CN103929702B - 基于位移放大的双压电式骨传导听觉装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了压电振动传声技术领域中的一种基于位移放大的双压电式骨传导听觉装置。该装置包括声音信号预置补偿元件和由上壳和下壳扣合而成的壳体，上壳顶部设置的支撑座，支撑座上覆盖传导膜，所述装置还包括低频声音信号响应元件、高频声音信号响应元件和位移放大元件；低频声音信号响应元件包括矩形悬臂梁式压电振子和第一传导柱，高频声音信号响应元件包括圆形周边支撑式压电振子和环形传导柱，位移放大元件包括悬臂梁和第二传导柱。本发明实现了高频音、低频音和中频音的完美结合，解决了中频音效果不足和音色混杂的问题，克服了压电振子输入电压过高引起的发热、性能不稳定、线性度低和寿命短的缺陷。

Description

基于位移放大的双压电式骨传导听觉装置

技术领域

本发明属于压电振动传声技术领域，尤其涉及一种基于位移放大的双压电式骨传导听觉装置。

背景技术

近年来，由于骨传导听觉装置可以供传导性听觉障碍的人及正常人进行多方面使用，因此备受人们的青睐。其中，压电式骨传导听觉装置更以其无电能损失、无电磁辐射、质量轻和型面薄的特点越来越受到人们的关注。

骨传导听觉装置大致可分为两类：一类是电磁式骨传导听觉装置，另一类是压电式骨传导听觉装置。目前国内对电磁式骨传导听觉装置的研究已达一定水平，但其存在诸多弊端。现在国内外对压电式骨传导听觉装置研究更加重视，目前骨传导听觉装置的压电振子主要结构有：圆形结构，矩形结构，椭圆形结构和方形结构。结构的不同可对振幅起到一定影响，而不同的支撑方式也使能量输出特点有较大的差异。目前现有的压电振子的支撑方式有：中间固定支撑，自由边界支撑，周边固定支撑，悬臂梁式支撑，简支支撑（波节支撑），两边顶住夹持支撑，两端刚性夹持支撑等方式。

已有文献对上述支撑方式的特点进行了描述，其中：

（1）悬臂梁式支撑的特点在于，谐振频率相对低、柔顺系数相对高，可以在端部产生很大的挠曲，适用于矩形压电振子，最适合低频输出，该支撑方式可以在悬臂端获得较大的位移，是一种理想的支撑方式。

（2）两边顶住夹持方式的特点在于，可以实现自由旋转，虽然具有较低的柔顺系数，可以承受比较大的力，但是夹持难度相对大。

（3）两端刚性夹持方式的特点在于，可以适用于矩形压电振子两端夹住，以及圆形压电振子周边固定夹住。但是这种支撑方式会使压电振子的机电耦合性能极低，也就是电能转化为压电振子的机械能的能力降低，不利于节能。

（4）简支支撑（波节支撑）方式的特点在于，该支撑方式轻便，能降低装置的损耗程度，适用于矩形和圆形压电振子；但是这种支撑方式的机械品质因数相对高，这会使压电振子在某些特定频率上出现振动加强或削弱的现象，加上这种结构不易于实现，所以一般不采用该种结构。

（5）中间固定支撑方式的特点在于，矩形压电振子和圆形压电振子都可以采用这种方式，且根据文献1（肖永富，《中间支撑和悬臂结构压电式骨传导助听装置研究》，吉林，吉林大学，2009年05月）记载，该方式同样可以在两端产生较大的位移变形，有利于提高响度，是一种相对较好的支撑方式。

（6）周边固定支撑的特点在于，这种支撑方式适用于矩形和圆形的压电振子，它的最大位移点在中心位置，也是一种较好的支撑方式。

（7）自由支撑方式的特点在于，该支撑方式的约束比较困难，所以该支撑方式在结构中较少用到；且文献2（柳杰，《中间固定支撑式压电骨传导听觉装置关键技术研究》，吉林，吉林大学，2012年5月26）指出，由于两端顶住支撑方式、自由边界支撑方式、简支支撑方式不论应用于圆形压电振子还是应用于矩形压电振子，存在着约束难度较大的问题，实际应用不多。

