據麥姆斯咨詢報道，近日，韓國技術教育大學（Korea University of Technology and Education）的一支研究團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發表了基于蒼蠅仿生學的壓電MEMS定向麥克風（DM）的毫米級陣列的最新論文，該新型定向麥克風陣列可應用于三維聲源定位。
奧米亞棕蠅（Ormia ochracea）是一種來自寄蠅科的非凡的蒼蠅，具有不同尋常的聽覺機制。如圖1a所示，這種蒼蠅的耳朵，也被稱為鼓膜，在空間上相隔約450-520?μm并從中間耦合。該蒼蠅耳朵間的“橋梁”從兩側支撐鼓膜，并允許其根據傳入的聲音進行振動。鼓膜的振動會產生雙耳間強度差（IID）和雙耳間時間差（ITD），以定位傳入的聲音。由于這些鼓膜是內部耦合的，鼓膜的振動形成兩種模式：搖擺模式，鼓膜顯示異相狀態；彎曲模式，利用鼓膜的同相狀態，如圖1b所示。在這些模式下，IID從1dB提高到12?dB，ITD從 1.5μs提高到60?μs。改進的IID和ITD使這種蒼蠅在5KHz頻率時的30°定向范圍內達到±2°的聲源定位（SSL）精度。
圖1 蒼蠅仿生學和常規定位麥克風的工作原理示意圖
在進一步的研究中，Miles等人報道了這種蒼蠅鼓膜的彈簧質量阻尼器（SMD）模型，其中每個單獨的鼓膜用質量進行量化，并由柔性梁支撐。在臨界阻尼下，他們報道了靠近入射聲源的鼓膜相對于最遠的鼓膜會產生相位差；因此，作用力，即每個鼓膜的面積乘以施加的聲壓，對于兩個鼓膜來說是相同的，但相位差會影響IID和ITD。Miles所在的研究團隊擴展了SMD模型的適用性，并報道了SMD模型與立體聲配置中的常規定向耦合器之間的對比研究。在立體聲配置中，兩個全向麥克風（OM1和OM2）需要放置在與應用的聲音波長相匹配的間距（UCd）中，如圖1c所示。此外，這個間距的變化會對定向性產生負面影響。除了改進的定向靈敏度外，這種基于蒼蠅仿生學的定向麥克風在縮小尺寸的情況下將內部噪聲降至17.9?dBA。基于蒼蠅仿生學的定向麥克風的這些優勢在實現各種聲學應用方面受到了極大的關注。
Gibbons等人利用Miles等人于1995年提出的SMD模型，報道了首款受奧米亞棕蠅耳朵為啟發的用于光學傳感的MEMS定向麥克風。然而，控制擠壓膜阻尼（SFD）是SMD模型的主要挑戰。繼Pandey等人之后，Ishfaque等人報道了一種創新的方法來控制SFD并實現臨界阻尼，而無需進一步調整和優化。然而，背面板的存在是限制機械振動的設計約束。為了克服這個問題，人們開展了無背面板配置的研究工作。無背面板配置帶來了兩個額外的優勢：幾乎為零的SFD和余弦相關定向性。余弦相關定向性可用于定位傳入的聲音，因為它提供了相對于聲源位置的最大和最小波瓣。
然而，每個基于蒼蠅仿生學的MEMS定向麥克風的定向傳感被限制在±90°。因此，如果到達耦合區域的聲音不能假設為零，則這種類型的定向麥克風提供了一種拋物線形的定向傳感，而不是雙定向性的。此外，對法線軸的唯一相關性會催化噪聲；因此，基于單個奧米亞棕蠅仿生學的MEMS定向麥克風的SSL精度與該蒼蠅鼓膜的SSL精度不一致，誤差率在±6.31°～±7.05°之間，比該蒼蠅鼓膜低約±5°。為了克服這個問題，人們使用均勻分布的定向麥克風對/陣列來提高定向傳感能力和SSL精度。為此，人們開展的之前的研究工作包括具有120°相位差的雙傳感器、四個正交連接的振膜、三個具有120°相位差空間旋轉的圓形振膜以及一對具有90°相位差的圓形定向麥克風。然而，這些方法僅限于二維SSL，因為它們分別只關注X–Y、X–Z或Y–Z中的任一平面，而不是同時理解X、Y和Z軸。二維SSL在應用中的選擇有限，這表明三維SSL的創建和證明將是該領域的一項創新。
圖2 基于蒼蠅仿生學的壓電MEMS定向麥克風陣列
本論文重點研究了由三個受奧米亞棕蠅鼓膜啟發的壓電MEMS定向麥克風組成的毫米級陣列，其中它們的面內定向性被視為證明三維SSL的有用的信息。在該陣列中，基于蒼蠅仿生學的壓電MEMS定向麥克風以120°角旋轉布置；因此，三個定向麥克風中的六個振膜在方位平面上以±30°的間隔，從0°到360°以六個不同的角度保持相對于聲源的法向軸布置。此外，應用的聲音的余弦相關水平分量為Z軸定向傳感提供了有用的信息。作者們首先對整個陣列進行分析仿真，然后在消聲室中進行實驗測量。兩種測試結果均符合要求，三維SSL的角分辨率在法向軸上為±2°。該陣列在方位平面上的分辨率為±1.28°，?當聲音從高程平面變化時，它的分辨率為±4.28°。這項研究工作揭示了以下創新點：（1）首次使用受奧米亞棕蠅耳朵啟發的壓電MEMS定向麥克風實現三維SSL；（2）基于壓電傳感技術的定向麥克風的完整物理模型；（3）迄今為止最高的SSL精度。
圖3 基于蒼蠅仿生學的壓電MEMS定向麥克風陣列在10 kHz頻率和1 Pa聲壓下的三維聲源定位性能
論文信息：
Rahaman, A., Kim, B. An mm-sized biomimetic directional microphone array for sound source localization in three dimensions. Microsyst Nanoeng 8, 66 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00389-9
