Czy ultradźwiękowe głośniki MEMS zmienią rynek audio?

Głośniki to jeden z elementów, który praktycznie nie zmienia się na przestrzeni lat. Niezależnie od tego, czy znajdziemy je w słuchawkach, smartfonie, telewizorze czy potężnym systemie koncertowym, zdecydowana większość wciąż opiera się na tej samej zasadzie. Okazuje się jednak, że wcale nie musi tak być. Być może przyszłość niewielkich głośników będzie należała do technologii, która wykorzystuje ultradźwięki.

Dodaj do ulubionych źródeł w Google
Posłuchaj
00:00

Tradycyjny głośnik, niezależnie od tego, czy wykorzystuje klasyczną cewkę i membranę, czy element piezoelektryczny, musi fizycznie poruszać powietrzem z odpowiednią częstotliwością. Jeśli chcemy uzyskać dźwięk o częstotliwości 1 kHz, membrana musi wykonać w ciągu sekundy 1000 ruchów. Alternatywą mogą być głośniki MEMS. W nich mikroskopijna membrana o średnicy 50 μm jest pobudzana z częstotliwością około 400 kHz. W jej wnętrzu znajdują się dwie przewodzące membrany ułożone jedna nad drugą. Dolna wykonuje niezwykle szybkie drgania względem środkowej, generując serię impulsów ciśnienia. Górna pełni natomiast funkcję swoistego ultraszybkiego zaworu, który w odpowiednich momentach otwiera i zamyka otwór w membranie środkowej. W efekcie obwiednia przebiegu audio jest generowana jako suma impulsów ultradźwiękowych. Zamiast poruszać dużą membraną stosunkowo powoli, głośnik MEMS wykorzystuje ogromną liczbę mikroskopijnych pompek, które przemieszczają niewielkie ilości powietrza z ultradźwiękową prędkością.

Oczywiście, niesie to ze sobą liczne korzyści. Typowy przetwornik dynamiczny stosowany w słuchawkach dousznych ma około 12 mm średnicy i 3-4 mm grubości. Głośniki piezoelektryczne MEMS również wymagają sporo miejsca, ponieważ ich elementy wykonawcze nie mają dużego zakresu ruchu. Przykładowy kompletny moduł ultradźwiękowego głośnika MEMS ma natomiast około 7 × 7 × 1 mm. W tak niewielkiej obudowie znajduje się około 1000 mikroskopijnych komórek pompujących powietrze. Każda z nich odpowiada za niewielką część całkowitego przepływu, ale wszystkie pracujące jednocześnie mogą zapewnić możliwości porównywalne z dużo większym klasycznym przetwornikiem dynamicznym.

Tradycyjne głośniki są też stosunkowo mało efektywne w zamianie energii elektrycznej na energię akustyczną. Znaczna część pobieranej energii ostatecznie zamienia się w ciepło. Według przedstawicieli firm zajmujących się tą technologią sam mechanizm ultradźwiękowego pompowania może być około dziesięciokrotnie bardziej efektywny od klasycznego przetwornika dynamicznego. Obecne rozwiązania nadal mają dodatkowe straty związane z elektroniką sterującą, ale sama technologia generowania dźwięku już teraz może być znacznie wydajniejsza.

To nie jest tylko koncepcja

Co ciekawe, przestajemy mówić już jedynie o koncepcie. Na samym początku w rozwoju głośników ultradźwiękowych przodowała firma SonicEdge. Obecnie swoje rozwiązania wykorzystujące ultradźwięki rozwija między innymi firma xMEMS, a podobnymi koncepcjami interesują się także naukowcy i firmy z branży półprzewodników. To może być bardzo dobra wiadomość dla całego rynku. Jeśli niezależnie od siebie wiele firm dochodzi do podobnych wniosków, zazwyczaj oznacza to, że technologia zaczyna być postrzegana jako realny kierunek rozwoju.