从众多结构分析可知，矩形悬臂梁结构可以获得较大位移，该结构的谐振频率较低，最适合低频输出；圆形周边固定支撑，在振动过程中压电振子内部无变形抵消现象，振子弯曲变形较大，最适合高频输出。

然而，目前压电式骨传导听觉装置对于扩展声频带宽，稳定中频音信号输出，降低输入电压等问题，并没有有效的解决。与单压电式骨传导听觉装置比较而言，双压电式骨传导听觉装置采用不同的支撑方式，解决了部分带宽及音域不广问题，取得了一定效果。但是在目前已有的双压式骨传导听觉装置中，仍存在着如下问题：

（1）高、低频音输出不足。由于人骨所能感受到的振动位移在20微米左右，而要驱动压电振子需要一、两百伏电压，可压电振子的输出位移却只有10微米左右，与振动效果较好的20微米位移还有一定差距。

（2）双压电振子结构中中频音效果不足，音色混杂；当驱动信号的频率正好处于高、低音信号之间时，两个压电振子的输出位移的不同使得这个频段的声音信号响度不足，音色混乱，给听觉有障碍的装置使用者带来了很多不便。

（3）驱动压电振子输入的一、两百伏电压过高，会使压电振子引起发热，性能不稳定，线性度降低，寿命短。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有骨传导听觉装置存在的诸多缺陷，提供一种基于位移放大的双压电式骨传导听觉装置，用以解决现有骨传导听觉装置存在的不足。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于位移放大的双压电式骨传导听觉装置，包括声音信号预置补偿元件以及由上壳和下壳扣合而成的壳体，上壳顶部设置支撑座，支撑座上覆盖传导膜，其特征在于，所述装置还包括低频声音信号响应元件、高频声音信号响应元件和位移放大元件；

所述低频声音信号响应元件包括矩形悬臂梁式压电振子和第一传导柱；

所述矩形悬臂梁式压电振子的一端固定在下壳内壁上，另一端上表面固定第一传导柱；

所述高频声音信号响应元件包括圆形周边支撑式压电振子和环形传导柱；

所述圆形周边支撑式压电振子的周边固定在下壳内壁上，且圆形周边支撑式压电振子的中心设有第一通孔；

所述环形传导柱固定在圆形周边支撑式压电振子的上表面且环形传导柱与第一通孔同轴；

所述第一传导柱从第一通孔和环形传导柱中穿过，且第一传导柱和环形传导柱的顶端平齐；

所述位移放大元件包括悬臂梁和第二传导柱；

所述悬臂梁的一端固定在上壳内壁上，另一端上表面固定第二传导柱；

所述上壳的上表面与传导膜中心对应位置设有第二通孔，且第二传导柱穿过第二通孔；

所述悬臂梁位于第一传导柱和环形传导柱的顶端的上方；

所述圆形周边支撑式压电振子的半径小于第二传导柱到悬臂梁固定端的距离；

所述下壳的下表面设有第三通孔；

所述声音信号预置补偿元件通过穿过第三通孔的导线分别与矩形悬臂梁式压电振子和圆形周边支撑式压电振子相连；

所述声音信号预置补偿元件用于接收声音信号，并在声音信号为低频声音信号时，触发矩形悬臂梁式压电振子带动第一传导柱振动，在声音信号为高频声音信号时，触发圆形周边支撑式压电振子带动环形传导柱振动，在声音信号为中频声音信号时，触发矩形悬臂梁式压电振子和圆形周边支撑式压电振子分别带动第一传导柱和环形传导柱按照相同振动位移共同振动。

