在0°和180°方向時延差達(dá)到最大值,分別為22.5 μs和22.3 μs,較傳統(tǒng)無耦合放大作用下1.5 μs最大時延差放大約15倍。

圖7 耦合放大結(jié)構(gòu)作用下兩端時延差值

4 結(jié)束語

本文針對奧秘亞棕蠅聲學(xué)定位仿生學(xué)原理進(jìn)行了深入理論分析,對其耦合放大結(jié)構(gòu)的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了研究,依據(jù)其對兩端鼓膜引起的幅值差和相位差的放大原理,基于MEMS先進(jìn)半導(dǎo)體表面犧牲層工藝技術(shù),設(shè)計了一款用于水下聲源定位的水聽器,并給予COMSOL多物理場耦合仿真軟件對該水聽器特性進(jìn)行了模擬仿真,驗證了其1階～6階諧振頻率和耦合放大效果,結(jié)果顯示該水聽器敏感頻率為333 Hz,在0°～180°范圍內(nèi),可對兩端敏感可變電容產(chǎn)生優(yōu)于8 dB的幅值放大效果,并且兩端的時延差可達(dá)到約22.5 μs,較未放大之前提高約15倍。該水聽器有潛力顯著降低水下聲源探測設(shè)備的體積和功耗,十分適于機(jī)動平臺使用。

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王曉琳(1981-),女,吉林省白城人,工學(xué)碩士,中國科學(xué)院聲學(xué)研究所副研究員。長期從事主動控制理論及主動聲學(xué)材料研究。先后主持和參加完成了多項國家級科技項目研究,主要包括國家973、自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院重點(diǎn)重大、國際交流項目等。多次參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流會議,在國內(nèi)外期刊發(fā)表文章10余篇,wangxiaolin@mail.ioa.ac.cn;

程曉斌(1971-),男,江蘇如皋縣人,工學(xué)博士,中國科學(xué)院聲學(xué)所研究員。主要從事環(huán)境噪聲監(jiān)測、平臺噪聲與振動狀態(tài)監(jiān)測、聲信號處理、回聲抵消及其系統(tǒng)、語音增強(qiáng)、傳聲器陣列技術(shù)等方面的研究。曾負(fù)責(zé)和主要參加多項國家級、省部級項目研究,主要包括國家973、自然科學(xué)基金、國家863項目等。發(fā)表論文30余篇,授權(quán)發(fā)明專利4項。

楊軍(1968-),男,安徽省安慶市人,理學(xué)博士。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所研究員、博士生導(dǎo)師。長期從事聲學(xué)與信號處理的研究,特別是在噪聲控制與通信聲學(xué)領(lǐng)域。先后主持和參加完成了數(shù)十項國家科技項目、國家科技支撐計劃重點(diǎn)項目等。發(fā)表學(xué)術(shù)論文150余篇,其中SCI和EI收錄60余篇。已申請專利21項,獲得授權(quán)專利10項。參與制定國家標(biāo)準(zhǔn)2項;

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

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(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