第 1 章 绪论
1.1 引言
自从 1550 年意大利的吉罗拉莫·卡尔达诺（Girolamo Cardano）首次发现通过牙齿可以传声这一骨传导现象后，骨传导技术就不断的被人们研究和应用，而在听觉装置上使用骨传导技术代替气传导技术也正是目前很多科研工作者热衷探讨的热点之一[1]。根据世界卫生组织报告：全球有超过 3200 万儿童伴有不同程度的听力损失，近 5%的人口（约 3.6 亿人）听力损失程度达到耳聋残疾，且主要分布在中低收入国家[2]。听觉在人们的日常生活中，无论是学习语言、掌握知识和融入社会以及与人沟通和交流中都不可或缺，尤其对于那些有听力损失的儿童在接受教育和社会交往、建立自信以及生活质量等方面更加困难，因此，如何提高听力水平，不断完善各种听力补偿手段和措施，针对先天听力损失的儿童尽早治疗或给予适当的干预，是十分必要并意义重大的课题，也是所有科研工作者一直致力于解决的课题。权威调查结果显示我国有 15.84%的人患有听力障碍，占总人口 5.17%的人有中度以上听力障碍，患病比例基本与世界人口患病比例相当，非传染性疾病、耳病和噪声等因素是主要病因，其中有 55.31%的听力障碍人士为 60 岁以上老人，随着我国老龄化趋势的逐渐加剧，听障人群的比例有逐渐升高的趋势。而在听障人士中仅少数人选择医学治疗，尤其接受手术植入中耳或人工耳蜗的人群比例更少，即使选择佩戴助听器其佩戴后的助听效果也因人而异，不是每个人都能得到理想的听力补偿[3]。很显然：无论是什么原因导致的听力损伤，也无论是成人、老人还是儿童，除了针灸、药物和人工中耳植入等手段外，佩戴助听装置无疑是最便捷和成本最低的提高听力水平的手段和方式[4,5]。压电陶瓷材料由于其频带宽、精度高、功耗小、频率特性好及制造简单等特点，很适合作为听觉装置中的声振动元件，因此，结合骨传导原理本文研制了二分频圆形压电式骨传导听觉装置，其结构紧凑，外观与普通耳机相同，消耗功率小，非入耳式佩戴方式减小了佩戴不适感，将声波信号直接通过颅骨传导至内耳，对由于声音信号传入内耳的通道中断的患者来说解决了普通气传导助听设备无法解决的问题，也避免了电磁式助听装置的电磁辐射影响，它不仅可以为听力障碍人群佩戴，也可以适用于噪声环境下需要进行时效性强的通话的特殊人群，比如公安、消防战士等。
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1.2 骨传导技术的应用
早在 18 世纪，伟大作曲家贝多芬咬着一根与钢琴相连的棍子来感受由颚骨传来的美妙音乐，这是骨传导技术最早应用于声音信号的传递；生活在海洋里的蛇获取水中声音信号的振动也是通过颞骨并最终传入耳朵里的[6]；我们平时刷牙和咀嚼饼干等食物时感受到的声音其实也是通过骨传导原理而不是用耳朵听到的声音，所以，其实我们已经在不断的感受骨传导技术带给我们的不一样：用于运动和特殊场合的耳机是骨传导技术最受欢迎的应用领域。图 1.1 是 Panasonic松下 RP-HGS10E 骨传导耳机[7]，属于头戴式、耳挂式运动音乐耳机，采用不入耳式结构避免长时间佩戴给耳朵带来的不适感，同时能解放双耳便于接收外界其他声音，受到很多运动爱好者的追捧。随着它的热度不减，市场上陆续出现了不同品牌的骨传导耳机，外形各异，越来越追求佩戴的舒适性及运动场合的适应性，比如防水功能、防震功能，与不同佩戴者颅骨贴合度不同产生的佩戴效果也不相同，这与其采用骨传导的技术本质密不可分[8]。
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第 2 章 压电式骨传导听觉装置基础理论研究
本文研究的二分频压电振子圆形骨传导听觉装置最终是为了提高人的听力水平，需要对声音信号的本质特征、传递过程进行认真分析，听觉装置声振动元件采用压电振子，将声音信号转换为振动信号传递入耳，这是骨传导听觉装置的核心部分，也是决定装置最终性能的重要一环，因此需要对压电材料在驱动能力、频响能力方面的相关性能参数进行分析和研究，研制出低功耗、宽频响、增益大且实用性强的听觉装置。
2.1 听力学相关基础理论