所述声音信号预置补偿元件包括声音信号接收单元、分频器、高频声音放大器、低频声音放大器和中频声音放大器；

所述高频声音放大器和中频声音放大器分别与圆形周边支撑式压电振子相连；

所述低频声音放大器和中频声音放大器分别与矩形悬臂梁式压电振子相连；

所述声音信号接收单元用于接收外界声音信号，并将接收的外界声音信号发送至分频器；

所述分频器用于将外界声音信号辨识为高频声音信号、低频声音信号和中频声音信号，并根据辨识结果将高频声音信号、低频声音信号和中频声音信号分别发送至高频声音放大器、低频声音放大器和中频声音放大器；

所述高频声音放大器用于根据高频声音信号确定环形传导柱的振动位移，并触发圆形周边支撑式压电振子带动环形传导柱按照环形传导柱的振动位移振动；

所述低频声音放大器用于根据低频声音信号确定第一传导柱的振动位移，并触发矩形悬臂梁式压电振子带动第一传导柱按照第一传导柱的振动位移振动；

所述中频声音放大器用于根据中频声音信号分别确定环形传导柱的振动位移和第一传导柱的振动位移，再根据环形传导柱的振动位移和第一传导柱的振动位移计算相同振动位移，然后带动环形传导柱和第一传导柱按照相同振动位移共同振动。

所述矩形悬臂梁式压电振子由一个矩形压电片和一个矩形铜基板组成，且所述矩形压电片固定在矩形铜基板上方。

所述矩形悬臂梁式压电振子由两个矩形压电片和一个矩形铜基板组成，且两个矩形压电片分别固定在矩形铜基板上方和下方。

所述圆形周边支撑式压电振子由一个中心带孔的圆形压电片和一个中心带孔的圆形铜基板组成；所述圆形压电片固定在圆形铜基板上方，且圆形压电片和圆形铜基板同轴。

所述圆形周边支撑式压电振子由两个中心带孔的圆形压电片和一个中心带孔的圆形铜基板组成；两个圆形压电片分别固定在圆形铜基板的上方和下方，且两个圆形压电片和一个圆形铜基板同轴。

本发明实现了高频音、低频音和中频音的完美结合，解决了中频音效果不足和音色混杂的问题，克服了压电振子输入电压过高引起的发热、性能不稳定、线性度低和寿命短的缺陷。

附图说明

图1是基于位移放大的双压电式骨传导听觉装置结构图；

图2是声音信号预置补偿元件结构图；

图中，1-上壳，2-悬臂梁，3-环形传导柱，4-支撑座，5-第一传导柱，6-传导膜，7-第二传导柱，8-粘合剂，9-矩形压电片，10-矩形铜基板，11-粘合剂，12-圆形压电片，13-圆形铜基板，14-粘合剂，15-下壳，16-导线。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是基于位移放大的双压电式骨传导听觉装置结构图。在图1给出的实施例中，以压电振子由一个压电片和一个铜基板组成为例，进行说明。如图1所示，基于位移放大的双压电式骨传导听觉装置，包括声音信号预置补偿元件（图1中未给出，具体结构见图2）和由上壳1和下壳15扣合而成的壳体，上壳1顶部设置支撑座4，支撑座4上覆盖传导膜6。该装置还包括低频声音信号响应元件、高频声音信号响应元件和位移放大元件。

其中，低频声音信号响应元件包括矩形悬臂梁式压电振子和第一传导柱5。矩形悬臂梁式压电振子的一端固定在下壳15内壁上，另一端为非固定端，其上表面通过粘合剂14固定第一传导柱5。在本实施例中，矩形悬臂梁式压电振子由一个矩形压电片9和一个矩形铜基板10组成，且矩形压电片9通过环氧树脂等粘合剂固定粘合在矩形铜基板10上方。

高频声音信号响应元件包括圆形周边支撑式压电振子和环形传导柱3。圆形周边支撑式压电振子的周边固定在下壳内壁上，且圆形周边支撑式压电振子的中心设有第一通孔。环形传导柱3通过粘合剂11固定粘合在圆形周边支撑式压电振子的上表面。环形传导柱3与第一通孔同轴。第一传导柱5从第一通孔和环形传导柱3中穿过，且第一传导柱5和环形传导柱3的顶端平齐。在本实施例中，圆形周边支撑式压电振子由一个中心带孔的圆形压电片12和一个中心带孔的圆形铜基板13组成，该圆形压电片12通过环氧树脂等粘合剂固定粘合在圆形铜基板上方，且圆形压电片12和圆形铜基板13同轴。

