1.研究背景
人口增长与老龄化进程的加速,加剧了听力损失的流行趋势。这一问题不仅阻碍人际交流,还对精神健康和认知功能产生不利影响。助听器的出现显著改善了患者的听觉能力,其核心技术集中于声音的捕捉与转换。声音作为物体振动产生的压力波,同样可被高灵敏度压力传感器检测并转换为电信号。然而,目前关于传感器在助听器中的应用研究,尤其是其检测极限和频率响应范围却鲜少被提及。
2.文章概述
郑州大学刘伟杰副教授、郭海中教授课题组和华中科技大学朱本鹏教授提出了利用基于压阻效应的MXene基压力传感器检测声音信号并用于助听器的方法。MXene/PVA声音传感器(MPSS)通过MXene膜的棘状结构和PVA纳米纤维隔离层的设计实现了声音信号的两级放大。它不仅可以识别不同的语音信号和声音属性,而且在长期记录过程中表现出良好的稳定性。此外,将传感器与机器学习相结合,对野生动物保护的声纹识别准确率高达99%。利用压阻效应,实现了60 dB的检测阈值和20-4000 Hz的频率响应范围,有望应用于助听器。
3.图文导读
图1 MPSS的组成及其在助听器中的潜在应用。
图2 MPSS的声音传感性能。具有a)不同微棘突结构和b)不同纺丝时间的传感器的灵敏度曲线。c)对汉语的不同音调的电流响应。d)对不同音量的电流响应。e)以0.5、1、1.5、2倍播放古诗词时的电流响应。f)MPSS录制的“自由或死亡”演讲(节选)的声音信号波形。
图3 机器学习辅助动物声纹识别。a)机器学习辅助MPSS识别不同的动物声纹示意图。b)用于动物声纹训练和测试的CNN+LSTM算法流程图。c)MPSS记录的六种动物声音的响应波形,插图为相应的原始音频信号。d)动物声纹预测结果与测试数据集的混淆矩阵。
图4 MPSS对不同SPL的声学传感性能。a)MPSS应用于助听器中的示意图。b)MPSS应用于助听器中的光学图像。c)MPSS和商用助听器在不同SPL(频率为360 Hz)下的归一化电流响应。d-h)MPSS在SPL为60、67、77、85和97分贝下的电流响应。
图5 MPSS对不同频率的声学传感性能。a)MPSS和商用助听器在不同频率下的归一化电流响应。b-i)MPSS在100、250、360、550、700、1000、2500和4000 Hz声音频率下的电流响应。
WILEY
论文信息:
Piezoresistive Effect: A New Concept for Hearing Aids
Mengyao Gao, Weijie Liu*, Kun Chen, Huili Sun, Xiaoqing Liu, Haonan Xing, Huatang Wang, Benpeng Zhu*, Haizhong Guo*
Advanced Science
DOI:10.1002/advs.202501227
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