声音信号本质上是振动波，需要通过可以振动的弹性体为载体进行传递。空气、液体、固体等都可以作为声音信号的传播媒介。由于空气分子弹性好、阻尼损耗小、具有良好的压缩性，声波在大气中只要发生小小的微振动，就能产生相应级别的声压，并迅速传向各方。衡量声波在空气中引起的大气压变化称为声压，用分贝值表示。通常情况下，我们日常沟通的常用言语声压值大约 50d B 左右，打雷声比较刺耳，声压可达 120d B 左右，飞机的声音可达 110～150d B，人耳在接收到 120d B 以上的声音信号时就会有不适感。人们日常生活的不同场所，背景环境的噪声声压相差也较大，比如公园内的噪声大约为 55 d B，给人感觉安静舒适，而在超市及车站等公共场所内声压可达80 d B 甚至更高些，人会感觉有些吵，彼此沟通需要提高音量，日常办公室内声压大约为 60 d B，可见不同的背景环境声压值相差达 20 d B 以上[55,56]。声音的高低用音调来衡量，声音的强弱用响度来表征，声音到底好听与否则是看它的音色如何，这也是声音信号的三大特征：音调取决于声波的频率。例如钢琴的每个琴键发出的声音，通过视唱练耳可以进行分辨，男声和女声的区别也很明显。响度是人耳判别声音由弱到响的强度等级，就是通常所说的音量，即人耳感觉到的声音大小。它与声音信号的振幅、频率和声压级有关，当然还依赖于人耳距离声源的距离，响度的单位是分贝（d B）[57,58]。从数学的角度出发，决定正弦波的有频率和幅值以及周期性，三个量的不同组合就会产生给人感觉不一样的声音信号，因此音色是声音具有辨识度的重要特征，不能单独看某一个量的变化产生什么样的声音，而是要看它们组合在一起形成什么样的声音，所以通常人们可以根据声音判断具体声源是什么，人声、乐器还是雷电、汽笛等。
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2.2 压电材料及性能参数分析
本文研究的二分频圆形压电振子骨传导听觉装置的声振动元件是压电陶瓷，因此有必要对压电材料的逆压电效应、性能参数等进行深入分析和研究，便于合理的选择。经过几十年的发展至今，压电材料不断更新换代，逐渐向性能好、价格优、制造简单等方向发展。压电陶瓷材料不仅应用于日常生活中如点火器、电子打火机等，还应用于医学上进行超声检查、工业上的金属无损伤探查及特殊材料焊接、切割等领域，国防、航天事业上的声纳系统及航天陀螺等领域也应用广泛[71-78]。压电材料具有“受外力发生变形并会产生电荷的压电效应”；也具有“在电场作用下会发现形变的逆压电效应”，而且两者是可逆的，其形变的大小与电荷的多少成正比，基于压电材料的这个逆压电效应，被广泛用来作为各种驱动器的核心元件，根据驱动能力要求改变外电场的强弱便可实现，本文提出的二分频圆形压电式骨传导听觉装置的声振动系统就采用了双晶片压电振子，覆盖的两层压电陶瓷极化方向相反。压电陶瓷薄晶片自身较硬而脆且机械性能不好，变形引起的位移较小，作为驱动器来说驱动能力较弱，应用时通常将其附着在具有良好弹性的金属基板上构成压电振子，这种金属基板还需要有良好的加工工艺性，因此针对不同应用场合出现了单晶片振子、双晶片振子、层压复合板振子、压电叠堆等形式的压电驱动器，本文提出的听觉装置，需要压电振子驱动力强、响应快，同时要有较高的灵敏度、高的响度和良好的频率响应，因此在选择压电陶瓷晶片时要选择介电常数?高、机械品质因数 Qm低、机电耦合系数 K 高、机械品质因数 Qm 低的材料，确保装置振动系统有较宽的响应频率范围，并保证较高的机-电能量转换效率[81]。综合考虑以上因素，决定本装置选用 PZT-5H系列作为压电陶瓷晶片材料，其性能参数见表 2.2，并采用压电双晶片结构作为本听觉装置的声振动元件，金属基板材料采用铍青铜。
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第 3 章 声振动系统理论建模与仿真.... 27
3.1 压电振子的理论建模分析..... 27
3.2 圆形压电振子的仿真分析........ 30
3.3 尺寸参数对压电振子输出位移的影响....34
3.4 压电振子尺寸参数对其基频的影响.......... 36
3.5 带传导柱的压电振子仿真分析........ 38
3.6 本章小结.....40
第 4 章 二分频圆形压电振子骨传导听觉装置样机制作....43
4.1 二分频圆形压电振子骨传导听觉装置声振动系统设计........43
4.2 听觉装置外壳设计.....46
4.3 其他设计及处理.........46
4.4 二分频圆形压电振子骨传导听觉装置的整体结构........47
4.5 对振动系统的耦合影响的分析........ 48
4.6 本章小结.....48
