基于壓電骨傳導(dǎo)原理的助眠裝置設(shè)計研究

馬惜平,白 譽*,韓 兵**,劉 榮*,李艷琳*,董 彪

(1.北華大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,吉林 吉林 132021;2.吉林市熱力集團有限公司,吉林 吉林 132002)

已知人類能夠通過顱骨的振動接收到音頻信號[1],且由2020年1月刊登在《世界睡眠醫(yī)學(xué)雜志》的“頻率醫(yī)學(xué)睡眠對慢性失眠癥的治療作用”中的研究得知,當(dāng)大腦接受價值頻率相差10 Hz左右的聲波時,會達到入眠的最佳條件。實際應(yīng)用中表明骨傳導(dǎo)頻率共振對調(diào)節(jié)慢性失眠癥患者腦電波具有良好效果[2],保障其身心平衡,舒緩心理壓力,緩解肌肉緊張,讓使用者快速進入睡眠狀態(tài),并促進使用者深度睡眠。以助聽為主要目的骨傳導(dǎo)技術(shù)不僅僅能通過耳朵獲得聲音,也為佩戴者提供解放雙耳良好的體驗。如果能夠設(shè)計壓電骨傳導(dǎo)助眠模塊,實現(xiàn)無需佩戴耳機就能獲得聲音的效果,同時將聲波頻率調(diào)節(jié)到合理區(qū)間,使大腦接受價值頻率相差10 Hz左右,產(chǎn)生助眠聲波,可解決目前助眠裝置價格高昂,治療周期長等問題。

1 助眠裝置組成

骨傳導(dǎo)是以人體骨骼作為介質(zhì),將聲音轉(zhuǎn)化為不同頻率的震動,在不經(jīng)過外耳道和骨膜的情況下,通過耳小骨的震動,將聲音經(jīng)過內(nèi)耳道,直線傳入到大腦聽覺神經(jīng)中,圖1為結(jié)合Soildworks建立的3D骨傳導(dǎo)助眠裝置的總體示意圖,裝置主體采用彈性金屬,當(dāng)人體躺下時彈性金屬產(chǎn)生如圖所示彎折包裹用戶頭部,保證骨傳導(dǎo)與用戶頭部接觸,同時播放預(yù)設(shè)助眠音頻文件。

圖1 助眠裝置主體圖

其中骨傳導(dǎo)核心部件為復(fù)合壓電振子,通過傳導(dǎo)柱傳給頭骨使人能感知聲音,設(shè)計了如圖2所示裝置,采用與壓電振子形狀相同的圓形結(jié)構(gòu)為上蓋,既可隔音又可使傳導(dǎo)柱穿出連接導(dǎo)線[3],輸出信號。底座隔音的同時又可以支撐壓電振子。下殼留有小孔用以引出驅(qū)動信號的導(dǎo)線,最后在選取外殼時考慮到佩戴品不宜過重,同樣也要起隔音作用,減少漏音,可以有效傳導(dǎo)振動信號,因此采用有機玻璃(PMMA)。

圖2 壓電骨傳導(dǎo)方式結(jié)構(gòu)圖

2 復(fù)合壓電振子設(shè)計

2.1 壓電陶瓷晶片材料選擇

為了設(shè)計可以產(chǎn)生一定幅值并結(jié)合差拍技術(shù)的壓電振子,要選擇能夠產(chǎn)生適合助眠頻率的壓電陶瓷晶片,并進行不同方向疊堆實現(xiàn)差拍復(fù)合壓電振子。壓電陶瓷晶片的壓電效應(yīng)成為進行能量轉(zhuǎn)換和信號傳遞的重要載體,但它的缺點是機械性能偏低,解決方法是將壓電陶瓷晶片附著在金屬基板上,形成壓電振子,以壓電振子的形式發(fā)揮驅(qū)動換能作用。為綜合考慮材料壓電效應(yīng),通過對比介電常數(shù)εr、d31模式和d33模式、機械能與電能的耦合效應(yīng)關(guān)系常數(shù)kp,由tanδ介電損耗正切角考查能量損耗程度,如表1所示,本裝置選用PZT-5H系列作為壓電陶瓷晶片材料,并采用壓電雙晶片結(jié)構(gòu)作為本聽覺裝置的聲振動元件[4],金屬基板采用理想的高導(dǎo)、高強彈性材料鈹青銅。

