Потеря слуха необратима и является самой распространенной профессиональной травмой во всем мире. Профилактика — единственный способ решения этой проблемы. Но кого не раздражало, как беруши из пеноматериала делают рок-концерт приглушенным и тяжелым с басами? или кто не мог расслышать коллегу, надевая громоздкие наушники на шумном рабочем месте?

Будь то улучшение музыкальных ощущений или желание услышать, что говорят ваши коллеги, в таких ситуациях легко поддаться искушению снять или даже полностью снять средства защиты органов слуха. Это подвергает нас воздействию опасных уровней шума и превратило постоянную потерю слуха в глобальную проблему общественного здравоохранения.

Разработка технологии, которая помогает предотвратить это, стала движущей силой совместного проекта SINTEF и Minuendo «Picovatt». Результат? Пьезоэлектрическая микроэлектромеханическая система (piezoMEMS) с регулировкой громкости и без искажения звука , разработанная в SINTEF MiNaLab (часть инфраструктуры NorFab), позволяющая регулировать громкость без искажения звука. В качестве бонуса чип также функционирует как микрофон и динамик.

Пассивная и активная защита слуха

Сегодня существуют пассивные и активные средства защиты органов слуха. Пенные беруши и наушники, упомянутые ранее, являются пассивными, то есть в них отсутствует встроенная электроника или расширенная функциональность. Активная защита органов слуха использует встроенные микрофоны, процессоры сигналов и динамики для регулировки и управления уровнями звука в зависимости от окружающей среды.

Но эти наушники могут быть громоздкими, неудобными и производить неестественный звук. Несмотря на наличие активной защиты слуха, пассивные варианты по-прежнему доминируют на рынке.

Наши гибридные беруши сочетают в себе лучшее из обоих миров: они небольшие, регулируют громкость, не искажая звук, и потребляют гораздо меньше энергии, чем обычные активные беруши.

Рок-концерт с регулировкой громкости

Minuendo, отделившаяся от SINTEF в 2018 году, продает во всем мире средства защиты органов слуха, получившие признание критиков. В их текущей версии ушных вкладышей, громкость звука регулируется путём открытия и закрытия небольшой щели с помощью крошечного ручного рычага. Звук проходит естественным образом, с вручную регулируемым затуханием от 9 до 25 дБ.

Новый чип piezoMEMS, разработанный в проекте Picovatt, с помощью электроники открывает и закрывает несколько щелей, изгибая небольшие «балочные структуры» или крошечные «крышки», расположенные сверху каждой щели.

Это позволяет регулировать громкость в диапазоне от почти 0 дБ (открыто) до 40 дБ (закрыто). Активная часть, привод, состоит из тонкого кремния, покрытого микронными пьезоэлектрическими слоями цирконата-титаната свинца (PZT). PZT сжимается в плоскости при подаче напряжения, «вытягивая» поверхность и изгибая луч вверх.

При 30 вольтах кончик луча поднимается примерно на 100 микрометров, позволяя звуку проходить без затухания. Когда напряжение падает, щель закрывается.

Изменяя напряжение, вы получаете беруши, которые позволяют вам стоять в первом ряду рок-концерта и регулировать громкость до безопасного и комфортного уровня, не меняя качество звука. Больше никакого приглушенного, басово-тяжелого, искаженного звука. Только чистый и ясный рок-н-ролл на идеальной безопасной громкости.

Аттенюатор, динамик и микрофон

Гибридный ушной вкладыш делает больше, чем просто регулировку громкости ; он также может воспроизводить звуки или другие аудиосигналы и работать как микрофон. Во многих случаях желательно контролировать уровень внешнего шума, чтобы система могла регулировать своё затухание в зависимости от ситуации. Поэтому весьма удобно, что пьезоэлектрические материалы работают в обоих направлениях: небольшие механические колебания от звуковых волн генерируют электрические сигналы, которые можно легко уловить.

Таким образом, один и тот же чип функционирует и как динамик, и как микрофон. Это также было продемонстрировано в проекте Picovatt. Фактически, он работает на удивление хорошо как динамик и имеет очень полезные свойства микрофона. Таким образом, один и тот же компонент может служить решением «три в одном».

Факты о пьезоМЭМС и акустической фильтрации:

• Датчики преобразуют физический вход в электрический сигнал. Исполнительные механизмы преобразуют электрический сигнал в механическое движение. Оба позволяют микропроцессорам взаимодействовать с окружающей средой.
• Пьезоэлектрические материалы преобразуют электричество в движение и наоборот. Этот процесс известен как электромеханическое преобразование.
• Тонкие пьезоэлектрические слои способны изгибать небольшие структуры, такие как микробалки в ушных вкладышах, с мощностью менее одного микроватта.
• Пьезоэлектрические микроэлектромеханические системы, или пьезоМЭМС, представляют собой пьезоэлектрические структуры микронных размеров, используемые в качестве датчиков и исполнительных механизмов.
• Гибридный ушной вкладыш является примером того, как пьезоМЭМС может миниатюризировать и улучшить акустические «схемы», состоящие из мембран, трубок или щелей, которые образуют фильтр.
• ПьезоМЭМС можно интегрировать в большие кремниевые пластины, что позволяет организовать экономически эффективное массовое производство.

Меньше, дешевле, лучше

Как и большинство современных технологий, также есть желание, чтобы средства защиты слуха и наушники стали меньше, функциональнее и дешевле, с увеличенным сроком службы батареи. Тонкопленочные пьезоМЭМС делают это возможным.

Прототип составляет примерно одну девятую размера монеты. Хотя он уже хорошо работает в ушном вкладыше, будущие модели могут уменьшиться в 10 раз. Потребление энергии всего в несколько сотен нановатт будет ещё ниже, что позволит использовать меньшие батареи и более долговечные ушные вкладыши. В то же время на каждой кремниевой пластине можно разместить больше чипов, что ещё больше снизит цену. В общем, чипы меньше, дешевле и лучше.

Бессменный главный редактор, в незапамятные времена работал в издании РБК