近日，中国科学院声学研究所李晓东、鲍明研究员课题组与南京大学固体微结构物理国家重点实验室现代工程与应用科学学院陈延峰、卢明辉教授课题组合作，研制出单片集成的新型三维矢量传声器件，该研究成果以‘A monolithic three-dimensional thermal convective acoustic vectorsensor with acoustic-transparent heat sink’为题发表在《JASA Express Letters》上，中国科学院声学研究所博士研究生许相园为第一作者，中国科学院声学研究所鲍明研究员与南京大学卢明辉教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发项目，以及固体微结构物理国家重点实验室平台的大力支持。

研究背景

听觉对于动物有重要意义，动物会利用听觉逃避敌害，捕获食物。而人类的语言和音乐，一定程度上是以听觉为基础的。有些动物具有回声定位功能，它们发出特定的声波并接受周围物体反射回来的回声，根据回声的特点判断物体的位置、形态、动态、性质等。蝙蝠和海豚是有名的回声定位能力好的动物，此外，还有少数哺乳动物和鸟具有这类型功能。人耳除了对声音有响度、音调、音色的主观感觉外，还有对声源空间的印象感觉，也就是对声源的定位能力，也可称作声学透视。这种定位能力主要包括人耳对声源的水平定位，上下定位，纵深定位和前后定位四个方面。这种能力归功于人耳轮廓结构和分布构成的特殊头传递函数以及强大的听觉神经系统，使得人能够更好地感知周围的声音环境。

图1 人耳听觉感知的示意图

人类听觉具有全方位的感知能力，沉浸在各种声音的包围中，听觉世界呈现出多维，立体和层次分明的声音景象。具有方向的声音可以作为信息传播的符号，充满空间感的音乐能使感情表达更加充沛。大量空间音频技术利用人对空间声感知能力营造出更具有沉浸感的声音环境。例如现在广泛应用的双声道立体声，环绕声重放系统或全景声技术，以及相应的拾音和制作技术都是基于人耳这种能力的研究成果。

自然赋予人类丰富的听觉体验，自然也促使人类怀有能将其再现的憧憬。在声学传感技术的发展中，产生了多种多样的声学测量设备用于像人耳一样拾取声音信号，从最开始体积庞大的大振膜式麦克风到现在只有米粒大小的MEMS麦克风，这些设备存在于各类扩声协同中，也存在于我们日常使用的各式电子设备中，为我们传递和记录宝贵的声音资料。在这个过程中，我们似乎已经越来越精通于像人耳一样能够拾取极高质量的声音信号。

图2 Neumann CMV3第一款大规模生产的电容式传声器以及广泛用于手机设备的MEMS麦克风

然而，对声音的空间信息测量却是一个难题，这使得我们在使用这些设备拾取的声音信号无法获得媲美人耳的现场感和空间感。一种妥协地方式是麦克风阵列，将多个麦克风按照一定形状和间距排布，通过声音到达各个麦克风之间的时间延迟区别来计算声源方位。之所以说这种技术有所妥协，是因为阵列的声源定位能力和阵列的整体尺寸有着密切关系。若阵列的尺寸远小于入射波的半波长时，阵列的定位能力会急剧下降。因此传声器阵列不得不设计足够大的尺寸以满足宽带低频声音定位。

研究亮点

针对空间音频拾取问题，我们设计了一种新型的MEMS矢量传声器，这种传声器仅需一支就能够实现三维空间中宽带声源定位。在设计过程中，提出了一种新的热对流传感机制，这种机制的引入允许我们设计出新的单片集成式三维质点振速传感器。该传感器的MEMS结构依然是平面的，但是通过在器件中引入透声热沉实现了第三个维度的质点振速传感。

图3 单片集成式三维质点振速传感器的示意图和微观结构SEM图

我们通过数值方法和有限元方法详细分析了透声热沉机制，并建立了相应的传感模型。理论上这种设计方案能够制造出具有最理想正交性的矢量传声器件。由于其是单芯片设计，能够使得三维器件真正实现小型化，简化了制造和封装成本，提高制造宽容度。最后使用MEMS工艺加工出了测试样机，所设计传感器尺寸仅为3.5mm x 3.5mm x 3.5mm。初步对其频率响应和指向性进行了评估如图所示。该传感器三个通道频率响应非常一致，并且具有良好的指向性。

图4 单片集成式三维质点振速传感器的频响曲线图

图5 单片集成式三维质点振速传感器的角度响应曲线

论文信息

该技术的突破能够实现以极小尺寸MEMS传声器拾取三维空间声音的方位，从而摆脱传统阵列式传声器的限制，大大拓展了空间拾音技术的应用范围，而不是被束之高阁于专业音频环境。