表1 常用壓電陶瓷的壓電性能

2.2 壓電振子的工作方式選擇

壓電振子在頻率復(fù)雜的正弦信號疊加而成的聲音信號的激勵下產(chǎn)生振動,有四種基本振動模式,如圖3所示,分別為LE模:垂直于電場方向的伸縮振動;TE模:平行于電場方向的伸縮振動;FS模:垂直于電場平面內(nèi)的剪切振動;TS模:平行于電場平面內(nèi)的剪切。通過這四種振動模式的不同組合可以實現(xiàn)不同目的,參考人工植入中耳結(jié)構(gòu),本設(shè)計首先采用LE模實現(xiàn)振動原件的彎曲變形,同時為增強聽覺裝置驅(qū)動力,增高了壓電疊堆層數(shù)采用TE模式振動使其厚度方向發(fā)生伸縮變形。

圖3 壓電振子基本震動模式

2.3 復(fù)合壓電振子設(shè)計與助眠的實現(xiàn)

當(dāng)聲音頻率控制在8～12 Hz(α波及θ波)的范圍時,使用者的腦波會逐漸和聲音的頻率相同,持續(xù)使用一段時間后,使用者的腦波也將慢慢地進入放松(α波)狀態(tài)或入眠(θ波)狀態(tài)[5],但與音樂發(fā)生器不同的是,這里的聲波是低頻聲波,人的骨傳導(dǎo)敏感聽域為800～2 000 Hz區(qū)間,難以加載于大腦有效形成相應(yīng)的腦波引導(dǎo)[5],解決這一問題的辦法之一就是運用差拍技術(shù),例如同時給左耳1 000 Hz、右耳1 010 Hz的聲波,被大腦感應(yīng)到,有效地對大腦實施加載,從而使EEG也向10 Hz的θ模式轉(zhuǎn)變。利用壓電陶瓷設(shè)備,通過骨骼和神經(jīng)傳導(dǎo)聲波,產(chǎn)生使人類感受深刻且舒暢的生物學(xué)共振頻率激活大腦中樞,產(chǎn)生快速深度的放松和理療作用[6]。通過不同音樂類型的搭配,可以有效緩解失眠的問題。

基于壓電雙晶片原理,本設(shè)計的復(fù)合壓電振子如圖4所示具有較大驅(qū)動力,復(fù)合壓電由上下兩片壓電陶瓷中夾一片彈性金屬基板組成,金屬基板一端連接導(dǎo)線接向電源一極,上下兩側(cè)壓電陶瓷連接后再連向電源另一極即為并聯(lián)型振子,僅將上下兩側(cè)壓電陶瓷連接到電源兩端為串聯(lián)型振子,其中箭頭表示極化方向,對相同的源電壓對壓電振子施加電場,對于并聯(lián)型壓電振子在每個振子厚度之間,而串聯(lián)大于兩個振子厚度之間,因此并聯(lián)型振子所施加的電場強度要大于串聯(lián)型振子,所以在壓電振子的使用中,并聯(lián)型壓電振子可以獲得較大的變形。

