2021-12-09

挑战杯回顾 | 困难重重,挑战不止;珍惜韶华,练就本领——超指向性声矢量团队介绍

 

团队成员简介

01 杨凌濛

北京大学信息科学技术学院微纳电子学系2018级博士研究生,中共党员。已在国内外知名学术期刊和会议发表论文4篇,含第一作者论文1篇(口头报告);申请发明专利3项。现任微纳电子学系团总支常务副书记、MEMS党支部书记;曾任MEMS班团支部书记。在校期间获得博士生国家奖学金、北京大学校长奖学金、北京大学优秀学生干部、北京大学优秀团支书、中国高校计算机大赛-2020人工智能创意赛全国一等奖、北京大学第二十九届挑战杯正赛一等奖等荣誉奖励。

 

02 朱哲政

北京大学信息科学技术学院微纳电子学系2019级博士研究生。已在国内外知名学术期刊和会议发表论文4篇,含第一作者论文1篇;申请发明专利3项。曾任MEMS新生班班长。在校期间获得北京大学三好学生标兵、中国高校计算机大赛-2020人工智能创意赛全国一等奖、北京大学第二十九届挑战杯正赛一等奖、北京大学第二十八届挑战杯正赛三等奖等荣誉奖励。

03 王捷

北京大学信息科学技术学院微纳电子学系2018级硕士研究生,中共党员。已在MEMS专业顶级学术会议发表一作论文1篇。曾任微纳电子学系MEMS研究生党支部书记。在校期间获硕士生国家奖学金、北京大学三好学生、北京大学优秀学生干部、北京大学第二十九届挑战杯正赛一等奖等荣誉奖励。

 

 

作品简介

题目:基于MEMS热线式矢量传感芯片的新型超指向性声学传感器研发

 

声音是一种十分重要的信息资源。声学探测作为一种重要的信号探测手段,在现代人类的日常交流、生产生活、工业制造等领域具有重要的意义(电影/视频工业;体育赛事;户外声音拾取;电话/视频会议;语音识别等)。

 

超指向性声学传感器的部分应用场景(图片来源于网络)

 

声学传感器是声学探测系统中最重要的部分,它直接决定了拾取到的声音信号的质量。常见的声学传感器为声压传感器,例如:麦克风。通过测量声压来感知声场,由于声压是标量信息,所以单个声压传感器一般不具有指向性。通常需要将多个声压传感器组合成阵列,从而实现指向性测量。最近二十年出现的声矢量传感器,通过测量声场中介质粒子振速来感知声场,这样单个声矢量传感器便可实现指向性测量,但是声矢量传感器仍可通过阵列排布的方式提高传感器的指向性。理论上,粒子振速梯度(Particle velocity gradient, PVG)传感器可以获得比APVS更高阶的声场信息,具有比APVS更高的指向性,从而可以实现超指向性。因此为了进一步提高声矢量传感器的指向性,获得超指向性特征,我们基于MEMS热线式振速传感芯片,设计并制作了一种新型的振速梯度传感器。

 

传感器性能演示

 

基于微电子机械系统(MEMS)技术的热线式声粒子振速传感器,具有体积小、低成本、高稳定性等特点,通过直接测量声粒子振速,可以实现在空气中对振速梯度进行测量,并在低频下也可获得较好的指向性。目前已有文献报道,利用两个或两个以上的MEMS热线式声粒子振速传感器探头,建立了单向声探头技术和PVG波束形成系统,证明了基于MEMS热线式声粒子振速传感器测量振速梯度,从而获得超指向性的可行性。然而,振速传感器探头之间的间距受到其封装尺寸的限制,导致其在狭窄空间和较高工作频率下的使用受到限制。理论上,两个振速传感器的间距越小,高频指向性越好。我们制作出的振速传感器间距不大于5mm,整个传感器探头的直径可以控制在12.7mm,未来还可以利用单片集成的方法将振速传感器的间距做得更小,从而使其更加适用于狭窄空间和高频场景下的指向性声学探测。

 

我们所研发的新型超指向性声学传感器具有良好的发展前景。在国家战略层面,该新型超指向性声学传感器所涉及的关键技术是国家“十四五”规划和2035远景目标纲要中提出的需要重点攻关的科技前沿领域。在市场应用层面,与常见的消费级超指向性麦克风相比,该新型超指向性声学传感器,具有指向性更高、体积更小的优点,因此在功能性和便携性上具有一定的市场优势。

 

传感器实物图与示意图

 

 

参赛收获及感悟

声矢量传感器最初的用途是声源定位,为了以一种更有趣的形式展现传感器的性能,我们想到将它作为一个具有指向性的话筒,没想到大材小用效果还不错。

 

参赛之初我们也只是抱着试一试的心态,并没有想过要拿什么名次的奖励。随着比赛进程的推进,我们也陆续碰到了很多的困难,这也导致了我们的中期检查成绩并不理想。但本着善始善终的原则,我们继续踏踏实实搞作品,认认真真做展示。最后竟然“无心插柳柳成荫”,我们的作品得到了评委们的认可,获得了不错的成绩。

科学研究的道路并不是一帆风顺,在实验的过程中总会有些意想不到的问题会发生,这些都是再正常不过的事情了。这些问题摆在我们面前的时候,个人的态度决定了事情的发展走向。“有志者事竟成”、“只要思想不滑坡,办法总比困难多”、“横空出世,莽昆仑,阅尽人间春色。飞起玉龙三百万,搅得周天寒彻。”我们要勇于直面困难。实验和科研的过程,其实就是发现问题,分析问题,解决问题,并在三者间不断循环的过程。另外,我们也可用辩证法的角度去看待科研的问题,事物发展的总趋势是前进的、上升的,而道路却是迂回曲折的,如果我们解决了问题,实验进展就可能有质的突破,换句话说,实验的问题也可能是我们取得重大的创新性成果的地方,因此困难和机会是并存的,困难通过努力,可以转化成机会。最后,对于科研和实验工作,我们应有实事求是的态度,即:注重研究客观事物的规律性。我们要有能通过实验的结果,获得规律性理论或结论的能力,这样对我们将来工作的改进会有巨大的帮助。


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