第 5 章 听觉装置二分频工作原理及放大电路设计....51
5.1 听觉装置的二分频工作原理.... 51
5.2 带放大的电子分频电路设计.... 53
5.3 听觉装置放大电路的仿真和实验测试....55
5.4 本章小结.....59
第 6 章 二分频圆形压电振子骨传导听觉装置实验研究
二分频圆形压电振子骨传导听觉装置的设计目的是提高听障人士的听力水平，为了检验听觉装置的听力补偿能力，结合现有的实验条件，分析对比常用听力补偿效果测试系统，制定适合听觉装置实验目的的实验方法，进行真人临床实验测试。
6.1 助听装置听力补偿效果评估方法分析
由于目前针对本文提出的听觉装置还没有统一的性能测试标准，只有对助听器或人工耳蜗植入等助听手段听力补偿效果的评估体系和评估方法[138-140]，为了更好地通过临床实验验证听觉装置的听力补偿水平，必须对以上的评估体系进行研究并结合本次实验的目的制定适合听觉装置的实验方法。如图 6.1 所示为正常人的听阈范围，图中上下两条曲线围成的区域，对于某个频率的声音信号，人的听觉系统都有一个刚好能感受它的最小振幅，把把每个最小振幅连线，形成了图中最下边的曲线，叫对应频率的听阈值；而人耳也有最大能承受的声音振幅，把这些振幅值连线便是图中最上边的曲线，称为对应频率的最大可听阈。两条曲线所围面积称为听域。图中通常语言区的频率范围大约在 200Hz~3000Hz之间，声音强度在 60d B~110d B 之间，这也正好落在人耳比较敏感的信号范围(1000~3000Hz 之间)，根据该区域形状也被称为听力香蕉图。无论是佩戴助听器还是进行人工耳蜗手术，目的都是提高人的听力水平，实现有效的听力补偿，而听力只是人能听到声音的能力，往往佩戴者都要经过一段时间的术后康复训练才能有良好的听觉能力，这包括对声音的察知能力（判断有没有声音）、分辨能力（判断声音是否相同）、识别能力（掌握声音特性）和理解能力（将声音和含义有机结合），所以评价助听器或人工耳蜗的助听效果最终要看佩戴者的言语识别及理解能力，具体的听觉康复评估标准如表 6.1 所示，听觉康复分四个级别，只有测试者对频率范围从 250Hz 到 4000 Hz 的声音信号感知并经过言语评估识别率达到 90%以上时，助听效果才为“最适”的状态，此时达到一级听觉康复级别，由图 6.1 的听阈曲线图可知这个频率范围进入了言语的“香蕉图”；一般情况下，言语识别率达到 70%以上才能具有较好的口语沟通和交流能力，而如果康复级别在四级，沟通时就需要通过看话来帮助对言语的理解了。
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结论
本课题结合高等学校博士学科点专项科研基金项目“分频式压电骨传导助听装置的研究”和教育部高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目“驱动测试控制功能一体化新型压电驱动机构研究”，充分利用压电材料的逆压电效应和声音的骨传导原理，研制了二分频圆形压电振子骨传导听觉装置，对听觉装置的整体结构进行了设计并制作了样机，还设计了听觉装置的分频放大电路，并进行了临床真人实验测试。本文的主要研究工作及结论如下：
1．提出了采用两种支撑方式压电振子串联组成听觉装置的振动系统的设计方案。利用 ANSYS 软件对周边固支和中间固支两种支撑方式下的圆形压电振子进行静力学分析和模态分析，找到两种压电振子的一阶谐振频率，确定了周边固支的压电振子对高频信号敏感，中间固支的压电振子对低频信号敏感。用解析法建立了振动系统的数学模型，推导出其固有振型以及影响振幅大小的参数并验证了振动系统设计方案的合理性。以中间固支圆形压电振子为例，通过仿真分析明确了压电振子的直径、厚度以及传导柱的尺寸参数对压电振子输出位移和基频的影响，得出结论：压电振子直径越大，输出位移越大，基频越低；压电振子厚度越大，输出位移越小，基频越高；传导柱结构不影响压电振子对信号的传递。
2．研制了二分频圆形压电振子骨传导听觉装置样机。从功能性和实用性角度出发，完成了二分频圆形压电振子骨传导听觉装置的整体设计，包括周边固支的高频压电振子具体尺寸及其支撑架和传导柱的结构尺寸设计、中间固支的低频压电振子的尺寸确定及其支撑柱和传导柱的结构尺寸设计，以及装置的上盖、底座、导线孔、吸声处理等其他结构的设计。
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参考文献（略）