Głośniki MEMS – rewolucja na rynku audio?

| Technika

Głośniki oparte na mikroukładach elektromechanicznych to relatywnie nowa technologia rzucająca wyzwanie tradycyjnym głośnikom elektrodynamicznym. Aby odpowiedzieć na pytanie, w czym głośniki MEMS są lepsze od tradycyjnych rozwiązań, należy przyjrzeć się ich właściwościom.

Głośniki MEMS – rewolucja na rynku audio?

Zalety głośników MEMS można podzielić na dwie kategorie – ogólne oraz takie, które pojawiają się w specyficznych zastosowaniach. Wśród tych ogólnych można wymienić ich łatwą integrację na płytce PCB – głośniki MEMS zbudowane są na podłożu PCB (rys. 1), dzięki czemu mogą zostać łatwo zamontowane w procesie automatycznego montażu SMT. Jest to bardzo istotne w aplikacjach wearables i smartfonach, a więc w urządzeniach małych i produkowanych w wielkiej skali. Druga zaleta to możliwość integracji głośnika z chipem, np. wzmacniaczem, w jeden komponent.

Przykładem udanej integracji wzmacniacza i głośnika MEMS na jednym podłożu jest produkt firmy USound. Firma ta produkuje moduły audio wyposażone w głośnik oraz wzmacniacz z interfejsem zarówno cyfrowym, jak i analogowym (rys. 2). Takie rozwiązanie znacząco skraca czas potrzebny na zaprojektowanie i stworzenie gotowych urządzeń. Co więce, taki moduł zawiera programowalne filtry, których parametry mogą zostać zmodyfikowane na potrzeby konkretnego rozwiązania, a dołączane do produktu oprogramowanie zawiera już zestawy najpopularniejszych z nich.

Niski pobór mocy

Pomimo, że głośniki MEMS wymagają większego napięcia w porównaniu do tradycyjnych głośników elektrodynamicznych, ich całkowity pobór mocy jest niższy, gdyż dzięki swojej wysokiej impedancji wewnętrznej wymagają niższego prądu sterującego. Są to rozwiązania piezoelektryczne. Głośniki MEMS mają podobne właściwości do kondensatorów – duża część energii jest reaktywna i może zostać użyta ponownie, dzięki czemu możliwe jest jeszcze większe obniżenie poboru mocy. Tabela 1 przedstawia prąd sterujący głośnikiem MEMS zmierzony trzema różnymi metodami przy poziomie głośności 94 dB oraz dla porównania ten sam pomiar dokonany przy głośniku elektrodynamicznym.

Niski pobór mocy sprawia, że głośniki MEMS doskonale sprawdzają się w urządzeniach bezprzewodowych, w szczególności w słuchawkach bezprzewodowych (zasilanych z baterii).

 
Rys. 1. Głośniki MEMS, po prawej wersja na podłożu PCB o wymiarach 6,7×4,7×1,6 mm

Właściwości w specyficznych zastosowaniach

W tym obszarze aplikacyjnym można wyróżnić dwie kategorie:

  • urządzenia douszne, gdzie głośnik znajduje się w słuchawce wewnątrz kanału ucha. W tych rozwiązaniach ucho słyszy jedynie dźwięk z głośnika, a odgłosy zewnętrzne są wytłumione.
  • urządzenia zewnętrzne, gdzie głośnik znajduje się poza uchem, które słyszy wszystkie dźwięki otoczenia.

Główną zaletą aplikacyjną rozwiązań MEMS w tej kategorii jest niewątpliwie ich niewielki rozmiar, zilustrowany na rysunku 3, umożliwiający montaż źródła zasilania o większej pojemności w gotowym urządzeniu. W połączeniu z opisanym wcześniej niskim poborem mocy zastosowanie głośników MEMS pozwala uzyskać długi czas pracy urządzenia na jednym ładowaniu.

 
Rys. 2. Wzmacniacz zintegrowany z głośnikiem MEMS na podłożu PCB
 
Rys. 3. Douszna słuchawka bezprzewodowa wykorzystująca głośnik MEMS

Produkowane przez firmę USound głośniki MEMS cechują się również bardzo szerokim pasmem przenoszenia, co zostało potwierdzone w niezależnych badaniach producentów sprzętu audio. Ich wyniki wyraźnie pokazują, że głośniki MEMS mogą konkurować z głośnikami elektrodynamicznymi pod kątem jakości dźwięku.

Zalety w urządzeniach zewnętrznych

Potencjał tkwiący w niewielkich rozmiarach głośników MEMS może zostać również wykorzystany w urządzeniach zewnętrznych takich jak smartwatche i inne wearables w identyczny sposób jak w urządzeniach dousznych.

 
Rys. 4. Moduł audio do zestawu AR/VR firmy USound

Kolejnym interesującym zastosowaniem jest wprowadzony na rynek przez firmę USound moduł audio do zestawów AR/VR (rys. 4). Składa się on z elektrodynamicznego głośnika niskotonowego oraz wysokotonowego głośnika MEMS. Pozwala to na osiągnięcie dużo lepszej wierności barwy dźwięku od rozwiązań wykorzystujących tylko jeden typ głośnika, a dodatkowo emisja jest skupiona wokół ucha użytkownika, dzięki czemu nie jest dobrze słyszalny dla innych osób znajdujących się w pobliżu urządzenia.

Rynek samochodowy również może skorzystać na wykorzystaniu głośników MEMS, które połączone ze sobą liniowo mogą zostać zamontowane bezpośrednio w podsufitce pojazdu, zastępując duże głośniki wysokotonowe. Rozwiązanie to pozwala na zwiększenie wolnej przestrzeni w kabinie samochodu oraz zapewnia wysoką jakość dźwięku użytkownikom, a także ułatwia tworzenie systemów dźwięku przestrzennego.

Wsparcie dla projektantów

 
Rys. 5. Zestaw ewaluacyjny Ananke 3.0

Dla konstruktorów firma USound przygotowała płytkę ewaluacyjną Ananke 3.0, przedstawioną na rysunku 5, aby ułatwić prace nad wdrażaniem głośników MEMS do swoich rozwiązań. Zestaw ten, o wymiarach 8×7 cm, zawiera dwa analogowe wejścia audio, kontroler Bluetooth zgodny ze standardem 4.1 oraz zintegrowany procesor pozwalający użytkownikom na tworzenie własnych konfiguracji cyfrowych filtrów audio. Ananke wspiera również profil zaawansowanej dystrybucji audio Bluetooth A2DP oraz profil HFP (Hands-Free Profile).

Głośniki MEMS to dalej nowa technologia, a ich pełny potencjał będzie odkrywany dopiero z czasem, jednak już teraz znane są ich wyjątkowe właściwości i zalety w porównaniu do głośników elektrodynamicznych. Na szybko zmieniającym się rynku audio to właśnie pierwsze firmy używające technologii MEMS będą mogły zapewnić swoim klientom nowe i wyjątkowe rozwiązania.

 

Rich Miron, Digi-Key Electronics
https://www.digikey.pl/

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie