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.
