微型仿生声定位结构的设计及定位方法的研究

    奥米亚棕蝇的听觉定位是通过角质皮膜结构将两耳的耳膜连接起来,形成一种称作膜间桥的直接的机械连(或机械耦合)来实现的,如图1所示[1, 2]。

    R.N.Miles[1, 3-4]等学者曾提出如图2所示的力学模型,该模型将寄生蝇听觉系统简化为一个具有两自由度的集中系统,分析结果表明,耦合结构使得在入射声压的频率位于系统的两阶固有频率之间时,同侧的位移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。而苍蝇的神经系统则在过滤次要声音信号的基础上,利用这种耦合作用导致的振幅差异,来实现对声源方向的精确判别。

    在这些研究工作的基础上,国外学者进行了多种微型仿生声定位结构的设计和研究工作。例如,R.N.Miles等学者提出了一种低噪声麦克风[5]以及一种具有集成衍射光栅的指向性硅微传声器[6, 7], SaitoA等人提出了一种具有类似万向节的柔性支撑结构的声定位元件[8]等。

    本文首先对寄生蝇听觉系统的二自由度力学模型进行进一步探讨,确定这一力学模型中相关结构参数对于定位能力的影响,并探讨该力学模型的定位机理;其次,设计了具有耦合结构的仿生声定位结构,并分析了该机构在三维空间内对声源的方向进行判别的具体方法;然后,在给出的定位结构和定位方法的基础上,提出一种新型的声定位装置,给出相应的定位理论和定位理论的适用范围;最后,通过实验验证了理论分析的正确性。

    1 线性模型定位机理研究

    建立模型的运动微分方程如下:

    位移x1和x2与枢轴点处声压p之间的传递函数为:

    由式(2),式(3)相比可以得到式(4),比值记为Hx1x2。

    为了考察膜间桥的刚度k3和阻尼c3对两侧耳膜振动特性的影响,将公式(4)简写为:

    按文献[1]提供的数据可确定各阻尼、刚度的数值,并设定入射频率为8 000Hz,入射角度为45b,得到Hx1x2的幅值和相位关于k3, c3的关系如图3和图4所示。

    从图中以及相应的数据分析可以看出,一般地,Hx1x2的幅值处于0到20之间,但其幅值存在一峰值,在峰值附近选取参数值将使得两侧振动幅值之间产生巨大的差异。

    例如选取k3=4.67 N/m,c3=1.82@10-5Ns/m,然后对系统运动进行仿真,仿真的结果说明了这一巨大差异的存在,如图5-图6所示。

    从图5与图6的比较可以看出,两侧振动位移的数量级差异在103到104左右。出现这个现象的原因是所选择的参数使得系统的两阶模态叠加而使得同侧振动被叠加放大而异侧振动位移几乎趋于零,对于此系统来说,两阶模态叠加将使得同侧振动被叠加放大而异侧振动位移减小,而上述巨大差异的现象是这种叠加效果极端状况的体现。