Poszczególne rozwiązania oczywiście różnią się między sobą, ale podstawowy pomysł pozostaje podobny: wykorzystanie ultradźwięków do tworzenia bardzo małych i wydajnych głośników. Lada moment mogą powstać więc pierwsze standardy i wdrożenia komercyjne. Obecne próbki SonicEdge są przede wszystkim przeznaczone do słuchawek, urządzeń wspomagających słyszenie oraz inteligentnych okularów. Firma prowadzi już również projekty typu proof-of-concept z potencjalnymi klientami.

W dalszej perspektywie możliwości są jeszcze ciekawsze. Większe zestawy takich mikroskopijnych komórek mogłyby stopniowo zastępować coraz większe tradycyjne głośniki. Dobrym przykładem może być samochód. Wyobraźmy sobie głośniki umieszczone w zagłówku fotela. Klasyczne konstrukcje są stosunkowo duże i ciężkie, co nie jest szczególnie dobrym rozwiązaniem w miejscu znajdującym się zaledwie kilka centymetrów od głowy pasażera.

Warto tutaj zadać jeszcze jedno pytanie: dlaczego dopiero teraz technologia zaczyna być naprawdę gotowa? W 2023 roku SonicEdge planowało stworzenie w dużej mierze własnego procesu produkcji elementów MEMS. Problem polega na tym, że w przypadku MEMS nie można tak łatwo przenosić projektów między fabrykami, jak w przypadku klasycznych układów CMOS. Każdy proces produkcji MEMS opiera się na konkretnym zestawie materiałów, etapów technologicznych i doświadczeń zdobywanych przez lata. Stworzenie zupełnie nowego procesu od podstaw jest więc bardzo czasochłonne i kosztowne. Ale wygląda na to, że zbliżamy się do pierwszych wdrożeń komercyjnych.

Chcesz częściej widzieć nasze artykuły w Google? Dodaj ElektronikaB2B do ulubionych źródeł
Powiązane treści
Głośniki MEMS – rewolucja na rynku audio?
Do urządzeń mobilnych trafią pierwsze głośniki MEMS
Zobacz więcej w kategorii: Gospodarka
Produkcja elektroniki
ESMC kończy budowę konstrukcji fabryki półprzewodników w Dreźnie
PCB
Drożeją materiały do produkcji PCB – rynek pod presją rosnącego zapotrzebowania na infrastrukturę AI
Produkcja elektroniki
UE rozszerza kontrolę eksportu technologii podwójnego zastosowania
Komunikacja
HAPS-y staną się ratunkiem dla zatłoczonej orbity?
Produkcja elektroniki
Scanfil rozbuduje zakład w Mysłowicach o 6 tys. m²
Komponenty
Altera przygotowuje się do IPO. Może pozyskać ponad 2 mld dolarów
Zobacz więcej z tagiem: Elektromechanika
Prezentacje firmowe
Golten - jakość połączeń od płytki PCB po szynę DIN - Jak dobór materiałów, kontrola procesu i automatyzacja produkcji przekładają się na niezawodność złączy
Technika
Miniaturyzacja w przekaźnikach - odpowiedź na rosnące ceny surowców
Prezentacje firmowe
Złącza prądowe i systemy konfekcjonowania przewodów dla wymagających aplikacji

Kompatybilność elektromagnetyczna

Historia EMC (electromagnetic compatibility) zaczyna się od potrzeby opanowania problemu: co zrobić, gdy jedno urządzenie zaczyna zakłócać pracę drugiego. Miała swój początek wraz z pojawianiem się coraz większej liczby urządzeń elektrycznych wykonujących bardziej złożone zadania. Początkowo problem ten miał charakter niemal przypadkowy, a przybrał rolę istotnego wyzwania technicznego wymagającego systematycznego podejścia. Aktualnie jest to obowiązkowy punkt w produkcji urządzeń elektrycznych oraz elektronicznych.
Zapytania ofertowe
Unikalny branżowy system komunikacji B2B Znajdź produkty i usługi, których potrzebujesz Katalog ponad 7000 firm i 60 tys. produktów