Ein mm

Microsystems & Nanoengineering Band 8, Artikelnummer: 66 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die Ohren der Fliege Ormia ochracea wurden gut untersucht und nachgeahmt, um eine Richtungserkennung unterhalb der Wellenlänge zu erreichen. Ihre Wirksamkeit bei der Lokalisierung von Schallquellen in drei Dimensionen unter Verwendung von Schall von der X-, Y- und Z-Achse ist jedoch weniger erforscht. Dieser Artikel konzentriert sich auf eine mm-große Anordnung von drei vom Ohr inspirierten piezoelektrischen MEMS-Richtmikrofonen von Ormia ochracea, deren Direktionalität in der Ebene als Anhaltspunkt für die Demonstration der Schallquellenlokalisierung in drei Dimensionen angesehen wird. Im Array sind biomimetische MEMS-Richtmikrofone in einer Winkeldrehung von 120° positioniert; Dadurch behalten sechs Membranen von drei Richtmikrofonen eine Normalachse relativ zur Schallquelle in sechs verschiedenen Winkeln in der Azimutebene bei, beginnend von 0° bis 360° in Intervallen von ±30°. Darüber hinaus liefert die kosinusabhängige horizontale Komponente des angelegten Schalls Hinweise für die Richtungserkennung der Z-Achse. Das gesamte Array wird zunächst analytisch simuliert und dann experimentell in einer reflexionsarmen Kammer gemessen. Beide Ergebnisse erweisen sich als konform, und die Winkelauflösung der Schallquellenlokalisierung in drei Dimensionen beträgt ±2° auf der Normalachse. Die Auflösung auf der Azimutebene beträgt ±1,28°, und das gleiche Array zeigt eine Auflösung von ±4,28°, wenn der Schall von der Elevationsebene variiert. Betrachtet man den Umfang dieses Bereichs in Kombination mit den präsentierten Ergebnissen, liefert diese Arbeit ein klares Verständnis der Schallquellenlokalisierung in drei Dimensionen.

Die Fliege Ormia ochracea, eine bemerkenswerte Fliege aus der Familie der Tachinidae, verfügt über einen ungewöhnlichen Hörmechanismus1,2,3,4. Die als Pauken bezeichneten Ohren, wie in Abb. 1a dargestellt, sind räumlich etwa 450–520 µm voneinander entfernt und von der Mitte aus verbunden5,6,7. Diese intertympanale Brücke hält beide Trommelfelle auf beiden Seiten und ermöglicht ihnen, relativ zum einfallenden Schall zu vibrieren7. Die Vibration dieser Ohren erzeugt einen interauralen Intensitätsunterschied (IID) und einen interauralen Zeitunterschied (ITD), um den eingehenden Schall zu lokalisieren5. Da die Ohren intern gekoppelt sind, bildet die Schwingung der Ohren zwei Modi: einen Schaukelmodus, bei dem die Trommelfelle eine phasenverschobene Position aufweisen, und einen Biegemodus, bei dem die phasengleiche Position beider Ohren genutzt wird, wie in Abb. 1b. In diesen Modi werden IID und ITD von 1 auf 12 dB bzw. 1,5 auf 60 µs verbessert8. Dank der verbesserten IID und ITD erreicht diese Fliege eine Schallquellenlokalisierungsgenauigkeit (SSL) von ± 2° in einem Richtungsbereich von 30° bei einer Frequenz von 5 kHz9.

ein Schema der O. ochracea-Fliege mit einer vergrößerten Ansicht des Hörorgans. b O. ochracea vom Ohr inspirierter Schaukelmodus und Biegemodus. c Konventioneller Richtkoppler mit zwei omnidirektionalen Mikrofonen

In weiteren Untersuchungen haben Miles et al. berichteten über ein Feder-Masse-Dämpfer-Modell (SMD) dieser Fliege, bei dem jedes einzelne Ohr mit Masse quantifiziert und von einem flexiblen Balken getragen wurde5. Sie berichteten, dass bei kritischer Dämpfung das Trommelfell in der Nähe der einfallenden Schallquelle eine Phasendifferenz gegenüber dem am weitesten entfernten Trommelfell erzeugt; Infolgedessen bleibt die wirkende Kraft, die Fläche jedes Trommelfells multipliziert mit dem angelegten Schalldruck, für beide Trommelfelle gleich, aber die Phasendifferenz wirkt sich sowohl auf IID als auch auf ITD5 aus. Die Anwendbarkeit ihres SMD-Modells wurde von derselben Gruppe erweitert, indem sie über eine Vergleichsstudie zwischen ihrem SMD-Modell und einem herkömmlichen Richtkoppler in einer Stereokonfiguration berichteten10. In der Stereokonfiguration müssen zwei omnidirektionale Mikrofone (OM1 und OM2) in einem Abstand (UCd) platziert werden, der mit der angewendeten Schallwellenlänge übereinstimmt, wie in Abb. 1c dargestellt. Darüber hinaus führt die Variation des Abstands zu einer negativen Auswirkung der Direktionalität. Wenn beispielsweise der herkömmliche Richtkoppler-Abstand auf den Ohrkopplungsabstand der Fliege O. ochracea reduziert wird, kann die Richtungsempfindlichkeit auf einen Faktor von 20log10(UCd/1,5) reduziert werden (siehe Abb. 1a für 1,5 mm)11. Zusätzlich zur verbesserten Richtungsempfindlichkeit minimiert dieses fliegenimitierende Richtmikrofon (DM) das interne Rauschen auf 17,9 dBA bei reduzierter Größe12. Diese grundlegenden Vorteile fliegenmimitierender Richtmikrofone haben bei der Realisierung verschiedener akustischer Anwendungen große Beachtung gefunden.

Das erste vom O. ochracea-Ohr inspirierte MEMS-Richtmikrofon mit optischer Sensorik wurde von Gibbons et al.13 unter Verwendung des von Miles et al. beschriebenen SMD-Modells beschrieben. im Jahr 19955. Allerdings war die Steuerung der Quetschfilmdämpfung (SFD) die größte Herausforderung im SMD-Modell. In Anlehnung an Pandey et al.14,15 haben Ishfaque et al. berichteten über eine innovative Möglichkeit, den SFD zu steuern und eine kritische Dämpfung ohne weitere Abstimmung und Optimierungen zu erreichen16,17,18. Dennoch stellte das Vorhandensein einer Rückplatte eine Designbeschränkung dar, die mechanische Vibrationen begrenzte. Um dieses Problem zu lösen, wurde in neueren Studien19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 das Vorhandensein der Rückplatte weniger untersucht. Das Fehlen der Rückplatte bringt zwei zusätzliche Vorteile mit sich: ein SFD von nahezu Null und eine kosinusabhängige Direktionalität29,30. Die kosinusabhängige Direktionalität kann zur Lokalisierung des eingehenden Schalls verwendet werden, da sie maximale und minimale Keulen relativ zur Position der Schallquelle liefert9,19,25. Allerdings ist die Richtungserkennung jedes biomimetischen DM auf ±90°31 begrenzt. Infolgedessen sorgt dieser DM-Trend für eine parabelförmige Richtungserkennung statt für Bidirektionalität, wenn nicht davon ausgegangen werden kann, dass der Schall, der im Kopplungsbereich ankommt, Null ist32. Darüber hinaus katalysiert die alleinige Abhängigkeit von der Normalachse Rauschen; Infolgedessen entsprach die SSL, die einem einzelnen, eine O. ochracea-Fliege nachahmenden DM zugrunde lag, nicht der Genauigkeit der Fliege, und die Fehlerrate lag im Bereich von ±6,31°–±7,05°, was etwa ±5° niedriger ist von O. ochracea9,25. Um dieses Problem zu lösen, kann ein gut verteiltes Paar/Array verwendet werden, um die Fähigkeit zur Richtungserkennung sowie die SSL-Genauigkeit zu verbessern21. Zu diesem Zweck umfassen zuvor gemeldete Arbeiten einen Doppelsensor mit einer Phasendifferenz von 120°19, vier orthogonal verbundene Membranen21, drei räumlich gedrehte kreisförmige Membranen mit einer Phasendifferenz von 120°33 und ein Paar kreisförmiger DMs mit einer Phasendifferenz von 90°26,27. Allerdings beschränkten sich diese Ansätze auf zweidimensionale (2D) SSL, indem sie sich entweder separat auf die X-Y-, X-Z- oder Y-Z-Ebene konzentrierten und nicht auf das gleichzeitige Verständnis der X-, Y- und Z-Achsen , wie in Tabelle 1 aufgeführt. Ein 2D-SSL lässt eine begrenzte Auswahl an Anwendungen zu, was darauf hindeutet, dass die Bildung und Demonstration eines dreidimensionalen (3D) SSL eine Innovation in diesem Bereich wäre.

In diesem Artikel wird über 3D-SSL unter Verwendung einer mm-großen Anordnung von drei identischen, von der Fliege O. ochracea inspirierten piezoelektrischen MEMS-DMs berichtet. Geräusche von der Es wurde festgestellt, dass die Genauigkeit von 3D-SSL der des Fliegens auf der Normalachse ähnelt, was in diesem Bereich einen Durchbruch darstellt. Wir demonstrieren zunächst den Aspekt der Modellierung von Arrays, insbesondere die Herausforderungen beim Entwurf eines mm-großen Arrays. Anschließend demonstrieren wir analytisch und experimentell, wie ein vom O. ochracea-Ohr inspiriertes piezoelektrisches MEMS-DM funktioniert und welche wichtigen akustischen Eigenschaften wie Frequenzgang und Direktionalität vorliegen. Darüber hinaus wird die mit 3D SSL verbundene Funktionalität, dh die Richtungserkennung, analytisch und experimentell demonstriert, indem eine Schallquelle betrachtet wird, die Azimut- und Elevationsebenen beibehält. Mit dem Verständnis eines einzelnen DM wird die Anordnung von drei identischen DMs modelliert und experimentell demonstriert, insbesondere durch den Schwerpunkt auf der 3D-Richtungserkennung. Die gerichtete 3D-Erfassung wird als Anhaltspunkt für die Modellierung und Demonstration von 3D-SSL verwendet. Abschließend diskutieren wir die Einschränkungen und mögliche Lösungen für zukünftige Forschung.

Abbildung 2a zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme (REM) des entwickelten mm-großen Arrays, das drei identische, vom O. ochracea-Ohr inspirierte piezoelektrische MEMS-DMs mit den Bezeichnungen DM1, DM2 und DM3 enthält, die auf einem Siliziumchip mit den Abmessungen 8,5 × 8,5 hergestellt sind mm. Eine vergrößerte Ansicht eines einzelnen DM (d. h. DM1 in 90°-Drehung) ist in Abb. 2b dargestellt, wobei zwei Membranen mit D-1 und D-2 bezeichnet und von der Mitte aus gekoppelt sind, inspiriert durch den Ohrkopplungsmechanismus von O. ochracea (wie in Abb. 1a gezeigt).

a Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM) des entwickelten mm-großen Arrays. b SEM eines DM, das eine 90°-Drehung von DM1 in Abb. 2a zeigt, mit erweiterter Ansicht des Torsionsbalkens und der piezoelektrischen Erfassung. c Querschnitt der Herstellung, der dem Handbuch von PiezoMUMPs34 entnommen ist. d Erweiterung des Arrays, die die Normalachse jedes einzelnen Diaphragmas zeigt

Auf jeder Membran werden piezoelektrische Sensoren aus Aluminiumnitrid (AlN) und ineinandergreifende Elektroden (IDTs) auf Aluminiumbasis hergestellt34. Bei Schalleinwirkung beginnen die Membranen zu vibrieren, wodurch der piezoelektrische Sensor komprimiert und erweitert wird. Dadurch wird ein elektrisches Signal erzeugt35. Die erzeugten elektrischen Signale werden mithilfe der IDT-Elektroden erfasst, die als l, w, el, ew, il, iw konfiguriert sind und die AlN-Länge, AlN-Breite, Hauptelektrodenlänge, Hauptelektrodenbreite, IDT-Länge, IDT-Breite sind bzw. IDT-Abstand25. Beide Membranen (D-1 und D-2) werden von zwei Torsionsbalken getragen, einer auf jeder Seite, wobei lt und wt die Länge bzw. Breite des Torsionsbalkens sind. Darüber hinaus ist AA′ die Fertigungsquerschnittslinie, wie in Abb. 2c dargestellt. Die Herstellung erfolgt unter Verwendung piezoelektrischer Mehrbenutzer-MEMS-Prozesse (PiezoMUMPs) gemäß ihren Designregeln34, und daher haben die Autoren keine Kontrolle über die Dicke jeder Schicht, wie in Abb. 2c hervorgehoben. Der Wert jedes Parameters ist in der Ergänzungstabelle S1 zu finden. Ähnlich wie bei DM1 werden die Membranen von DM2 und DM3 mit D-3, D-4, D-5 und D-6 bezeichnet, wie in Abb. 2d dargestellt. Alle biomimetischen DMs sind in einer Winkeldrehung von 120° positioniert; Dadurch hat jede einzelne Membran bei jeweils 60° zur Schallquelle in der Azimutebene eine Normalachse, wie in Abb. 2d dargestellt. In den folgenden Abschnitten diskutieren wir, wie sich der aus diesen sechs Winkeln einfallende Schall auf die Richtungserkennung sowie die Schallquellenlokalisierung in drei Dimensionen auswirkt. Zunächst beginnen wir mit einem einzelnen DM, um zu erklären, wie es im Hinblick auf Frequenzgang und Direktionalität funktioniert.

