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扬声器芯片MEMS,利用超声波突破音量限制

扬声器芯片MEMS,利用超声波突破音量限制
技术资料 | 来源:全部 2023-11-15

  根据Yole Group市场研究公司的数据,MEMS 芯片已经占领了麦克风市场,甚至在五年前就占据了麦克风销售的大部分。Householder 解释说,但扬声器需要与 MEMS 不同的东西。它们必须推动一定量的空气,而不是被空气推动。现在进入产品的xMEMS 扬声器是带有多个硅片的芯片,这些硅片涂有压电材料,可以在可听频率下振动。

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  XMEMS已经展现了MEMS技术的许多优势。专门研究可听频率的 MEMS 芯片具有非常低的相位失真。这是声音信号的时间根据其频率的变化。在之前的一篇文章中, 曾制作过 9 张格莱美获奖专辑的母带工程师Brian Lucey告诉IEEE Spectrum:


  “相位不准确如此普遍,以至于我们只能接受它......迄今为止的驱动器技术从未能够如此准确。这实际上不是一个不准确时听起来是什么样的问题,因为这对我们的耳朵来说是正常的。更重要的是,当它几乎完全准确时,听起来会是什么样子……一切都在同时击中你。声音的传播方式没有时间的痕迹。”


  Householder 认为,从制造和工程的角度来看,MEMS 也是一场胜利。一方面,它是一个不太复杂的系统,仅由单个封装芯片和随附的 IC 组成,而不是由线圈、磁铁、隔膜和其他部件组成的复杂组件。线圈扬声器需要劳动密集型的制造和测试,部分原因是单元之间的不一致。MEMS 使耳塞设计变得更加容易,因为它们不会像线圈扬声器那样产生电磁干扰,并且不需要耳塞背面有特定体积的空气来提高音质。


  MEMS 降噪问题


  对于某些应用来说,这一切已经足够了,但对于“真正的无线立体声”耳塞来说,有一个问题。如果你有一双,而且你可能有,你会注意到一个很小的通风口。Householder 解释说,它的存在有三个原因。一是释放耳机和耳道之间不舒服的压力。另一个是减少你自己的声音在你的大脑中被放大的奇怪效果。第三是促进主动噪声消除。


  主动降噪依赖于假设耳机和耳朵之间相对稳定的密封的算法。但现实生活并非如此。正常使用时芽会移位,密封不一致。Householder 解释说,通风口意味着系统中的泄漏比密封件中的任何小破损都要大得多,从而压倒微小的变化并允许降噪算法发挥作用。


  “缺点是当你向扬声器开放空气时”,它会影响低频,他说。“这就是扬声器的物理原理。” 他说,在耳塞式耳机中,低频通常会损失约 20 分贝。如今设备中的 xMEMS 扬声器可以达到 120 dB,是的,这已经是一个相当不健康的水平了。但要抵消世界上的手提钻和喷气发动机的影响,低频需要 140 dB。


  为了弥补 MEMS 设备的差异,设计人员目前将其与用作低音扬声器的线圈扬声器配对。但 Householder 表示,xMEMS 新超声波技术可以独立完成全部工作。


  xMEMS 超声技术的工作原理


  第一步,定制 IC 用音频信号调制超声载波信号。结果是超声信号,其幅度是音频信号的形状。该组合信号驱动一对悬臂,将信号转化为扬声器室内的超声波压力波。然后,第二个信号定期对腔室进行排气,产生一系列压力尖峰,其包络线就是我们听到的音频信号。


  新芯片的声音实际上提高了 40 倍,即使在人类听觉的最低端 20 赫兹下也能达到 140 分贝以上。这足以完成主动降噪的工作。同样重要的是,它为该技术提供了一条通往需要更大容量的消费产品(例如智能手机和笔记本电脑)的道路。

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