位移放大元件包括悬臂梁2和第二传导柱7。悬臂梁2的一端固定在上壳内壁上，另一端为非固定端，该非固定端上表面通过粘合剂8固定粘合第二传导柱7。

上壳1的上表面与传导膜6中心对应位置设有第二通孔，第二传导柱7穿过第二通孔。

悬臂梁2位于第一传导柱5和环形传导柱3的顶端的上方，并且圆形周边支撑式压电振子的半径小于第二传导柱7到悬臂梁2固定端的距离。这样的结构使得悬臂梁2与环形传导柱3和第一传导柱5接触点的力矩小于悬臂梁2与第二传导柱7接触点的力矩，从而确保位移放大元件能够放大环形传导柱3和第一传导柱5的位移。

下壳15的下表面设有第三通孔，声音信号预置补偿元件通过穿过第三通孔的导线16分别与矩形悬臂梁式压电振子和圆形周边支撑式压电振子相连。声音信号预置补偿元件用于接收声音信号，并在声音信号为低频声音信号时，触发矩形悬臂梁式压电振子带动第一传导柱振动，在声音信号为高频声音信号时，触发圆形周边支撑式压电振子带动环形传导柱振动，在声音信号为中频声音信号时，触发矩形悬臂梁式压电振子和圆形周边支撑式压电振子分别带动第一传导柱和环形传导柱按照相同振动位移共同振动。

图2是声音信号预置补偿元件结构图。如图2所示，声音信号预置补偿元件包括声音信号接收单元、分频器、高频声音放大器、低频声音放大器和中频声音放大器。高频声音放大器和中频声音放大器分别与圆形周边支撑式压电振子相连，低频声音放大器和中频声音放大器分别与矩形悬臂梁式压电振子相连。

声音信号接收单元用于接收外界声音信号，并将接收的外界声音信号发送至分频器。

分频器用于将外界声音信号辨识为高频声音信号、低频声音信号和中频声音信号，并根据辨识结果将高频声音信号、低频声音信号和中频声音信号分别发送至高频声音放大器、低频声音放大器和中频声音放大器。通常，频率在2000赫兹及以上的声音信号为高频声音信号，频率在500赫兹及以下的声音信号为低频声音信号，频率在500赫兹-2000赫兹之间的声音信号为中频声音信号。

高频声音放大器用于根据高频声音信号确定环形传导柱的振动位移，并触发圆形周边支撑式压电振子带动环形传导柱按照环形传导柱的振动位移振动。

低频声音放大器用于根据低频声音信号确定第一传导柱的振动位移，并触发矩形悬臂梁式压电振子带动第一传导柱按照第一传导柱的振动位移振动。

中频声音放大器用于根据中频声音信号分别确定环形传导柱的振动位移和第一传导柱的振动位移，再根据环形传导柱的振动位移和第一传导柱的振动位移计算相同振动位移，然后带动环形传导柱和第一传导柱按照相同振动位移共同振动。

中频声音放大器的工作原理是：当收到的声音信号为500赫兹时，中频声音放大器确定环形传导柱的振动位移为7微米，第一传导柱的振动位移是8微米。上述振动位移的确定可以根据圆形周边支撑式压电振子和矩形悬臂梁式压电振子响应500赫兹时的声音信号的振动幅度得到。在装置生产阶段，将各个频率点压电振子的响应幅度预先存储在相应的声音放大器中。然后，中频声音放大器调整环形传导柱和第一传导柱的振动位移，比如，可以为环形传导柱的振动位移增加倍率，该倍率为8/7；而为第一传导柱的振动位移增加倍率1，这样，两个传导柱的位移全部为8微米，从而得到相同振动位移。最后，中频声音放大器带动环形传导柱和第一传导柱按照相同振动位移共同振动。当然，实现环形传导柱的振动位移和第一传导柱的振动位移相同的手段还有很多，本文不再一一举例。

在本发明中，矩形压电片9和矩形铜基板10的长度分别为60毫米和40毫米，矩形压电片9和矩形铜基板10的宽度及厚度分别相等，分别为20毫米和0.2毫米。圆形压电片12与圆形铜基板13的直径分别为35毫米和25毫米，厚度分别为0.3毫米和0.3毫米。

上述实施例中，矩形悬臂梁式压电振子还可以由两个矩形压电片9和一个矩形铜基板10组成。两个矩形压电片9分别通过环氧树脂等粘合剂固定粘合在矩形铜基板10上方和下方。圆形周边支撑式压电振子也可以由两个中心带孔的圆形压电片12和一个中心带孔的圆形铜基板13组成。两个圆形压电片12分别通过环氧树脂等粘合剂固定粘合在圆形铜基板13的上方和下方，且两个圆形压电片12和一个圆形铜基板13同轴。

本发明对于低频声音信号，使用矩形悬臂结构作为低频音信号的发生元件，可在其传导端获得较大的位移，且该结构的谐振频率较低，可以增强低频音信号的响度。对于高频声音信号，采用圆形结构周边支撑的压电振子作为高频音信号的发生元件，可在其中间位置处获得最大位移，其谐振频率最为接近人耳所能接受的最高频率。这种圆形周边—矩形悬臂式双压电结构，有效解决了现有骨传导听觉装置高、低频音信号表达不足的缺陷，同时扩大了声频的带宽。

为了解决现有骨传导听觉装置中频信号响度不足，音色混杂的问题，本发明采用对中频声音信号的幅值进行预置补偿的方法。中频声音信号同时激励矩形压电振子和圆形压电振子，使两个压电振子同时产生振动响应。而两个压电振子在相同频率点输出位移的不同将导致中频声音信号的响度不足，音色混杂等问题。为此，本发明采用预置位移补偿，使两个压电振子的输出位移达到相同，即环形传导柱3和第一传导柱5同时达到相同位移。采用对中频信号幅值进行预置补偿这一措施，增大了中频音的输出位移，增强声音在中频段的响度的同时解决了其音色混乱的问题。

为了解决现有骨传导听觉装置压电振子驱动电压过高的问题，本发明设计采用悬臂梁式位移放大元件，其通过对声音信号进行放大来解决高、低音输出不足，从而降低驱动电压解决元件发热问题。如图1所示，当压电振子的振动通过环形传导柱3和/或第一传导柱5传至位于上方的悬臂梁时，带动悬臂梁振动，悬臂梁的振动使得其悬臂端（非固定端）增大位移幅度，在其悬臂端的第二传导柱7由此获得放大的位移，从而解决了为获得大振幅而使驱动电压偏高产生的问题。

另外，分频器将声音信号分频后，低频声音信号只有矩形压电振子受到激励信号的作用产生振动响应；高频声音信号只有圆形压电振子受到激励信号的作用产生振动响应；中频声音信号由两个压电振子同时受到各自音讯信号的激励作用产生振动响应，其解决了现有骨传导听觉装置只能接收单一的声频振动和存在的高频音、低频音、中频音不能完美兼顾的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于位移放大的双压电式骨传导听觉装置，包括声音信号预置补偿元件以及由上壳和下壳扣合而成的壳体，上壳顶部设置支撑座，支撑座上覆盖传导膜，其特征在于，所述装置还包括低频声音信号响应元件、高频声音信号响应元件和位移放大元件；

所述低频声音信号响应元件包括矩形悬臂梁式压电振子和第一传导柱；

所述矩形悬臂梁式压电振子的一端固定在下壳内壁上，另一端上表面固定第一传导柱；

所述高频声音信号响应元件包括圆形周边支撑式压电振子和环形传导柱；

所述圆形周边支撑式压电振子的周边固定在下壳内壁上，且圆形周边支撑式压电振子的中心设有第一通孔；

所述环形传导柱固定在圆形周边支撑式压电振子的上表面且环形传导柱与第一通孔同轴；

所述第一传导柱从第一通孔和环形传导柱中穿过，且第一传导柱和环形传导柱的顶端平齐；

所述位移放大元件包括悬臂梁和第二传导柱；

所述悬臂梁的一端固定在上壳内壁上，另一端上表面固定第二传导柱；

所述上壳的上表面与传导膜中心对应位置设有第二通孔，且第二传导柱穿过第二通孔；

所述悬臂梁位于第一传导柱和环形传导柱的顶端的上方；

所述圆形周边支撑式压电振子的半径小于第二传导柱到悬臂梁固定端的距离；

所述下壳的下表面设有第三通孔；

所述声音信号预置补偿元件通过穿过第三通孔的导线分别与矩形悬臂梁式压电振子和圆形周边支撑式压电振子相连；

所述声音信号预置补偿元件用于接收声音信号，并在声音信号为低频声音信号时，触发矩形悬臂梁式压电振子带动第一传导柱振动，在声音信号为高频声音信号时，触发圆形周边支撑式压电振子带动环形传导柱振动，在声音信号为中频声音信号时，触发矩形悬臂梁式压电振子和圆形周边支撑式压电振子分别带动第一传导柱和环形传导柱按照相同振动位移共同振动；

所述声音信号预置补偿元件包括声音信号接收单元、分频器、高频声音放大器、低频声音放大器和中频声音放大器；

所述高频声音放大器和中频声音放大器分别与圆形周边支撑式压电振子相连；

所述低频声音放大器和中频声音放大器分别与矩形悬臂梁式压电振子相连；

所述声音信号接收单元用于接收外界声音信号，并将接收的外界声音信号发送至分频器；

所述分频器用于将外界声音信号辨识为高频声音信号、低频声音信号和中频声音信号，并根据辨识结果将高频声音信号、低频声音信号和中频声音信号分别发送至高频声音放大器、低频声音放大器和中频声音放大器；

所述高频声音放大器用于根据高频声音信号确定环形传导柱的振动位移，并触发圆形周边支撑式压电振子带动环形传导柱按照环形传导柱的振动位移振动；

所述低频声音放大器用于根据低频声音信号确定第一传导柱的振动位移，并触发矩形悬臂梁式压电振子带动第一传导柱按照第一传导柱的振动位移振动；

所述中频声音放大器用于根据中频声音信号分别确定环形传导柱的振动位移和第一传导柱的振动位移，再根据环形传导柱的振动位移和第一传导柱的振动位移计算相同振动位移，然后带动环形传导柱和第一传导柱按照相同振动位移共同振动。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述矩形悬臂梁式压电振子由一个矩形压电片和一个矩形铜基板组成，且所述矩形压电片固定在矩形铜基板上方。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述圆形周边支撑式压电振子由一个中心带孔的圆形压电片和一个中心带孔的圆形铜基板组成；

所述圆形压电片固定在圆形铜基板上方，且圆形压电片和圆形铜基板同轴。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征是所述圆形周边支撑式压电振子由两个中心带孔的圆形压电片和一个中心带孔的圆形铜基板组成；

两个圆形压电片分别固定在圆形铜基板的上方和下方，且两个圆形压电片和一个圆形铜基板同轴。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是所述矩形悬臂梁式压电振子由两个矩形压电片和一个矩形铜基板组成，且两个矩形压电片分别固定在矩形铜基板上方和下方。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述圆形周边支撑式压电振子由一个中心带孔的圆形压电片和一个中心带孔的圆形铜基板组成；

所述圆形压电片固定在圆形铜基板上方，且圆形压电片和圆形铜基板同轴。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述圆形周边支撑式压电振子由两个中心带孔的圆形压电片和一个中心带孔的圆形铜基板组成；

两个圆形压电片分别固定在圆形铜基板的上方和下方，且两个圆形压电片和一个圆形铜基板同轴。