超磁致伸缩材料在骨传导听觉装置上的应用.pdf

第 34 卷 第 2 期 电子元件与材料 Vol.34 No.2 2015 年 2 月 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS Feb.2015 超磁致伸缩材料在骨传导听觉装置上的应用 赵正龙，何忠波，李冬伟，薛光明，杨朝舒（军械工程学院 车辆与电气工程系，河北 石家庄 050003）摘要:超磁致伸缩材料（简称 GMM）是制作低频换能器的理想功能材料。介绍了 GMM 的磁致伸缩机理及其本身特性；与传统磁致伸缩材料以及当前广泛应用在骨传导听觉装置上的电磁和压电材料进行了分析比较；综述了GMM 在骨传导听觉装置上的应用现状；重点介绍了骨传导发音振子的设计构想，并且对超磁致伸缩式骨传导听觉装置在军事通信上的应用进行了展望。关键词:超磁致伸缩材料；功能材料；综述；应用现状；骨传导听觉装置；振子；军事通信 doi:10.14106/ki.1001-2028.2015.02.001 中图分类号:TB381 文献标识码:A 文章编号:1001-2028（2015）02-0001-06 Application of giant magnetostrictive material in bone-conduction hearing device ZHAO Zhenglong,HE Zhongbo,LI Dongwei,XUE Guangming,YANG Zhaoshu(Department of Vehicles and Electrical Engineering,Ordancel Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)Abstract:The giant magnetostrictive material(GMM)is an ideal functional material for low frequency transducer.The basic properties of GMM are introduced and the magnetostrictive phenomenon is explained.The material is compared with traditional magnetostrictive material and electromagnetism material,piezoelectric material which are both widely applied in bone-conduction hearing device.The present application status of bone-conduction hearing device is overviewed.Particularly the design of the GMM pronunciation vibrator is introduced and the future that bone-conduction hearing device with GMM will be applied in military communication is also looked far ahead.Key words:giant magnetostrictive material;function material;review;application status;bone-conduction hearing system;vibrator;military communication 磁致伸缩材料是指具有磁致伸缩特性的材料，即当材料受到变化的外加磁场作用时，其长度和体积会出现相应地变化，传统的磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数s可以达到 106105量级，而超磁致伸缩材料（Giant Magnetostrictive Material，简称GMM）的s比传统材料大约 80 倍1。GMM 作为一种高效功能材料，具有许多优异的性能，它的应变量大、输出力强、响应速度快，并且能量密度高2-3，但是因为材料成本较高，目前多应用于小型、微型和精密控制的换能器。在超磁致伸缩式骨传导听觉装置的应用研究方面，国内外的产品一方面性能不佳，音质不够理想；另一方面成本太高，消费者难以承受，因此最终多停留在实验阶段，还没有形成商品化4。尤其是军事通信用全骨传导听觉装置还面临着功耗高、低频响应差等突出问题。因此研究基于 GMM 的骨传导听觉装置对打破国外封锁、提高战场环境下的通信品质具有十分重要的意义。1 GMM 的基本特性 1.1 磁致伸缩物理效应 磁致伸缩是一个可逆过程，实现了材料的机械形式和磁性形式之间的能量转换，图 1 是与材料磁致伸缩效应相关的各种物理效应的示意图5。综综 述述 收稿日期：2014-12-04 通讯作者：赵正龙 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51275525）作者简介：赵正龙（1991），男，山东新泰人，研究生研究方向为机电液集成系统控制技术，E-mail:。网络出版时间：2015-01-27 12:47 网络出版地址：http:/ 2 赵正龙等：超磁致伸缩材料在骨传导听觉装置上的应用 Vol.34 No.2 Feb.2015 图 1 磁致伸缩效应5 Fig.1 Magnetostrictive effects5 其中最易理解的是 Joule 效应，指的是处于变化磁场中的铁磁性材料会发生长度的变化，主要用于磁致伸缩致动器。磁场消失后，材料会恢复到初始状态。这种径向的伸缩与所施加的磁场强度成比例，因此被用在执行机构的多个方面。另一个应用比较广泛的是磁致伸缩的 Villari 效应，指的是材料在受到机械力作用的情况下，对其施加一定强度的磁场时，流经材料的磁通密度会发生改变，并且与所施加的机械力成一定比例，该效应是可逆的，被应用在磁致伸缩传感器上。E 效应指的是材料受到磁场作用后，其杨氏模量会发生相应的变化，且 GMM 的E/E5，该效应被应用于可调振动和多频声纳中。Wiedemann 效应与 Joule 效应的物理背景相似，但材料产生的并非是线性张力或压力，而是导致铁磁性材料发生扭转位移的剪切应力。Wiedemann效应的逆效应被称为Matteuci效应，即扭转铁磁性材料将导致其磁场环境发生改变，该效应能通过引入永磁偏置磁场得到改善，并被应用于传感器中。此外，Barret 效应指的是材料在磁场环境下体积会发生变化的情况，其逆效应为 Nagaoka-Honda 效应，指的是材料体积的变化将引起其磁化状态的改变6。一般的超磁致伸缩换能器都需要获得较大的输出力和输出位移，因此 Joule 效应及其逆效应对材料的工程应用起着非常重要的作用。1.2 GMM 的优良性能 与传统的磁致伸缩材料和压电陶瓷材料(PZT)相比，GMM 具有以下优势7-8：（1）产生的应变量很大，单就磁致伸缩应变的值而言，它要比纯 Ni 和压电材料分别大 30 倍和35 倍；（2）应变产成的输出力很大，负载能力强，可达到 220800 N；（3）磁机耦合系数 K33=0.70.8，明显高于压电陶瓷和其他材料；（4）材料弹性模量随磁场的变化是可调控的；（5）响应时间非常短，仅为 610 s；（6）频率特性好，频带宽，在 05 kHz 范围内转换成机械能的能力优于任何材料；（7）稳定特性好、可靠性非常高，磁致伸缩性能不会因为材料长时间使用而发生变化；（8）无疲劳、无过热失效问题。2 GMM 在骨传导听觉装置上的应用 传统的战场语音通信都是通过气传导的方式，为了准确接收上级指令而采用耳塞和耳机一体化设计，造成了语音信号接收与周围环境感知之间的矛盾9。骨传导技术不直接阻塞噪音传播通道，而是通过发音元件振动颅骨，直接将声波传递给内耳，无需外耳和中耳的参与，这就很好地解决了上述矛盾。骨传导听觉装置根据发声元件的不同主要分为电磁式、压电式和超磁致伸缩式10三种。与电磁材料和压电材料相比，GMM 具有输出力大、输出位移大、工作频带宽、低频响应好、磁机耦合系数大、能量密度高和居里温度高等特点，结合数字信号滤波技术，开发以 GMM 为核心元件的超磁致伸缩式骨传导听觉装置具有良好的实现价值。下面将主要从 GMM 在扬声器的驱动器以及头部听觉装置发音振子上的应用两个方面进行阐述。2.1 超磁致伸缩式平板扬声器 扬声器可以将电能转换为声能，在很多领域比如消费电子和声学技术等方面居于非常重要的地位11。传统扬声器采用动圈式结构设计，利用电磁效应激励音圈，再驱动锥形音盆振动传递声音，这样的发音方式导致了扬声器不可平板化且通频带很窄，幅频特性很差。平板扬声器是由一个或多个驱动器附着在一块平面板（扬声器振膜）的特殊位置上，当驱动器中的线圈通过音频电流时，驱动器便会驱动平面振动板产生波浪式的振动将声音传播出去12，它的出现达到了目前扬声器领域对音箱宽指向性、宽频带以及亟需小型化等特殊要求13。超磁致伸缩式平板扬声器使用 GMM 制作驱动器，充分发挥了 GMM 的输出频率响应特性好、速度快和频带宽的良好特性。1969 年 9 月，英国 Verity集团下属的 V 实验室首次推出了 NXT 平板扬声器，在 1999 年的 CES 大展上，许多采用 NXT 平板扬声器的产品如雨后春笋般大量涌现出来，其中曾风靡一时的“音响虫”就是以 GMM 为核心元件设计的一类音响产品14。