Rewolucja w świecie audio - subminiaturowe głośniki xMEMS

Rewolucja w świecie audio - subminiaturowe głośniki xMEMS

Klasyczne membrany głośnikowe są zwykle produkowane w oparciu na stosunkowo wąskiej grupie materiałów, których obróbka - w przypadku konstrukcji elektrodynamicznych - nie stanowi raczej większego wyzwania technologicznego. A co, gdyby celulozę bądź polipropylen zastąpić materiałem pozornie całkowicie niezdolnym do pracy w roli membrany - krzemem? Takie wyzwanie, z doskonałym zresztą skutkiem, podjęła firma xMEMS, wprowadzając na rynek serię miniaturowych głośników, opartych na technologii MEMS.

Kalifornijska firma xMEMS jest światowym pionierem w dziedzinie projektowania i produkcji monolitycznych (tj. całkowicie krzemowych) mikrogłośników, bazujących na nowoczesnej technologii MEMS, zaś o skali przedsięwzięcia niech świadczy fakt, iż stosunkowo młody start-up ma ponad 130 patentów oraz ponad 100 kolejnych zgłoszeń patentowych w tym zakresie. Poniższy krótki artykuł przedstawia fundamentalne zagadnienia konstrukcyjne i przybliża podstawy działania głośników MEMS, a także ich różnice w stosunku do konwencjonalnych technologii.

Krótki rys historyczny

Tradycyjne głośniki już od ponad 100 lat generują dźwięk przy użyciu kombinacji ruchomej cewki, połączonej z membraną i współpracującej z nieruchomym magnesem. Na przestrzeni dekad rozwoju techniki audio powstały tysiące odmian głośników, różniących się budową, zastosowanymi materiałami, jakością wykonania - a co za tym idzie - wynikową jakością odbioru dźwięku przez słuchacza. Na odpowiedź częstotliwościową głośnika oraz jego osiągi w zakresie mocy maksymalnej wpływają praktycznie wszystkie aspekty konstrukcyjne i materiałowe, a to wiąże się z kolosalnym rozrzutem cen, widocznych dla odbiorcy końcowego. Są na rynku głośniki (i - co ciekawe - znajdują one nabywców) o wartości dobrej klasy samochodu.

Z drugiej strony, od kilkudziesięciu lat są dostępne na rynku stosunkowo tanie głośniki piezoelektryczne, zbudowane z różnych materiałów krystalicznych. Podzespoły te mają z reguły bardzo prostą budowę w porównaniu z tradycyjnymi głośnikami dynamicznymi, niemniej jednak jakość odtwarzania oraz ich trwałość praktycznie ograniczyły zastosowanie tych głośników do aplikacji sygnalizacyjnych (buzzery).

xMEMS - nowe otwarcie w zakresie przetworników akustycznych

Firma xMEMS wychodzi z propozycją głośnika miniaturowego (obudowa SMD), całkowicie krzemowego, o stosunkowo wysokich (jak na tak niewielkie wymiary) osiągach w zakresie SPL. Mało tego - przetwornik oferuje bardzo wysoką odporność na warunki środowiskowe, zaś z uwagi na zastosowaną technologię MEMS produkcja odbywa się z dużą precyzją i powtarzalnością, charakterystyczną wszak dla zakładów wytwarzających komponenty półprzewodnikowe.

W tym miejscu ważna uwaga, dotycząca parametru SPL głośnika (ang. Sound Pressure Level) - jest to mierzona w decybelach wartość poziomu ciśnienia akustycznego, jakie jest w stanie wytworzyć określony model przetwornika, przy dostarczeniu mu sygnału elektrycznego o danej amplitudzie i częstotliwości - z tego też względu ten sam parametr jest niekiedy nazywany po prostu czułością (ang. sensitivity).

Warto wiedzieć, że najważniejszą zaletą zastosowania krzemu do wytworzenia membrany głośnika jest jego sztywność, umożliwiająca uzyskanie dźwięku wysokiej jakości i to już od samego początku pasma słyszalności (około 20 Hz). Jak wiadomo, niewielkie głośniczki, stosowane m.in. w słuchawkach dousznych, "kuleją" zwykle w dolnych obszarach spektrum, podbijając jednocześnie wysokie tony - w tym przypadku charakterystyka jest perfekcyjnie płaska w zakresie od 20 Hz do niemal 1 kHz, a dalszy wzrost SPL w funkcji częstotliwości przebiega w dość "przewidywalny", wręcz liniowy sposób (i to aż do 10 kHz - patrz rysunek 1).

Rysunek 1. Charakterystyka częstotliwościowa głośnika xMEMS

Najwyższej klasy głośniki średnio-wysokotonowe bazują czasem na "egzotycznych", bardzo sztywnych materiałach (np. tytanie czy nawet diamencie), aby uzyskać możliwie klarowny dźwięk w szerokim paśmie. Jednak większość dzisiejszych dousznych głośników używa membran plastikowych, których sztywność plasuje się na poziomie około 1/100 wartości tego parametru dla krzemu (patrz tabela 1). Krzem jest 95 razy sztywniejszy od tworzyw sztucznych, ponad 2 razy sztywniejszy od aluminium i o 30% sztywniejszy od tytanu. Zapewnia to bardziej jednolite pasmo przenoszenia, eliminując typowe niedoskonałości widmowe tradycyjnych głośników.

Poniżej przedstawiamy najważniejsze parametry głównych członków rodziny mikrogłośników marki xMEMS.

Cowell (fotografia 1) to najmniejszy na rynku głośnik typu MEMS o wymiarach 3,2×6,0×1,15 mm i polu powierzchni membrany równym 22 mm³. Uzyskiwany za jego pomocą poziom SPL to 116 dB (@ 2 kHz/30 Vpp).

Fotografia 1. Głośnik xMEMS typu Cowell (https://tinyurl.com/2n9575pt)
Rysunek 2. Uproszczony przekrój konstrukcji przetwornika xMEMS

Montara Plus (fotografia 2) to miniaturowy głośnik MEMS o stosunkowo dużej mocy - jego wymiary to 5,15×10,8×1,15 mm, a powierzchnia membrany jest niemal 3× większa niż w przypadku modelu Cowell (64 mm³). Przetwornik osiąga wartość poziomu ciśnienia akustycznego równą 127 dB przy pobudzeniu sygnałem 2 kHz/30 Vpp.

Fotografia 2. Głośnik xMEMS typu Montara Plus (https://tinyurl.com/4hmy94u6)

Przykładowe zastosowania głośników xMEMS:

  • IEM (In Ear Monitor - rysunek 3), czasem zwane jako monitory douszne (stosowane przez profesjonalistów z branży muzycznej),
Rysunek 3. Budowa słuchawki dousznej na bazie głośnika xMEMS (https://tinyurl.com/2ucsx8s8)
  • Aplikacje medyczne (np. słuchawki zdolne do pracy w silnym polu magnetycznym),
  • Słuchawki pozbawione problemu generowania alarmu przez wykrywacze metali na lotniskach,
  • Słuchawki pracujące w trudnych warunkach pogodowych, w środowisku przemysłowym,
  • Bezprzewodowe słuchawki douszne dla konsumentów,
  • Aparaty słuchowe.

Bartosz Olesiński

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
styczeń 2024

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik czerwiec 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio maj - czerwiec 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje maj 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna czerwiec 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów