W artykule, opublikowanym na portalu ElectronicDesign, Moti Margalit, dyrektor generalny i współzałożyciel SonicEdge, obala popularne mity dotyczące technologii audio. Pokazuje, w jaki sposób technologie MEMS i modulowane ultradźwięki umożliwiają tworzenie mniejszych, mocniejszych głośników o lepszym basie i wydajności ANC.

Technologia głośników jest często źle rozumiana, a wiele utrwalonych przekonań wynika z ograniczeń tradycyjnych konstrukcji. Wraz z pojawieniem się nowych innowacji nadszedł czas, aby krytycznie przyjrzeć się tym mitom — w oparciu o fizykę, inżynierię i rzeczywiste zastosowania.

Moti Margalit, dyrektor generalny i współzałożyciel SonicEdge (kadr z filmu opublikowanego na stronie firmy)

1. Aby uzyskać mocny bas, potrzebny jest duży głośnik

Już nie. Chociaż większe membrany były historycznie kojarzone z głębszym basem, modulowane ultradźwięki, będące najnowszym przełomem w generowaniu dźwięku, podważają to założenie.

Modulowane ultradźwięki pozwalają małym głośnikom efektywnie generować niskie częstotliwości dzięki wykorzystaniu „efektu pompy”, w którym rozmiar membrany zastępuje prędkość pompy ultradźwiękowej. Realizowane w mikroelektromechanicznych systemach (MEMS) modulowane ultradźwięki osiągają szerokie pasma przenoszenia bez użycia nieporęcznych komponentów, udowadniając, że nowatorskie podejście do generowania dźwięku i sprytne przetwarzanie sygnału pozwalają przełamać konwencjonalne ograniczenia rozmiaru. Efekt? Głębokie basy z przetworników 10 razy mniejszych niż konwencjonalne jednostki.

2. Jeden głośnik nie może zapewnić zarówno mocnego basu, jak i ostrych tonów wysokich

Modulowane ultradźwięki zmieniają podstawowe właściwości fizyczne generowania dźwięku.

W przeciwieństwie do cewek głosowych, które opierają się na rezonansach mechanicznych i elektrycznych, modulowane ultradźwiękowe „głośniki pompowe” zapewniają stały przepływ powietrza we wszystkich częstotliwościach audio od kilku Hz do kilkudziesięciu kHz. Podejście to upraszcza projektowanie akustyczne, eliminując potrzebę stosowania wielu konfiguracji przetworników, elektronicznych zwrotnic i ograniczeń mechanicznych. Wystarczy jeden kompaktowy przetwornik o prostej konstrukcji akustycznej.

Źródło: SonicEdge

3. MEMS jest przeznaczony do mikrofonów, a nie głośników

Mikrofony MEMS zrewolucjonizowały rejestrację dźwięku, zastępując kondensatory elektretowe w smartfonach. Przez wiele lat osiągnięcie takiego samego przełomu w przypadku głośników pozostawało poza zasięgiem – aż do wprowadzenia modulowanych ultradźwięków. Ta innowacja rozszerza obecnie skalowalną trajektorię technologii MEMS z mikrofonów na głośniki.

Wykorzystując precyzyjne, produkowane seryjnie siłowniki o niskim poziomie zniekształceń, produkcja MEMS zapewnia stałą wydajność. Oparte na tej samej sprawdzonej bazie materiałowej i elektrostatycznych metodach uruchamiania, co mikrofony MEMS, modulowane ultradźwięki wprowadzają nowatorski przetwornik akustyczny, który toruje drogę do masowej produkcji z precyzją półprzewodników.

Kierunek rozwoju branży jest jasny: pod względem skalowalności wygrywa krzem.

Źródło: SonicEdge

4. Głośniki MEMS to tylko głośniki wysokotonowe

Pierwsza generacja głośników MEMS próbowała generować dźwięk poprzez poruszanie membranami MEMS. Skutkowało to ograniczoną wydajnością, ponieważ głośniki te mogły zapewnić jedynie funkcjonalność „głośnika wysokotonowego” o wysokiej częstotliwości. Modulowane ultradźwięki zmieniają paradygmat generowania dźwięku, umożliwiając tworzenie głośników MEMS o pełnym zakresie częstotliwości. Zapewnia to głęboki bas, krystalicznie czyste tony wysokie, a nawet ultradźwięki w znacznie mniejszym przetworniku.

5. Głośniki i mikrofony muszą być izolowane ze względu na wibracje

Tradycyjne przetworniki z ruchomą cewką generują drgania mechaniczne, powodując przesłuchy i szumy w mikrofonach i innych czujnikach. Ogranicza to możliwość łączenia głośników z innymi czujnikami, co ma negatywny wpływ na rozmiar i opóźnienia.

Źródło: SonicEdge

Modulowane ultradźwięki nie powodują drgań mechanicznych w zakresie częstotliwości audio, ponieważ cały ruch odbywa się w zakresie ultradźwięków. W rezultacie nie występują mechaniczne przesłuchy, a zintegrowane rozwiązania obejmujące głośniki, mikrofony, mikrofony przewodzące dźwięk przez kości i czujniki ruchu można połączyć w jednym urządzeniu.

Na przykład w słuchawkach dousznych z aktywną kontrolą hałasu (ANC) umieszczenie głośnika i mikrofonu w tym samym miejscu zmniejsza opóźnienia i poprawia wydajność ANC oraz przepustowość.

6. Małe membrany nie są w stanie przemieszczać wystarczającej ilości powietrza.

Przemieszczenie powietrza zależy od wychylenia powierzchni membrany. Modulowane ultradźwięki wprowadzają nową zmienną: cykle na sekundę. Otwiera to nowe możliwości w zakresie zmniejszania rozmiarów.

Źródło: SonicEdge

Mniejsze membrany przemieszczają mniej powietrza w jednym cyklu, ale modulowane ultradźwięki rekompensują to wyższą prędkością (częstotliwościami ultradźwiękowymi). Działając jak „pompy powietrza”, głośniki te wykorzystują drgania ultradźwiękowe i szybkie oscylacje, aby przemieszczać się i osiągać równoważne poziomy ciśnienia akustycznego przy znacznie mniejszych przemieszczeniach i rozmiarach membrany.

Przełom polega na zastąpieniu rozmiaru prędkością podczas generowania przepływu powietrza. To prędkość ruchu, a nie objętość membrany, decyduje o mocy wyjściowej.

7. Innowacje w zakresie głośników są jedynie stopniowe

Od ponad 150 lat fizyka głośników opiera się na membranie generującej przepływ powietrza. Chociaż postępy w zakresie materiałów, konstrukcji, projektowania akustycznego i elektroniki umożliwiły uzyskanie lepszego dźwięku i bardziej kompaktowych systemów, postępy te były w dużej mierze stopniowe.

Źródło: SonicEdge

Modulowane ultradźwięki stanowią przełom w technologii audio. „Głośniki pompowe” umożliwiają tworzenie zupełnie nowych projektów akustycznych, a nawet nowych produktów wykorzystujących skalowalną produkcję opartą na półprzewodnikach. Przejście na komponenty audio oparte na krzemie odzwierciedla przełomowe zmiany wprowadzone przez przemysł półprzewodnikowy w wielu dziedzinach, w stosunku do starszych technologii

8. Konsumenci nie zauważą różnicy w rozmiarze ani jakości dźwięku

Anatomia kanału słuchowego różni się znacznie u poszczególnych osób (a także między uszami pojedynczego człowieka). Ta różnica anatomiczna może mieć wpływ zarówno na komfort, jak i na parametry akustyczne.