目前的平板扬声器多采用单个驱动器设计，导H B S Q E,v Villari 效应 Joule 效应 磁化强度 磁场 磁导率应力 应变 弹性（杨氏模量，泊松比）B=dT+TH S=SHQ+dH 第 34 卷 第 2 期 3 赵正龙等：超磁致伸缩材料在骨传导听觉装置上的应用 致扬声器的输出功率小、音色差，杭州电子科技大学的王玉生等15设计了散布式的多点配置平板扬声器，对该扬声器的驱动器进行了研究，重点对多点配置原理进行了分析，并对如何选择音板的材料进行了讨论。图 2 所示是他们设计的超磁致伸缩驱动器的结构图15。1音板；2垫片；3第 1 偏置磁铁；4输出器；5骨架；6第 2 偏置磁铁；7GMM 棒；8线圈 图 2 超磁致伸缩驱动器15 Fig.2 Giant magnetostrictive actuator15 该结构使用两个偏置磁铁组成偏置磁场，这不仅有效地约束了由电磁线圈产生的磁力线，从而增强其磁场强度，保证较大的输出力，而且也使骨架内部的磁力线更加均匀。图 3 是他们设计的超磁致伸缩平板扬声器的结构图，主要采用了双驱动器线性阵列方式和前后双音板。1固定支撑棒；2预紧螺栓；3非磁性垫片；4超磁致伸缩音频驱动器；5音板 图 3 超磁致伸缩平板扬声器15 Fig.3 Giant magnetostrictive flat panel speaker15 台州学院的罗良进等16利用 GMM 做了一款三激励振子分布模式扬声器。与单点激励扬声器的比较结果表明，采用该模式的扬声器具有更宽的带宽和更好的频率响应。同时，他们也提出了一种驱动器的结构，并给出了具体的结构设计参数，图 4（a）是该驱动器的结构图16。（a）超磁致伸缩驱动器结构图 （b）三激励振子陈列示意图 图 4 三激励振子分布模式扬声器16 Fig.4 The speaker in the mode of three incentive vibrators16 该驱动器在 GMM 两端和中间放置了两组偏置磁铁，并利用预紧螺钉调节对 GMM 棒的预紧力，有效地增加了 GMM 的磁致伸缩量。杭州电子科技大学的王霞等17则针对超磁致伸缩驱动器输出位移不够造成的转换效率不高的问题，提出了一种新的理念即谐振式超磁致伸缩驱动器，该驱动器融入了音叉的结构设计，放大输出位移的同时也用音叉校正驱动器的频响曲线，从而增强扬声器响度。图 5 是该驱动器的机械结构图17。1音叉；2垫片；A-超磁致伸缩驱动器；3超磁致伸缩棒；4永久磁铁；5线圈骨架；6线圈 图 5 谐振式驱动器17 Fig.5 Resonant driver17 在该结构中，一方面音叉在驱动器振幅的线性放大上起到了直接作用，修正了驱动器频响的不足；另一方面音叉及垫片双臂的夹紧力给 GMM 棒施加了轴向预紧力，同样提高了驱动器的位移输出。北京理工大学的王睿等18比较了电动式和超磁致伸缩式驱动器在平板扬声器上的应用，分析了驱动器参数对平面扬声器的影响，图 6 即为他们所用来分析的驱动器结构图。图 6 超磁致伸缩平板扬声器驱动器18 Fig.6 Giant magnetostrictive flat panel driver18 该结构在音板和激振器之间加装了悬挂装置，使系统的基频谐振由音板质量和弹簧阻尼共同决定，从而降低了谐振频率，保证扬声器能够在低频区域获得更高的响度。杭州电子科技大学和台州学院的周强和金才积等19则对超磁致伸缩平板扬声器的阻抗特性进行了研究，论证了超磁致伸缩平板扬声器在阻抗特性上并没有动圈式扬声器所具有的低频谐振峰，并且其阻抗的频率变化类似于高损耗电感。针对超磁致伸缩骨传导器件在中低频时音响特性较差的问题，吉林建筑大学的姜广军和中科院的莫喜平以“音响虫”驱动薄板为研究对象，通过对其激1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 123456A悬挂 振动板 金属棒 预压弹簧盖板 壳体 永磁体线圈 GMM 棒激励振子外壳 线圈骨架固定螺钉 预紧螺钉 第一偏置磁铁第二偏置磁铁第三偏置磁铁预压弹簧 线圈骨架 线圈 GMM 棒 激励振子 4 赵正龙等：超磁致伸缩材料在骨传导听觉装置上的应用 Vol.34 No.2 Feb.2015励板状物体的有限元建模分析，得出当超磁致伸缩驱动器激励板状物体，尤其是声速较高的“硬”材料时，中低频段的音质都比较差，若要改善中低频段的音响特性就必须选择声速较小的塑料、树脂等“软”材料薄板作为激励平板，并合理选择薄板的尺寸和边界条件20。2.2 超磁致伸缩头部听觉装置 GMM 在头部听觉装置上的应用重点在于超磁致伸缩振子的设计及试验研究，振子是骨传导听觉装置的核心部件，能实现电-磁-机械能的转换，从而将音频电信号转化为自身振动信号，进而通过颅骨直接传递到人的内耳实现音频传递21。法国萨吉姆公司研制的 FELIN（装备与通信一体化步兵）单兵系统采用了基于 GMM 技术的全骨传导式耳机系统，包括骨传导式麦克风和骨传导式监听装置，可使士兵在最嘈杂或狂风肆虐的环境下依旧能进行通话，通话时无需大声说话，而且适用于水中通信，对于特种作战意义重大，并已经历了实际战场的考验（法国陆军在东非战场中使用了该装置），该单兵系统的通信头盔及其内部结构见图 7，遗憾的是该系统造价昂贵，且对我国实行技术封锁。图 7 WQ-8 型单兵头盔（集成送受话器）Fig.7 WQ-8 individual helmet 日本 TEAC（第一音响）公司于 2007 年发布了其新品耳机HP-Filltune，与以往的头骨传导耳机无法很好地传递高音区域声音不同，该耳机采用了超磁致伸缩式的转换器，性能优异，可以有效地传达高音，并且它不仅可以减少正常人使用耳机听音时对鼓膜的损害，而且还能使有轻微听觉障碍的人再次享受音乐。杭州电子科技大学的王晓剑等4分析了 GMM的工作特性，设计了一种以 GMM 为主要元件的发音头盔，并对该头盔的设计构想和主要结构，包括如何将驱动器固定在头盔上等进行了阐释。图 8 即为他们所设计的驱动器的结构图。该结构被放置在头盔顶部，通过输出杆顶紧帽壳，带动帽壳振动传声。但是他们并没有提出具体的固定结构来固定驱动器与头盔，并且关于不同的固定位置对发音效果的影响也没有进行详细的探讨和实验。1GMM 棒；2永久磁铁；3线圈骨架；4激励线圈；5后端盖；6螺钉；7驱动器外壳；8碟型弹簧；9输出杆 图 8 超磁致伸缩驱动器结构图4 Fig.8 Structure diagram of giant magnetostrictive driver4 Mcbride M22针对骨传导装置性能各异的情况，探究了发音振子作用于人体头部不同部位的传音效果，实验选取了 11 种声音信号作用于 12 名志愿者头部的 11 个不同位置，图 9 所示是他们的实验设备示意图。结果发现当发音振子作用在髁状突上时，传音效果最好，因为在这个部位产生的总体阈值水平最低，其它的比如头顶、乳突和太阳穴等部位的传音效果也较为优异，而人的下颌骨虽然也具有较低的阈值水平，但是由于振子在这个部位无法很好地固定，所以影响了声音的传递。图 9 测不同部位传音效果实验用仪器22 Fig.9 The instrumentation to text different parts of the sound effects22 与 Maranda Mcbride 等所做的研究相似，Tran P等23评估了骨传导耳机作用于人体头部不同部位时信号的传递质量和语音的可懂度，图 10 所示是他们实验过程中耳机作用在头部不同部位的示意图，结果发现最佳的作用位置是额头和太阳穴上侧。图 10 骨传导耳机安放位置23 Fig.10 BCM locations investigated in the study23 目前国内外对超磁致伸缩式骨传导听觉装置的研究尚浅，成果形式比较单一，大多还处于概念设计阶段。但采用压电材料进行骨传导听觉装置的设计和实验已经有了较多的成果，如吉林大学的程光明教授和曾平教授等研究了不同形状、不同支撑方式的压电材料在助听装置上的应用，设计了压电振连接器送受话器导声管 12 3 4 5 6 7 8 9 静力传感器 电子伏特计静态力 振子 左侧右侧 正面 背面 第 34 卷 第 2 期 5 赵正龙等：超磁致伸缩材料在骨传导听觉装置上的应用 子具体的结构形式，并对其进行了实验研究，为超磁致伸缩式骨传导听觉装置的研究提供了大量的数据资料和实验方法。3 超磁致伸缩骨传导发音振子的设计和实验 3.1 GMM 的结构及支撑方式 发音振子是骨传导听觉装置的核心部件，其中GMM 的结构形式主要有棒式和薄膜式两种。棒式振子中，GMM 棒一端被顶住（不是固定端约束），另一端输出；薄膜式振子采用矩形或圆形，矩形振子常用的支撑方式有悬臂固支、两端固支；圆形常用的有周边固支、中间固支，不同形状及支撑方式的超磁致伸缩振子如图 11 所示28。图 11 振子结构形式及支撑方式28 Fig.11 Structure forms and support methods of the vibrator28 目前常用的棒式和薄膜式振子结构如图 12 所示，薄膜式超磁致伸缩振子结构虽然能够更好地满足头部听觉装置的小型化要求，但是受限于国内GMM 薄膜的加工工艺水平，现在还很难达到发音振子的振动要求。因此，在较长时间内 GMM 棒仍然是发音振子的主要构成元件。（a）棒式超磁致伸缩振子结构 （b）薄膜式超磁致伸缩振子结构 图 12 发音振子结构 Fig.12 Structure of pronunciation vibrators 3.2 发音振子的实验设计方案 对发音振子进行测试，主要包括以下几个参数的测试：GMM 棒内部磁场分布的均匀度和磁场强度、GMM 棒的输出位移和输出力、振子的频率响应等。实验用仪器主要包括：音频功率放大器、高斯计、电涡流传感器、压力传感器和电声分析仪等。图 13 所示为超磁致伸缩驱动器输出位移的一般测试方法。图 13 超磁致伸缩驱动器实物图 Fig.13 Pictures of giant magnetostrictive actuator 由于目前市场上还没有成功使用 GMM 做出的振子成品，因此可以暂用已广泛应用的电磁式和压电式振子进行参数测试，验证测试系统的可靠性。如图 14（a）和（b）分别是常用的实验设备图和在市场上购买的实验用振子。（a）实验控制设备实物图 （b）电磁和压电振子实物图 图 14 实验设备和被测振子 Fig.14 Experiment instruments and vibrators to be tested 只有在充分了解电磁和压电式骨传导听觉装置的优势和劣势的基础上，充分发挥 GMM 材料的各项优良特性，才能设计和制作出满足骨传导听觉装置发音要求的高性能发音振子，这对突破国外技术封锁、提高战场环境下人员通讯质量具有非常重要的科研价值。4 展望 与当前应用最为广泛的电磁式骨传导听觉装置相比，压电式骨传导听觉装置因为不需要线圈、磁轭，所以具有不产生线圈热损耗、节约能源、装置质量小、尺寸小和不受外界磁场干扰的优势。但相比较于上述两种类型的骨传导听觉装置，超磁致伸缩式骨传导听觉装置具有功耗小、振动响应频带宽和低频响应好等优势，保证了发声强度、满足了战场需求。但是要实现超磁致伸缩式骨传导听觉装置在军事通信中的应用还存在诸多问题：（1）在超磁致伸缩振子的选择上，既要考虑军事通信的效果，又要克服电磁式、压电式振子各自的缺陷；（2）在超磁致伸缩致动器各部件的选择与设计 两端固支 中间固支 超磁致伸缩棒固定基座棒式振子 悬臂固支 周边固支 超磁致伸缩薄膜基片硅固定基座线圈2线圈1振子外壳支架传导杆振动板振子 外壳线圈 1 线圈 2 传导杆 振动板 支架 外壳 偏置 磁铁 线圈 振动板 碟簧 传导杆 碟簧 压板 超磁 致伸 缩棒 GMM 驱动机构电涡流传感器滤波器高斯计picoscope2203 应变仪 功率放大器6 赵正龙等：超磁致伸缩材料在骨传导听觉装置上的应用 Vol.34 No.2 Feb.2015上，由于声振受话装置必须贴附于颌骨耳朵附近才能获得较好的传声效果，其质量和体积均有所限制，因而会造成振子输出和发声响度较小，限制了其在嘈杂的军事通信环境中的应用；（3）超磁致伸缩式骨传导受话装置与战斗人员防护帽、头盔等结合必须满足人机功效指标；（4）由于战场噪声环境非常复杂，既有脉冲型噪声，又有周期型噪声，要保证语音信息的准确传输，必须结合骨传导机构的频响特点，在前向输入和后向输出通道上进行滤波；（5）实际作战条件恶劣，语音传输系统应该结构坚固且抗干扰能力强。参考文献：1 王博文,曹淑瑛,黄文美.磁致伸缩材料与器件 M.北京:冶金工业出版社,2008.2 李巧燕.稀土超磁致伸缩材料的发展 J.电子材料与电子技术,2008,4:13-15.3 贾振元,王福吉,邹君,等.超磁致伸缩材料传感/执行器的原理与应用 J.振动、测试与诊断,2013,33(4):539-546.4 王晓剑,周建军.一种基于超磁致伸缩材料的发音头盔 J.机电工程,2007,24(4):49-51.5 LI Y,ZHANG C G,LIN M X,et al.Design of hi-power continuously adjustable constant current source based on UC3846 J.Adv Mater Res,2012(430/431/432):1519-1523.6 MAKAVEEV D,DUPR L,DE WULF M,et al.Modeling of quasistatic magnetic hysteresis with feed forward neural networks J.J Appl Phys,2001,89(11):6737-6739.7 G OLABI A,GRUNWALD A.Design and application of magnetostrictive materials J.Mater Des,2007,29:469-483.8 李梅,吕银芳,陈平,等.超磁致伸缩材料及其应用 J.现代电子技术,2005,18:114-117.9 孙景阳.压电式骨传导听觉装置振动器结构设计与实验研究 D.长春:吉林大学,2010.10 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