From Actuator to Microphone: Acoustic Characterization of the Floating Mass Transducer in Bidirectional Use
本研究表明，浮动质量换能器（FMT）可以作为执行器和麦克风进行双向功能，其新开发的变体在保持频率响应互性的同时，显示出更高的灵敏度和信噪比。
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听觉是外界世界与体内神经之间一场细腻的对话。对于数百万听力受损的人来说，这场对话被中断了，而医生经常介入提供帮助。一种强大的工具是主动式中耳植入物，这种设备可以绕过受损的耳朵部分，去震动传递声音的微小骨骼。这些设备使用一种被称为浮动质量换能器的小组件，它就像一个马达，将电信号转化为内耳能够理解的物理振动。但声音是双向工作的。正如扬声器将电能转化为声音一样，麦克风则将声音转回电能。研究人员长期以来一直追问的问题是：这个同样微小的马达是否也能倾听？如果这个能够推动耳骨的设备也能感知其运动并将其转回电信号，它就能变成一个内置的麦克风。这将使之成为一个完全自给自足的听力植入物，完全隐藏在体内，无需佩戴或隐藏任何外部部件。
维尔茨堡大学医院的一个研究小组致力于在实验室中测试这个想法。他们专注于浮动质量换能器，这是一种看起来像包含磁铁和线圈的小圆柱体装置。在标准的听力植入物中，电流流经这些线圈，产生磁场来推动和拉动磁铁，从而导致整个单元相对于耳骨发生振动。研究人员想看看这个过程是否可以反向运行。如果声波撞击耳骨并使其振动，这种运动是否会推动设备内部的磁铁并产生电压？为了找出答案，他们不仅将该设备视为扬声器，还将其视为听者。他们将换能器放置在一个模拟人类耳道形状和大小的模型中，并配有一个由薄纸制成的模拟鼓膜。然后，他们播放了一种从低沉轰鸣到高音调上升的扫频声音，并测量了设备的反应。
该研究比较了三种不同版本的设备。其中一个是目前用于驱动耳骨的标准型号。另外两个是制造商专门针对更好地捕捉声音而进行的改良设计。研究人员首先测量了每种设备作为扬声器驱动模型鼓膜的效果。然后，他们交换了角色。他们向模型播放相同的声音，并记录下设备对这些声音产生的微弱电信号。他们发现，这些设备确实可以作为麦克风工作。它们听到的声音模式与它们能产生声音的模式相匹配。当设备擅长让某种音调产生振动时，它也擅长感应同样的音调。通过增加绕线圈数并改变尺寸，新设计表现得甚至比标准型号更好。它们捕捉到了更宽的频率范围，并产生了更强的电信号。
信号强度对于麦克风至关重要，因为它决定了设备在背景噪音中听清言语的能力。标准设备每帕斯卡声压产生的最大信号强度为 0.16 毫伏。新设计显著提升了这一点，其中一个达到了 0.22 毫伏。这种提升非常重要，因为更强的信号更容易处理，且不太容易在静电干扰中丢失。研究人员还测量了信噪比，即将目标声音与设备本身的微弱嗡嗡声进行对比。新设计的信噪比最高可达 6.8.9 分贝，在人类语言范围内的平均值为 52.4 分贝。这种性能与已测试过的其他专用植入式麦克风相当，在某些情况下甚至更好。结果表明，允许设备推动耳骨的物理原理同时也允许它倾听耳骨，有效地将执行器转化为了传感器。
然而，研究人员谨慎地指出，这只是漫长旅程中的一步。测试是在一个简化的塑料耳部模型中进行的，而不是在活体人类身上。真实的耳朵具有复杂的形状，其曲线和组织会以塑料管无法模拟的方式塑造声音。研究人员承认，该设备需要在实际的人类耳骨上进行测试，以观察其在真实环境中的表现。他们还指出，虽然设备可以“听”，但最终的测试是它能否捕捉到清晰的语音。下一阶段的工作将涉及录制说话声并将其与标准录音进行对比，以确保其质量足以让人理解对话。虽然这项研究证实了浮动质量换能器可以作为麦克风发挥作用，但要实现一个依赖这种双重功能的完全植入式听力系统，仍需要在更真实的设置中进行进一步验证。潜力是显而易见的，但工作尚未完成。
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