新型耳塞:護聽力又保音質,驚豔來襲!
聽力損失是不可逆轉的,也是全球最常見的與工作相關的傷害。預防是解決這個問題的唯一方法。但是,誰不曾因泡沫耳塞讓搖滾音樂會的聲音變得沉悶且低音過重而感到煩惱呢?或者在嘈雜的工作場所佩戴笨重的護耳器時難以聽清同事說話?
無論是爲了改善音樂體驗還是聽清同事說話,在這些情況下,人們很容易屈服於誘惑,擡起甚至完全取下聽力保護裝置。這使我們暴露於危險的噪音水平之下,也讓永久性聽力損失成爲了全球性的公共衛生問題。
開發一種有助於預防這種情況的技術,是 SINTEF 和 Minuendo 合作項目“Picovatt”背後的推動動力。結果呢?在 SINTEF MiNaLab(NorFab 基礎設施的一部分)開發出了一種具有音量控制且無聲音失真的壓電微機電系統(piezoMEMS),能夠實現無聲音失真的音量控制。此外,該芯片還兼具麥克風和揚聲器的功能。
如今,存在被動和主動聽力保護器。前面提到的泡沫耳塞和耳罩是被動的,這意味着它們缺乏集成電子設備或高級功能。主動聽力保護使用內置麥克風、信號處理器和揚聲器,根據環境調整和控制聲音水平。
但這些耳機往往體積大、戴着不舒服,而且發出的聲音不自然。
雖說有主動式聽力保護裝置可供使用,可被動式的選擇在市場上還是佔了主導地位。
Minuendo 在 2018 年從 SINTEF 分出來,在全球售賣廣受稱讚的聽力保護產品。在它當前這個版本的耳塞(如圖 1 左側所示)裡,是通過用一個小小的手動槓桿來打開和關閉一個小狹縫從而調節音量的。聲音能自然通過,手動可調節的阻尼在 9 到 25 分貝。
在 Picovatt 項目中開發的新型壓電微機電系統(piezoMEMS)芯片通過彎曲小型的“樑結構”或者位於每個狹縫頂部的微小“蓋子”,以電子方式打開和關閉多個狹縫。
這使得音量控制的範圍從接近 0 分貝(處於打開狀態)到 40 分貝(處於關閉狀態)。有源部分,也就是執行器,由塗有微米級薄的鋯鈦酸鉛(PZT)壓電層的薄硅構成。當施加電壓時,PZT 在平面內收縮,“拉動”表面,從而使樑向上彎曲。
在 30 伏時,樑的尖端擡起約 100 微米,從而讓聲音能夠無衰減地通過。當電壓下降時,狹縫關閉。
通過改變電壓,您就能擁有一個耳塞,讓您站在搖滾音樂會的前排,並將音量調整到安全舒適的水平,同時音質不變。不再有沉悶、重低音、失真的聲音,只有在完美安全音量下純淨清晰的搖滾樂。
這種混合耳塞的作用不只是音量控制;它還可以播放聲音或其他音頻信號,並充當麥克風。在許多情況下,監測外部噪音水平是有必要的,以便系統可以根據情況調整其衰減。因此,壓電材料能夠雙向工作,這非常方便:聲波產生的小機械振動會產生易於拾取的電信號。
因此,同一芯片既能夠用作揚聲器,又能夠用作麥克風。這在 Picovatt 項目中也已得到證明。事實上,它作爲揚聲器的效果出奇的好,而且具有非常有用的麥克風特性。這樣,同一組件可以作爲“三合一”解決方案。
關於壓電微機電系統和聲學濾波的事實:
和當今的大多數技術一樣,人們也期望聽力保護設備和耳機能變得更小、功能更強、價格更便宜,電池壽命也更長。薄膜壓電 MEMS 讓這成爲了可能。
如圖 1 右側所示,原型大約是硬幣大小的九分之一。即便它在耳塞中已經運行良好,未來的型號或許還能再縮小 10 倍。僅幾百納瓦的能耗會更低,進而能夠使用更小的電池,讓耳塞更持久。同時,每個硅片上能夠容納更多的芯片,進一步拉低價格。總之,芯片變得更小、更便宜、更好。