Jedes einzelne DM ist 1,9 × 1,2 mm (Länge × Breite) groß und die Rückseite bleibt offen, wie in Abb. 3a dargestellt. Die offene Rückseite ermöglicht eine einfachere Berechnung zur Modellierung der akustischen Empfindlichkeit (V/Pa). Die akustische Empfindlichkeit ist ein lineares Produkt der mechanischen Empfindlichkeit (m/Pa) und der elektrischen Empfindlichkeit (V/m). Indem wir die akustische Empfindlichkeit der Membran D-1 als SD-1 und der Membran D-2 als SD-2 betrachten, können wir die akustische Empfindlichkeit als definieren

Dabei sind Sm1 und Sm2 die mechanischen Empfindlichkeitsreaktionen der Membran D-1 bzw. der Membran D-2. Darüber hinaus ist Se die gleiche elektrische Empfindlichkeit beider Membranen.

ein Schema eines biomimetischen DM, bei dem D-1 und D-2 von der Mitte aus gekoppelt sind, indem sie den Hörmechanismus von O. ochracea widerspiegeln. b Ein mechanisches Modell von Abb. 3a aus der X-Z-Ebene, in dem jeder Parameter beschriftet ist; Einzelheiten finden Sie in der Ergänzungstabelle S1. c Mechanische Empfindlichkeit (m/Pa) von Abb. 3b, abgeleitet durch Gl. 10 unter Berücksichtigung der Schallquelle in der Nähe der Membran D-1 (oben in Abb. 3c dargestellt) bei vollen Audiofrequenzbändern und einem Schalldruck von 1 Pa. d Strahlablenkung zur Analyse der elektrischen Empfindlichkeit (V/Pa), wobei X = 1, Y = 2 und Z = 3 die Koordinaten der piezoelektrischen Koeffizienten zeigen. e Voraussichtliche und gemessene akustische Empfindlichkeit [dB ref. 1 V bei 1 Pa] unter Berücksichtigung der Schallquelle in der Nähe der Membran D-1 (oben in Abb. 3e dargestellt) mit unterschiedlichen Audiofrequenzen und einem Schalldruck von 1 Pa. f Direktionalität von D-1 und D-2 in der Azimutebene, was bedeutet, dass das gesamte biomimetische DM in der X-Y-Ebene bei 1 Pa Schalldruck und 10 kHz Frequenz von 0° auf 360° gedreht wird, während dies bei der Elevationsebene der Fall ist auf 0° fixiert

Die mechanische Empfindlichkeit (Sm1 und Sm2) wird größtenteils durch den Schaukel- und Biegemodus bestimmt (siehe Abb. 1b), der von der Torsionssteifigkeit (Kr) und der Biegesteifigkeit (Kb) abhängt, wie in Abb. 3b gezeigt, wobei P der ist angelegter Schalldruck in X-Z-Richtung, der dem Azimutwinkel (α) und dem Elevationswinkel (φ) zugrunde liegt. Unter Berücksichtigung der Schallwellenlänge und der Geräteabmessungen kann der angelegte Schalldruck als9 ausgedrückt werden

Dabei ist c die Schallgeschwindigkeit in Luft. Die Schalldruckverteilung am Gerät kann durch die Taylor-Reihe erster Ordnung9 ausgedrückt werden. Da sich jede unabhängige Membran naturgemäß omnidirektional verhält, kann die Druckkomponente als P × e jωt9 geschätzt werden. Darüber hinaus beginnt die Membran zu vibrieren, wenn der Schalldruck mit der Membran in Wechselwirkung tritt, was mithilfe der Bewegungsgleichung unter Berücksichtigung einer kleinen Biegung as25 abgeleitet werden kann

Dabei sind f1(t), f2(t), Cr, d, Cb und I die wirkende Kraft der Membran D-1, die wirkende Kraft der Membran D-2, die Dämpfungskonstante im Schaukelmodus, der Abstand zwischen den Kräften und die Dämpfungskonstante bei der Biegemodus bzw. das Massenträgheitsmoment ganzer Membranen. Gleichung 2 kann mit anschließender Laplace-Transformation wie folgt gelöst werden:25

Dabei sind θ, ω, ωr und ξr die Winkeldrehung der Membran, die Kreisfrequenz, die Frequenz des Schaukelmodus bzw. das Dämpfungsverhältnis im Schaukelmodus. Die Schwingungsfrequenz kann aus der Torsionssteifigkeit Kr und dem Massenträgheitsmoment I wie folgt abgeleitet werden:

Die Formel zur Berechnung des Wertes der Torsionssteifigkeit und des Massenträgheitsmoments finden Sie in der Ergänzungstabelle S1. Ebenso gilt Gl. 3 kann wie folgt gelöst werden:

wobei die Masse (m), die Länge (L) und die wirkende Kraft (F), die durch den angelegten Schalldruck (P) aus der Azimut- (α) und Elevationsebene (φ) verursacht werden, sowie die Verschiebung (δ) mit dem Index 1 die Parameter der Membran definieren D-1 und die gleichen Parameter mit Index 2 beschreiben Membran D-2. Darüber hinaus sind ωb und ξr die Biegemodusfrequenz bzw. das Dämpfungsverhältnis im Biegemodus. Die Biegemodusfrequenz kann mithilfe der Torsionssteifigkeit Kb und der Masse m wie folgt abgeleitet werden:

Die Formel zur Berechnung des Wertes der Biegesteifigkeit finden Sie in der Ergänzungstabelle S1. Darüber hinaus können die wirkenden Kräfte als lineares Produkt aus der Fläche jeder Membran (Ad) und dem Schalldruck definiert werden. Unter Verwendung von Gl. 2 kann die Kraft definiert werden als F1 = Ad × P × ejωt und F2 = Ad × P × e−jωt unter Berücksichtigung der Vibrationen beider Membranen in der Ebene und außerhalb der Ebene9. Gl. 5 und 7 können verwendet werden, um die mechanische Empfindlichkeit der Membranen D-1 und D-2 abzuleiten, da Gl. 5 beschreibt die Rotationsempfindlichkeit und Gl. 7 zeigt die Übersetzungsempfindlichkeit. Die Rotationsempfindlichkeit (Sθ) kann als Verhältnis der Winkeldrehung der Membran (θ) zum Schalldruck (P) abgeleitet werden, während die Translationsauslenkung (δ) über dem Schalldruck die Translationsempfindlichkeit (Sδ)36 ist. Nach der Aktualisierung des Kraftwerts werden die Gl. 5 und 7 können für die mechanische Empfindlichkeit wie folgt umgeschrieben werden:

Nun verwenden wir Gl. 9 kann die mechanische Empfindlichkeit der Membranen D-1 und D-2 angegeben werden als:

Indem der Schall bei φ = α = 0° gehalten wird (Einschub in Abb. 3c), ist die numerische Analyse der mechanischen Empfindlichkeit (Gl. 10) über die gesamten Audiofrequenzen und 1 Pa Schalldruck in Abb. 3c dargestellt, wo die Spitzen vorhanden sind Resonanzfrequenzen wie Rocking-Modus und Bending-Modus bei 5,8 bzw. 11,6 kHz.