圖4 并聯(lián)型壓電振子

3 復(fù)合壓電振子仿真

壓電振子對聲音信號的頻率響應(yīng)能力取決于輸入信號和系統(tǒng)自身參數(shù),本設(shè)計所采用的由中部固定并支撐圓形壓電振子[7],彎曲形變都較理想,可以通過傳導(dǎo)柱進行信號傳遞。為了保證用戶良好的體驗感,結(jié)合實際設(shè)計情況選取建模條件為銅基板直徑為30 mm,厚度為0.2 mm,壓電陶瓷直徑為25 mm,厚度為0.2 mm的雙晶片壓電振子,網(wǎng)格劃分直徑為1×10-3mm。邊界條件:中間固支形式的圓形壓電雙晶片中心固定,采用壓電雙晶片并聯(lián)方式對壓電雙晶片施加直流15V恒定電壓載荷。

由于其邊界和應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性,采用常規(guī)的試驗方法對其進行分析,不但耗費時間,而且還會產(chǎn)生強烈的局部效應(yīng)。所以,運用電腦模擬技術(shù)來分析本論文研究的聲學(xué)元件所使用的復(fù)合式壓電振動器[8]?？紤]到作為發(fā)聲元件的壓電振子具有顯著機電耦合特性,因此利用ANSYS軟件中三維物理耦合場元素SOLID5對其進行網(wǎng)格分割,SOLID5單元可用于不同物理場的耦合問題,當(dāng)應(yīng)用于壓電分析時,SOLID5具有大變形能力,因此對該狀態(tài)下的壓電振子進行ANSYS分析。

以下是仿真分析的特定的模型參數(shù):

ANSYS的模態(tài)分析見圖5。

(a) 1階模態(tài)

在日常語言頻率范圍即3 kHz以內(nèi),中間固定情況下的壓電振子有六階諧振模態(tài),對本設(shè)計的前6階模態(tài)及諧振頻率進行比較分析,結(jié)果如表2所示。除6階模態(tài)外,幾種陣型的變形都較理想,對聲音信號響應(yīng)能力較強且仿真的四階和五階模態(tài)頻率恰好相差8 Hz,因此通過兩固定頻率聲音信號使左耳壓電振子為4階模態(tài),右耳壓電振子為5階模態(tài)即可達到助眠效果。且該兩種振型都能實現(xiàn)彎曲變形,因此可以通過壓電振子的傳導(dǎo)柱進行聲音信號的傳遞。

表2 壓電振子六個階次模態(tài)比較

4 實驗測試

考慮到復(fù)合壓電振子受力便會有初始變形導(dǎo)致壓電振子響應(yīng)波形失真,該裝置通過液態(tài)環(huán)氧樹脂膠黏劑黏結(jié),且耐沖擊,耐震,適合本裝置。利用波形為正弦波的最簡單聲音信號純音進行實驗,中間固支方法及頻率響應(yīng)特性折線見圖6,給予相同電壓與不同頻率信號的壓電振子,利用音頻分析儀采集振動信號測得壓電振子產(chǎn)生的加權(quán)響度,隨著激勵頻率的增大響度逐漸變大[10]。同樣可得此次壓電振子其振動模態(tài)有六階,有多種搭配方式可以實現(xiàn)連接相同電壓并給予如模擬所示不同模態(tài)下的共振頻率以達到相差8～12 Hz頻率差的目的,以此便可實現(xiàn)助眠。

5 結(jié) 論

本文助眠音頻利用差拍技術(shù),研究開發(fā)了復(fù)合壓電振子產(chǎn)生骨傳導(dǎo)助眠聲波核心器件,利用ANSYS軟件對PZT-5H系列型號壓電陶瓷晶片進行模態(tài)仿真分析,選擇出四五階次的模擬諧振振動頻率,確定了適合輔助睡眠的8 Hz的參數(shù),通過不同頻率的信號,進行了頻率響應(yīng)實驗,驗證實現(xiàn)共振頻率相差8～12 Hz的效果,利用此設(shè)備即可產(chǎn)生使人類感受深刻且舒暢的生物學(xué)共振頻率激活大腦中樞,使人快速深度地放松及產(chǎn)生理療作用,從而實現(xiàn)助眠效果。