Mniejsze przetworniki otwierają drzwi do bardziej eleganckich form i zupełnie nowych kategorii produktów, takich jak okulary rozszerzonej rzeczywistości (AR) z wbudowanym audio. Jednak miniaturyzacja to nie tylko zmniejszenie rozmiarów sprzętu; wymaga ona precyzyjnego, ergonomicznego projektu i dostrojenia akustycznego, aby zapewnić stałą wydajność dla różnych użytkowników. Modulowane ultradźwięki oferują elastyczność pozwalającą sprostać tym wymaganiom, umożliwiając innowacje bez uszczerbku dla dopasowania lub wierności.

Źródło: SonicEdge

9. Głośniki są delikatne i wrażliwe

Podczas gdy przetworniki z ruchomą cewką ulegają zużyciu, głośniki MEMS na bazie krzemu, wykorzystujące modulowane ultradźwięki, są bardzo wytrzymałe. Od materiałów po architekturę, głośniki modulowanych ultradźwięków podążają ścieżką urządzeń półprzewodnikowych z krzemu, oferując nieodłączną wytrzymałość mechaniczną, niezawodność, spójność i skalowalność.

10. Dostrojenie ANC jest trudne ze względu na rezonanse głośnika

ANC opiera się na wyrównaniu fazowym i niskim opóźnieniu, aby skutecznie eliminować hałas. Tradycyjne przetworniki powodują opóźnienia i nieodłączne przesunięcia fazowe spowodowane rezonansami mechanicznymi, co ogranicza ich wydajność.

Natomiast głośniki wykorzystujące modulowane ultradźwięki mają naturalną płaską charakterystykę fazową, krótkie opóźnienie i wysoką spójność. Ułatwia to dostrojenie ANC i poprawia wydajność w szerszym zakresie częstotliwości.

Źródło: SonicEdge

11. Aby uzyskać wysoką jakość dźwięku, potrzebujesz wielu przetworników i złożonych zwrotnic

Tradycyjne systemy głośnikowe opierają się na wielu specjalistycznych przetwornikach — głośnikach niskotonowych do basów, średniotonowych do wokali i wysokotonowych do wysokich tonów — połączonych za pomocą złożonych elektronicznych zwrotnic, które powodują przesunięcia fazowe, straty mocy i potencjalne punkty awarii. Takie podejście, oparte na wielu przetwornikach, jest standardem branżowym w zakresie odtwarzania dźwięku w pełnym zakresie częstotliwości.

Modulowane ultradźwięki eliminują tę złożoność. Głośniki pompowe utrzymują stały przepływ powietrza i płaską charakterystykę fazową w całym spektrum audio, dlatego pojedynczy przetwornik może zapewnić pełny zakres częstotliwości bez konieczności stosowania zwrotnic lub dopasowywania przetworników. Nie tylko zmniejsza to liczbę komponentów i koszty, ale także eliminuje problemy z koherencją fazową, które nękają systemy wieloprzetwornikowe.

Rezultatem jest prostsza konstrukcja akustyczna, większa niezawodność i bardziej spójne odtwarzanie dźwięku — wszystko to dzięki pojedynczemu, kompaktowemu przetwornikowi, który z łatwością zmieści się w przestrzeniach, gdzie tradycyjne systemy wielogłośnikowe po prostu nie mają zastosowania.

Źródło: SonicEdge

Wniosek: Rewolucja audio

Branża audio przechodzi cichą rewolucję. Postępy w dziedzinie materiałoznawstwa i miniaturyzacji podważają utrwalone od dawna założenia. Chociaż nie ma jednego rozwiązania, które odpowiadałoby na wszystkie pytania, kierunek jest jasny: mniejsze, inteligentniejsze i bardziej zintegrowane projekty wyprzedzają legalny sprzęt zarówno pod względem formy, jak i funkcji.

Źródło: ElectronicDesign

Obrazy są kadrami z filmu opublikowanego na stronie SonicEdge.