Die elektrische Empfindlichkeit (V/m) hingegen ist definiert als das Verhältnis des erzeugten elektrischen Signals zur Membranverschiebung (δ) bei einem wirkenden Schalldruck (P), das mithilfe von Abb. 3d modelliert werden kann, wobei t und tp sind die Dicke der Membran bzw. der AlN-Schicht. Unter Kurzschlussbedingungen lauten die maßgeblichen Gleichungen der direkten Piezoelektrizität36

wobei CE31, S1, CE33, S3, D3, e31 und e33 die elastische Steifigkeitskonstante in den 3-1 Spannungs-Dehnungs-Richtungen, die Dehnungskomponente in der 1. Richtung, die elastische Steifigkeitskonstante in den 3-3 Spannungs-Dehnungs-Richtungen sind, Dehnungskomponente in der 3. Richtung, elektrische Verschiebung, piezoelektrische Konstante in den 3-1 Spannungs-Dehnungsrichtungen bzw. piezoelektrische Konstante in den 3-3 Spannungs-Dehnungsrichtungen. Gleichung 11 kann für D3 im S3-Strahl gelöst werden, D3 = e33f S337. Die elektrische Verschiebung (D3) bestimmt die Kurzschlussladung (Qsc), die definiert werden kann als

Nach der Euler-Bernoulli-Formel, also \(EI\frac{{d^4u}}{{du^4}} = f\left( x \right)\) [die abgeleitet werden kann als \(\frac{ {du\left( x \right)}}{{dx}} = \left( {\frac{{3\delta }}{{2L_s^2}}} \right)x^2 - \left( {\ frac{{l\delta }}{{2L_s^3}}} \right)x^3\)37] für die Ablenkung im S3-Strahl und die Ladung q = Ceb × Vo, die elektrische Empfindlichkeit unter Verwendung des Transduktionsverhältnisses (η = q/δ) lässt sich formulieren als35

n = q/d

Dabei ist Ceb die Sperrkapazität, die mithilfe der freien Kapazität definiert werden kann, die durch die piezoelektrische Messung erzeugt wird35. In Gl. 1, die Hinzufügung der mechanischen Empfindlichkeit aus Gl. 10 und elektrische Empfindlichkeit aus Gl. 13 liefert die vollständige Formulierung der akustischen Empfindlichkeit des in Abb. 3a dargestellten Geräts. Der Wert jedes einzelnen Parameters ist in der Ergänzungstabelle S1 zu finden.

Nach dem Einsetzen von Gl. 10 und Gl. 13 in Gl. In 1 wird die akustische Empfindlichkeit (V/Pa) des in Abb. 3a dargestellten Geräts numerisch simuliert und die Ergebnisse sind in Abb. 3e dargestellt. Aufgrund der nahen Positionierung von Membran D-1 (siehe Einschub in Abb. 3e) zeigte Membran D-1 eine höhere Reaktion als die am weitesten entfernte Membran D-2. Die Validierung des numerisch abgeleiteten Frequenzgangs erfolgte anhand experimenteller Messungen, die Ergebnisse sind in Abb. 3e anhand einer durchgezogenen Linie dargestellt. Das Experiment wurde in einer schalltoten Kammer durchgeführt, indem ein Schalldruck von 1 Pa in einem Abstand von ca. 40 cm vom DM-Aufbau angelegt wurde, wie in der ergänzenden Abbildung S1 dargestellt. Während des gesamten Experiments befand sich die Schallquelle in der Nähe der Membran D-1; Eine weitere Erläuterung des Versuchsaufbaus finden Sie im Abschnitt „Versuchsaufbau“ im Abschnitt „Materialien und Methoden“. Die gemessenen Resonanzfrequenzen betrugen 5,5 bzw. 11,9 kHz für den Schaukelmodus und den Biegemodus, was einer Abweichung von 5,17 % bzw. 2,52 % von den in Abb. 3c dargestellten analytischen Resonanzfrequenzen entspricht. Bei der numerischen Analyse wurden die Dämpfungsverhältnisse anhand des gemessenen Frequenzgangs berechnet. Zu diesem Zweck wurden zunächst die Dämpfungsverhältnisse ξr und ξb anhand der gemessenen Schaukel- bzw. Biegefrequenz berechnet. Für das Dämpfungsverhältnis im Schaukelmodus wird der Q-Faktor wie folgt abgeleitet: Qr = frm/Δfrm; frm und Δfrm sind die gemessene Schaukelfrequenz in Hz bzw. ±3 dB Bandbreite des Schaukelmodus. Dann wurde das Dämpfungsverhältnis durch ξr = 1/(2 × Qr) abgeleitet. In ähnlicher Weise wurde das Dämpfungsverhältnis (ξb) im Biegemodus abgeleitet. Der Wert jedes Parameters ist in der Ergänzungstabelle S1 zu finden.

Der Empfindlichkeitsunterschied zwischen den Membranen D-1 und D-2 wird in Gl. als Intermembran-Empfindlichkeitsunterschied (ISD) bezeichnet. 10 und der gemessene ISD (mISD) in Abb. 3e, der einen Einfluss auf die Direktionalität hat, da dieser DM-Typ ISD nutzt, um eine eingehende Schallquelle zu lokalisieren26.

Zum besseren Verständnis wurde die Direktionalität anhand der ergänzenden Abbildung S2a modelliert, wobei jede einzelne Membran eine höhere Reaktion im Verhältnis zur Position der Schallquelle bietet. Daher zeigt Zwerchfell D-1 eine stärkere Reaktion bei 90° < α > 270°, während Zwerchfell D-2 bei 90° > α < 270° hervorsteht25. Darüber hinaus hängt die Richtungsabhängigkeit dieses DM-Typs vom Schalldruckpegel (SPL), der Frequenz und dem Schalleinfallswinkel ab, ähnlich wie bei einem idealen Schalldruckgradientensensor. Die Ausbildung der Richtung jeder einzelnen Blende kann mit 25 angegeben werden

wobei Sd1, Sd2, SD-1, SD-2 und γ die summierte Direktionalität bei 90° < α > 270°, die summierte Direktionalität bei 90° > α < 270°, die Direktionalität der Membran D-1 und die Direktionalität der Membran D sind -2 bzw. Verzögerungsfaktor. Die numerische Analyse von Gl. 14 ist in der ergänzenden Abbildung S2b – d für 3-, 5- und 10-kHz-Frequenzen der 1-Pa-Schallquelle dargestellt. Darüber hinaus wurden die numerischen Analysen nur unter Berücksichtigung der Schallquelle im Azimutwinkel durchgeführt und der Elevationswinkel wurde auf 0° festgelegt.

Abbildung 3f zeigt die vorhergesagten und gemessenen Direktionalitätsergebnisse bei einer Frequenz von 10 kHz und einem Schalldruck von 1 Pa. Bei der experimentellen Messung wird das biomimetische DM horizontal auf einem Rotationstisch positioniert (siehe ergänzende Abbildung S1b) und um seine Normalachse in der Azimutebene (α = 0–360 °) in einem festen Höhenwinkel (φ) gedreht = 0°)9. Im Abstand von 10° wird die Richtung jedes einzelnen Diaphragmas gemessen und mit den vorhergesagten Ergebnissen verglichen. Abbildung 3f zeigt, dass jedes einzelne Diaphragma an bestimmten Koordinaten eine höhere Helligkeit aufweist. Beispielsweise bietet Membran D-1 eine höhere Amplitude bei 90° < α > 270° im Vergleich zur anderen Membran, während Membran D-2 eine höhere Reaktion bei 90° > α < 270° liefert, wie in Gleichung (1) dargestellt. 14. Diese koordinatenweise Reaktion bestätigt die Richtungserkennungsfähigkeit des entwickelten DM. Die tatsächliche Bidirektionalität oder Acht eines DM kann jedoch erreicht werden, indem die Richtungsergebnisse beider Membranen wie folgt summiert werden:25

Dabei ist S1 die summierte Direktionalität beider Membranen über ganze Spannweiten der Azimutebene, dh 0–360 ° eines DM (z. B. DM1 in Abb. 2d). Zusätzlich ist γ′ der Verzögerungsfaktor beider Membranen bei 0–360°. Diese Verzögerung wurde ad hoc verwendet, was bedeutet, dass dieser Verzögerungsfaktor mithilfe des elektrischen Rauschens des von Wilmott et al.19 beschriebenen Versuchsaufbaus angepasst wurde. Abbildung 4a zeigt die vorhergesagte und gemessene Acht-Antwort bei 10 kHz und 1 Pa Schalldruck, wobei zu erkennen ist, dass beide Ergebnisse miteinander übereinstimmen. Im Experiment verwendeten wir einen Ladungsverstärker (SR570, Stanford Research Systems), um die numerischen Ergebnisse anzupassen. Als Abstimmungsparameter wurde die Empfindlichkeit des Ladungsverstärkers, dh 5 × 100 μA/V, verwendet, weshalb wir seine Validierung nicht über diese Empfindlichkeitsgrenze hinaus beschränken.

eine Abbildung-8-Antwort bei 1 Pa Schalldruck und 10 kHz Frequenz im Winkelbereich von 0–360° in der Azimutebene. b Der mISD bei 1 Pa Schalldruck bei einer Frequenz von 20 Hz bis 20 kHz, wenn die Schallquelle bei (α, φ) = (0°,0°) und bei (α, φ) = (0°,45°) positioniert war.

In den Abb. In den Abbildungen 3f und 4a wurde die Direktionalität analysiert und experimentell validiert, indem eine Schallquelle nur in der Azimutebene verwendet wurde; Daher muss der Einfluss der Schallquelle von der Elevationsebene in die Realisierung von 3D-Richtung und 3D-SSL einbezogen werden. Zur Umsetzung wurde eine erweiterte experimentelle Messung von mISD durchgeführt, einer Form der Differenz zwischen den Empfindlichkeitsreaktionen der Membranen D-1 und D-2. Die Ergebnisse sind in Abb. 4b dargestellt. Zunächst wurde die Schallquelle bei α = φ = 0° positioniert und der Frequenzgang gemessen. Dann wurden die gemessenen Reaktionen beider Membranen subtrahiert, gefolgt von Gleichung. 10, um den mISD zu erreichen. In der nächsten Phase wurde der Elevationswinkel auf 45° eingestellt; Infolgedessen lag die Position der Schallquelle bei (α = 0°, φ = 45°). Ebenso wurde der Frequenzgang beider Membranen gemessen und voneinander subtrahiert, um den mISD abzuleiten.

Ein einzelner DM des entwickelten mm-großen Arrays (dargestellt in Abb. 2a) wird gründlich charakterisiert. Die Ergebnisse sind in Bezug auf die Direktionalität einzigartig, da die Direktionalität der Schlüssel für SSL ist. Aufgrund der Fertigungstoleranzen und Interferenzen zwischen den DMs wäre jedoch Spielraum für eine Verschlechterung der Direktionalität, da alle DMs auf einem einzigen Chip hergestellt wurden. Daher wurde vor der Charakterisierung der Ausrichtung des Arrays der mISD gemessen, indem eine 1-Pa-Schallquelle bei 0°, 120° und 240° gehalten wurde. Die Auswahl dieser Winkel erfolgte auf der Grundlage von Abb. 2d, was bedeutet, dass wir versuchten, die mISD aller drei DMs an ihrer Normalachsenposition zu erreichen. Die Ergebnisse sind in Abb. 5a–c für die Schallquelle bei 0°, 120° bzw. 240° dargestellt. In jedem Ergebnis bringt der DM in der Nähe der Schallquelle einen höheren mISD als die anderen beiden DMs.

a DM1 (dh bei 0°). b DM2 (dh bei 120°). c DM3 (dh bei 240°)

In allen Fällen kann deutlich festgestellt werden, dass die DMs einen höheren mISD aufweisen, wenn jeder von ihnen eine Normalachsenposition relativ zur Schallquelle beibehält, was ihre Arbeitsfähigkeit als Array bescheinigt, ohne dass sie voneinander beeinflusst werden. Beispielsweise zeigte DM1 den höchsten mISD, wenn die Schallquelle bei 0° positioniert war, wie in Abb. 5a dargestellt, während DM2 und DM3 den höchsten mISD erreichten, wenn die Schallquelle bei 120° bzw. 240° positioniert war, wie in Abb. 5a dargestellt . 5b, c. In allen Fällen folgte auf die Bildung des mISD Gl. 10 wie für Abb. 4b beschrieben.

Anstatt nur drei Winkel anzugeben, wie in Abb. 5a–c dargestellt, impliziert die Bildung der 3D-Richtung die gleichzeitige Variation von Schallquellen aus Azimut- und Elevationsebenen, wie wir in Abb. 4b dargestellt haben. Abbildung 4b zeigt, dass die Verbesserung des Elevationswinkels einen negativen Einfluss auf die Direktionalität hat, gefolgt von der Kosinusabhängigkeit. Dies bedeutet, dass bei größeren Elevationswinkeln die horizontale Komponente des angelegten Schalls abnimmt, was wiederum Phasenunterschiede minimiert und einen niedrigen mISD38 bietet. Somit zeigt der Höhenwinkel eine umgekehrte Beziehung zur mISD, die mathematisch als Kosinusabhängigkeit von cos (φ) erklärt werden kann. Dann gilt Gl. 15 kann unter Verwendung des kosinusabhängigen Höhenwinkels zusammen mit den anderen DMs, wie DM2 und DM3, wie folgt umgeschrieben werden:39

Dabei sind S1, S2, S3 die summierte Richtungsabhängigkeit von DM1 aus den Membranen D-1 und D-2, DM2 aus den Membranen D-3 und D-4 und DM3 aus den Membranen D-5 bzw. D-6. Darüber hinaus sind in Gl. In den Abbildungen 16b und 16c wird eine Winkeldrehung zwischen den DMs (dargestellt in Abb. 6a) angewendet. Abbildung 6a zeigt eine 3D-Koordinate, wobei P der angelegte Schalldruck im Azimut ist, Höhe = α, φ aus der Entfernung r. Die Vereinfachungen wurden unter der Annahme vorgenommen, dass der gesamte sinusförmige Schalldruck in Kraft umgewandelt wird5,20,29,39. Dann kann die summierte Direktionalität des entwickelten Arrays, das DM1, DM2 und DM3 zugrunde liegt, als 40 angegeben werden.

Dabei ist γ'' der Verzögerungsfaktor des entwickelten Arrays und wird auf die Empfindlichkeit des Ladungsverstärkers in der analytischen und experimentellen Demonstration abgestimmt. Zusätzlich ist S3d von Gl. 17 ist die Summe der Richtwirkung aller Richtmikrofone durch Variation der Winkel des eingehenden Schalls in der X-, Y- und Z-Achse40.

ein 3D-Koordinatensystem, das bei der Modellierung der 3D-Richtung verwendet wird. b Richtungsabhängigkeit auf der Azimutebene und bei einem festen Elevationswinkel. c 3D-Direktionalität; Wenn die Schallquelle gleichzeitig auf der Azimut- und Elevationsebene gedreht wurde, sind auch P und M die vorhergesagten bzw. gemessenen Ergebnisse

Die ergänzende Abbildung S3a – c zeigt die simulierten Direktionalitätsergebnisse des entwickelten Arrays bei 1 Pa Schalldruck und einer Reihe von Frequenzen, z. B. 3, 5 bzw. 10 kHz. Diese Ergebnisse werden unter Verwendung von Gleichung abgeleitet. 17 unter Verwendung von Parametern aus der Ergänzungstabelle S1. In der Analyse werden der erste Teil, der zweite Teil und der dritte Teil von Gl. 17 sind für DM1, DM2 bzw. DM3 verantwortlich, da sie einen Phasenunterschied von 120° zueinander aufweisen. In allen Ergebnissen zeigen die DMs ein zufriedenstellendes Richtverhalten in dem Sinne, dass jede Membran deutlich eine höhere Reaktion in Bezug auf die Normalachsenposition relativ zur Schallquelle zeigt. Die experimentelle Validierung wird bei 1 Pa Schalldruck und 10 kHz Frequenz durchgeführt.

Abbildung 6b zeigt die vorhergesagten (P) und gemessenen (M) Richtungsergebnisse des entwickelten Arrays durch Variation der Schallquelle auf der Azimutebene in einem Bereich von 0–360° und bei einem festen Höhenwinkel. Bei den experimentellen Messungen wurde das entwickelte Array auf einem 1 m langen Stab montiert, um Oberflächenreflexionen zu vermeiden, und in der Azimutebene mit einer Auflösung von 10 ° gedreht, wie in der ergänzenden Abbildung S1b dargestellt. Die Direktionalität jedes DM wurde in jedem Intervall gemessen und mit den vorhergesagten Ergebnissen verglichen. Die vorhergesagten Ergebnisse für jeden DM wurden durch Gleichung abgeleitet. 17. Zum Beispiel der erste Teil von Gl. 17 wurde für DM1 verwendet, während die anderen beiden Teile für DM2 und DM3 verwendet wurden. In allen Analysen wurden die numerischen Werte jedes Parameters aus der Ergänzungstabelle S1 verwendet. Es stellte sich heraus, dass die gemessenen Ergebnisse gut mit den vorhergesagten Ergebnissen übereinstimmten, wobei festgestellt werden kann, dass jedes Diaphragma (mit D-1 bis D-6 gekennzeichnet) einen maximalen Lappen auf der Normalachse aufweist, wie wir es in Abb. erwartet haben. 2d. Beispielsweise zeigte die Membran D-1 eine höhere Reaktion bei 0°, während die Membranen D-2, D-3, D-4, D-5 und D-6 eine höhere Reaktion bei 180°, 120°, 300° zeigten. 240° bzw. 60°, wie in Abb. 2d dargestellt und experimentell in Abb. 5a–c gezeigt. Die in Abb. 6b und der ergänzenden Abb. S3a – c dargestellten Ergebnisse beschränken sich jedoch auf die X-Y-Ebene, was bedeutet, dass die Elevationsebene auf 0 ° festgelegt wurde.

Aufgrund dieser Tatsache und unter Verwendung des Konzepts von Abb. 4b zeigt Abb. 6c die vorhergesagte (P) und gemessene (M) 3D-Richtung bei 1 Pa Schalldruck und 10 kHz Frequenz. Die vorhergesagten Ergebnisse (S3d) werden durch Gleichung abgeleitet. 17 durch Verwendung sowohl der Azimut- als auch der Elevationsebene. Die 3D-Richtung wurde mit dem in der ergänzenden Abbildung S1c gezeigten Aufbau gemessen, indem Schall sowohl aus der Azimut- als auch der Elevationsebene angelegt wurde. Zunächst wurde der Elevationswinkel in der Z-Achse auf 0° festgelegt und nach und nach auf 40° eingestellt. Dagegen wurden die Azimutwinkel in der X-Y-Ebene gedreht, wie wir es in Abb. 6b getan haben. Für jede Drehung wurde die Richtung aller DMs gemessen und summiert. Die summierte Direktionalität wurde mit dem analytischen Ergebnis von Gl. verglichen. 17. Es wurde festgestellt, dass die gemessene Richtungsabhängigkeit gut mit den vorhergesagten Ergebnissen übereinstimmt. Wie bereits erwähnt, ist zu beachten, dass die Empfindlichkeit des Ladungsverstärkers als Abstimmungsparameter zur Anpassung an die theoretische Analyse verwendet wurde und die Ergebnisse daher über die Empfindlichkeit des optimierten Ladungsverstärkers hinaus möglicherweise nicht so genau sind.

Darüber hinaus impliziert die Korrelation zwischen den in Abb. 6b, c dargestellten Richtungsergebnissen, dass jede Membran eine höhere Reaktion auf der Normalachse zeigte, was bedeutet, dass die Punkt-zu-Punkt-Ausrichtung relativ zur Schallquelle eine Kosinusabhängigkeit ermöglicht. Allerdings zeigte die Schallquelle mit einem höheren Elevationswinkel einen negativen Einfluss, der auch als Kosinusabhängigkeit wirkt. In beiden Fällen zeigt das entwickelte Array perfekt die der Kosinusabhängigkeit zugrunde liegende Direktionalität, die die in Gleichung (1) gezeigte theoretische Modellierung bestätigt. 17. Im folgenden Abschnitt ist es unser Ziel, die Machbarkeit des entwickelten Arrays zur beliebigen Lokalisierung einer bestimmten Schallquelle in verschiedenen Winkeln zu demonstrieren. Die Anwendung der diskreten Schallquellenposition unterscheidet sich von der Direktionalitätsdemonstration.

Durch die Nutzung der 3D-Kosinus-abhängigen Direktionalität kann die Modellierung von 3D-SSL mithilfe von Gl. abgeleitet werden. 17. Bei einem festen Azimutwinkel ergibt sich die vereinfachte Form von Gl. 17 kann durch Ignorieren der Sinuskomponente (aufgrund der Direktivität in der Ebene) und des Verzögerungsfaktors als definiert werden

wobei S3d(P,ω, φ) die 3D-Richtung als Funktion des Schalldrucks (P), der Frequenz (ω) und des Höhenwinkels (φ) ist. Darüber hinaus sind φm und Ssum(P, ω) der gemessene Höhenwinkel im 3D-Raum bzw. die summierte Reaktion aller DMs des entwickelten Arrays bei einem bestimmten Schall. In ähnlicher Weise kann der Azimutwinkel bei einem festen Elevationswinkel wie folgt abgeleitet werden

Dabei ist αm der gemessene Azimutwinkel in der X-Y-Ebene. Die experimentelle Messung des 3D-SSL wurde auf der Grundlage von Abb. 6a durchgeführt, wobei die angewandte Schallquelle in den Azimutwinkeln (α) in der X-Y-Ebene und den Höhenwinkeln (φ) in der Z-Achse willkürlich variiert wurde. An der Position jeder Schallquelle wurde die 3D-Richtung (S3d(P,ω,φ)) sowie die gleichzeitige Reaktion aller drei DMs (Ssum(P, ω)) des entwickelten mm-großen Arrays gemessen. Dann gilt Gl. 18 wurde verwendet, um den gemessenen Winkel der gegebenen Schallquelle abzuleiten.

Abbildung 7a zeigt die gemessenen Winkel der gegebenen Schallquelle im Vergleich zur tatsächlichen Schallquellenposition durch Variation des Höhenwinkels von 0° bis 50° in einem Intervall von 10° bei einer Frequenz von 10 kHz und einem Schalldruck von 1 Pa. Die Variation der Schallquellenposition in der Elevationsebene wurde für jede Seite der Membran gleichermaßen berücksichtigt. Die Position der Schallquelle auf der Azimutebene wurde in einem Intervall von 60° von 0° auf 360° eingestellt, wobei der primäre Fokus darauf lag, die gegebene Schallquelle mithilfe der Normalachse jeder Membran (D-1 bis D-6) zu lokalisieren. Die gemessenen Ergebnisse wurden mit dem tatsächlichen Winkel der gegebenen Schallquelle verglichen. Die maximale Abweichung zwischen den gemessenen und den tatsächlichen Ergebnissen betrug 2° bei (α, φ) = (120°, 20°), was der Grund für die Nichtübereinstimmung der Schallquellenposition und/oder des elektrischen Rauschens sein könnte DM2, da 120° die Normalachse der Membran D-334 war.

Eine bestimmte Schallquelle wurde auf der Normalenachse relativ zum entwickelten Array positioniert und der Höhenwinkel variierte von 0° bis 50°. b Lokalisierung einer gegebenen Schallquelle auf der Azimutebene und in einem festen Elevationswinkel. c 3D-Lokalisierung der gegebenen Schallquelle, wobei die gegebene Schallquelle in der Azimutebene von 30° bis 360° mit einer Elevation von 0° bis 50° variiert wurde. d 3D-Lokalisierung der gegebenen Schallquelle, wobei die gegebene Schallquelle in der Azimutebene von 28° bis 360° mit einer Elevation von 0° bis 50° variiert wurde

Darüber hinaus kann bei jedem lokalisierten Elevationswinkel der Azimutwinkel mithilfe der führenden Blenden wie D-1, D-2, D-3, D-4, D-5 und D-6 bei 0°/ 360°, 180°, 120°, 300°, 240° und 60° in der X-Y-Ebene (basierend auf Abb. 2d). Abbildung 7b zeigt die Lokalisierung der gegebenen Schallquelle bei einem konstanten Höhenwinkel. Bei den Messungen wird bei jeder Drehung in der X-Y-Ebene mit fester Höhe die 3D-Richtung (S3d(P, ω ,α)) der betroffenen Membran gemessen und in Gleichung (1) verwendet. 19. Wie in Abb. 7b gezeigt, betrug die maximale Abweichung 1,28° bei ±30°. Der wesentliche Grund für die höhere Abweichung ist der Einfluss anderer Membranen bei ±30°. Darüber hinaus wurde in einer Kombination von (α, φ) = (30°, 0°), (90°, 10°), (150°, 20) gemessen, wie diese Abweichung bei ±30° die 3D-Lokalisierung des Höhenwinkels beeinflusst °), (210°, 30°), (270°, 40°) und (330°, 50°) für sechs Iterationen. Die gemessenen und verglichenen Ergebnisse sind in Abb. 7c dargestellt, wobei die maximale Abweichung 4,28° bei (α, φ) = (150°, 20°) betrug, was immer noch ein Einfluss von DM2 ist. Daher gehen die Autoren davon aus, dass es sich hierbei um eine Fabrikationstoleranz von DM2 handeln könnte.

Darüber hinaus wurde zum besseren Verständnis der Intermembraninterferenz bei ±30° die 3D-SSL beginnend bei 28° mit der Kombination von (α, φ) = (28°, 0°), (88°, 10°), ( gemessen. 148°, 20°), (208°, 30°), (268°, 40°) und (328°, 50°) für sechs Iterationen, um zu demonstrieren, wie gut das Array relativ zum Schnittpunkt zwischen Membranen funktionieren kann. Die Ergebnisse sind in Abb. 7d dargestellt; Da der Lokalisierungswinkel in Abb. 7c um mehr als 1° minimiert ist, wurde die Genauigkeit von 4,28° auf 3,69° verbessert. Zusätzlich zum Einfluss des Schnittpunkts zwischen den Membranen und der Fertigungstoleranz könnten die Abweichungen der Grund für die Toleranz des Drehtisches in der X-Y-Ebene und die manuelle Einstellung in der Z-Achse sein26,27.

Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, 3D-SSL mithilfe einer mm-großen Anordnung von drei identischen, vom Ohr inspirierten piezoelektrischen MEMS-Richtmikrofonen von Fly O. ochracea zu demonstrieren. Die Machbarkeitsstudie wurde ausgehend von einem einzelnen biomimetischen DM bis hin zum Frequenzgang und der Direktionalität durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit einem vollständigen analytischen Modell des entwickelten DM verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Ergebnisse mit den Analyseergebnissen übereinstimmten, indem ein Abstimmungsparameter, dh die Empfindlichkeit des Ladungsverstärkers, verwendet wurde. Anschließend wurde die Richtungsabhängigkeit des entwickelten mm-großen Arrays gemessen und durch theoretische Analyse validiert. Unser Ziel für die 3D-Richtung war es zu zeigen, wie das entwickelte Array relativ zu einer Schallquelle in der gesamten Azimutebene und einer festen Elevationsebene funktioniert. Die Direktionalität zeigte eine Kosinusabhängigkeit und ermöglichte uns die Modellierung von 3D-SSL. Bei der 3D-SSL-Messung nutzten wir die diskrete Position der gegebenen Schallquelle, um die Schalllokalisierungsfähigkeit des entwickelten Arrays zu verstehen. Das entwickelte Array zeigte eine ähnliche SSL-Genauigkeit wie O. ochracea auf der Normalachse; Die Verschlechterung der Genauigkeit begann jedoch, als wir die Schallquelle etwas weiter von der normalen Achse entfernt platzierten. Diese Arbeit deckt neuartige Aspekte auf, wie die erste Darstellung von 3D-SSL unter Verwendung eines vom Ohr inspirierten piezoelektrischen MEMS-Richtmikrofons von O. ochracea, ein vollständiges physikalisches Modell dieses Trends des Richtmikrofons, das der piezoelektrischen Erfassung zugrunde liegt, und die bisher höchste SSL-Genauigkeit. Darüber hinaus ist zu beachten, dass die Validierung dieser Arbeit bei einer Frequenz von 10 kHz durchgeführt wurde, da analytische und gemessene Modalfrequenzen eine Abweichung zeigten. Daher sollte die Auswahl von 10 kHz nicht nur als Betriebsfrequenz des entwickelten Arrays betrachtet werden, da die ergänzende Abbildung S3 seine Arbeitsfähigkeit mit anderen Frequenzbändern zeigt.

Zusätzlich zu den einzigartigen Fortschritten, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, wurden mehrere Einschränkungen festgestellt. Erstens basiert der Tuning-Parameter auf dem externen Stromkreis. Dies bedeutet, dass die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse auf eine bestimmte Empfindlichkeit des Ladungsverstärkers beschränkt sind, was eine Herausforderung bei der praktischen Umsetzung des entwickelten Arrays darstellen kann. Zweitens wurde 3D-SSL nur anhand der Winkelposition der gegebenen Schallquelle gemessen und die Entfernung wurde nicht gemessen, was den Rahmen dieser Arbeit sprengt. Drittens nutzt dieser DM-Trend ISD für die Direktionalität, was eine Herausforderung darstellt, wenn die gegebene Schallquellenfrequenz geändert wird32. Das ist der größte Nachteil dieses DM-Trends. Lösungen für diese Einschränkungen werden im Mittelpunkt künftiger Arbeiten stehen.

Die in diesem Artikel vorgestellten akustischen Charakterisierungen wurden mit zwei unterschiedlichen Versuchsaufbauten durchgeführt. Darüber hinaus wurde in beiden Aufbauten das in Abb. S1a gezeigte entwickelte Array identisch verwendet. Beispielsweise sind der Frequenzgang und die Direktionalität in der X-Y-Ebene eines einzelnen DM in Abb. S1b dargestellt. Der gleiche Aufbau wurde auf die Messungen des entwickelten Arrays in der X-Y-Ebene erweitert. Die experimentellen Messungen in 3D unter gleichzeitiger Variation der gegebenen Schallquelle aus Azimut- und Elevationsebenen wurden mit dem in Abb. S1c gezeigten Versuchsaufbau durchgeführt.

Die Installation des Versuchsaufbaus in einem schalltoten Raum begann mit dem Anschluss des entwickelten Arrays. Zunächst wurde das entwickelte Array auf einer maßgeschneiderten Leiterplatte (PCB) platziert. Anschließend wurden die externen Elektrodenpads jedes Richtmikrofons und das PCB-Elektrodenpad mithilfe einer Mikrodraht-Bondmaschine (K & C 4522, Kulicke & Soffa) verbunden, wie in Abb. S1a gezeigt. Anschließend wurde die Leiterplatte zusammen mit dem entwickelten Array auf einem Rotationstisch (PRM1Z8, Thorlabs) montiert, der über einen Gleichstrommotor (KDC101, Thorlabs) gesteuert wurde. Der Rotationstisch wurde eingebaut, um die Richtung genau zu messen, wie im Einschub von Abb. S1b gezeigt. Anschließend wurde der Rotationstisch zusammen mit dem entwickelten Array auf einem 1 m langen Balken montiert, um Oberflächenreflexionen durch den angelegten Schalldruck zu vermeiden, wie im Einschub von Abb. S1a, b25,35,37 gezeigt. Schließlich wurde das entwickelte Array mit einer elektromagnetischen Abschirmung abgedeckt, um Störungen durch akustische Signale zu vermeiden37.

Nachdem der Mikrofonaufbau abgeschlossen war, wurde direkt nach dem entwickelten Array ein Ladungsverstärker (SR 570, Stanford Research Systems) angeschlossen. Die Geräteempfindlichkeit des Ladungsverstärkers wurde als Abstimmungsparameter verwendet, um den theoretischen Ergebnissen zu entsprechen. Das Abstimmgerät war 5 × 100 µA/V und die experimentellen Ergebnisse wurden nur für diesen Empfindlichkeitsparameter validiert. Anschließend wurde die Reaktion des Ladungsverstärkers mit einem Lock-In-Verstärker (SR830, Stanford Research Systems) verarbeitet und aufgezeichnet, wie in Abb. S1b dargestellt.

Darüber hinaus wurde der Ton mit einem Funktionsgenerator (DS345, Stanford Research Systems) erzeugt und der erzeugte Ton über einen Lautsprecher (BOS-5000-Serie) aufgebracht. Derselbe Funktionsgenerator wurde verwendet, um die Frequenz des Lock-In-Verstärkers zu synchronisieren. Um den angelegten Schalldruck zu kalibrieren, wurde ein Referenzmikrofon (Druckfeldmikrofon, digitales Schallpegelmessgerät, DL1351) vertikal in der Nähe des entwickelten Arrays platziert, wie in Abb. S1b dargestellt. Der Schalldruckpegel des angelegten Schalls wurde mit einem Referenzmikrofon gemessen und mit einem 1/8-Zoll-Druckfeldmikrofon (B&K 4138) verifiziert, das vertikal in der Nähe des entwickelten Arrays platziert wurde22. Die Positionierung der Schallquelle in Abb. S1b war auf das X beschränkt –Y-Ebene, die die Azimutebene abdecken kann. Somit wird eine Erweiterung von Abb. S1b berücksichtigt, wie in Abb. S1c gezeigt, wobei der Elevationsebene eine neue Schallquelle hinzugefügt wird. Unter Verwendung des in Abb. S1c gezeigten Versuchsaufbaus 3D-Messungen wie mISD (Abb. 4a), Direktionalität (Abb. 6c) und SSL (Abb. 7a, c, d) wurden durchgeführt.

Die unterstützenden Informationen wurden übermittelt und erweiterte Daten können auf begründete Anfrage vom entsprechenden Autor (Dr. Byungki Kim, E-Mail: [email protected]) zur Verfügung gestellt werden.

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Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse NRF–2018R1A6A1A03025526 im Rahmen des Priority Research Program der National Research Foundation of Korea (NRF) des Ministeriums für Bildung und teilweise durch NRF–2021R1A2C1004540 des Ministeriums für Wissenschaft und IKT und teilweise durch das unterstützt BK-21 Four-Programm der National Research Foundation of Korea (NRF) des Bildungsministeriums.

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Byungki Kim

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AR führte das MEMS-Array-Design, die gesamte Modellierung, Simulation, Datenerfassung, Dateninterpretation, Datendarstellung und den Entwurf des Versuchsaufbaus durch und verfasste den Originalentwurf. BK betreute alle Studien. Beide Autoren diskutierten die Ergebnisse und überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit Byungki Kim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 26. September 2021

Überarbeitet: 08. Februar 2022

Angenommen: 10. April 2022

Veröffentlicht: 15. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-022-00389-9

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