Один из разработчиков микроэлектромеханических динамиков (МЭМС), молодая компания xMEMS, готовит к демонстрации на CES 2024 интересную новинку — кремниевые динамики для наушников, которые демонстрируют впечатляющую громкость на низких частотах. Разработка обещает стать основой аудиогарнитур высокого класса, продемонстрирует впечатляющие шумоподавляющие свойства и намерена проникнуть в мир динамиков для ноутбуков, автомобилей и техники вообще.

Источник изображений: xMEMS

Для передачи низких частот в традиционных акустических системах необходимы диффузоры большого размера. Для бездиффузорных МЭМС-динамиков это, казалось бы, совершенно неподъёмная задача — обеспечить басы на крошечных мембранах. Но в xMEMS нашли решение. Вместо того чтобы двигать диффузоры и создавать звуковое давление перед динамиками, разработчики компании предложили двигать весь объём воздуха в камере наушника. И достигается это с помощью ультразвука, на что миниатюрные кремниевые клапаны вполне способны.

Чип в наушниках Cypress смешивает аудиосигнал с несущей в ультразвуковом диапазоне. Это создаёт два ультразвуковых сигнала, согласованных по амплитуде с аудиосигналом: один модулирует несущую ультразвуковую волну, а второй создаёт боковую полосу подавления (side-band suppressed). Сигнал подавления идёт на мембранные исполнительные механизмы (mems trasducer, SM), а модулированный ультразвуковой сигнал подаётся на исполнительные механизмы (SV). Механизм SM создаёт давление воздуха в канале наушника, а механизм SV производит демодуляцию сигнала и мы вместо ультразвука слышим звук, усиленный давлением воздуха.

По словам компании, в сравнении с обычными МЭМС-динамиками низкие частоты в динамиках xMEMS в 40 раз сильнее (сравнение делалось не с лучшими моделями компании Cowell, если что). На 20 Гц громкость xMEMS достигает 140 дБ. Подобная характеристика обещает привести к появлению поразительных по шумоподавлению наушников. На низах они заглушат даже рёв взлетающего реактивного самолёта невдалеке. Наконец, проблема с шумоподавлением в том, что если наушник сидит в ухе неплотно, то он перестаёт подавлять шум. По крайней мере, не делает это хорошо. С заявленным запасом по низам наушники xMEMS будут свободны от этой проблемы.

К другим преимуществам МЭМС-динамиков можно отнести отсутствие помех в виде фазовых искажений, а также фазовой рассогласованности отдельных экземпляров динамиков. Это упростит производство и сборку наушников. Кстати, одними из первых наушники на динамиках xMEMS обещала начать выпуск компания Creative. Непосредственно производством MEMS-динамиков компании занимается TSMC. Во всяком случае, она выпускала первые поколения динамиков xMEMS.

Массовое производство новых кремниевых динамиков xMEMS (и управляющих микросхем) с невообразимыми низами начнётся в июне 2024 года. В продаже наушники с этими динамиками должны появиться в конце 2024 года.

Американская компания xMEMS предрекает революцию в наушниках — совсем скоро они перейдут с привычных диффузоров на кремниевые MEMS-динамики. Первой новинку обещает выпустить компания Creative, сделавшая себе имя на звуковых платах для ПК. Произойдёт это до конца текущего года. И хорошо бы! Разработчик уже не в первый раз сообщает о начале массового производства наушников с MEMS-динамиками.

Один из вариантов наушников с MEMS-динамиками. Источник изображений: xMEMS Labs

«Как компания, специализирующаяся на производстве аудиотехники, Creative с удовольствием сотрудничает с xMEMS Labs, чтобы интегрировать их инновационную технологию MEMS в наши TWS-продукты, — сказал Сонг Сиоу Хуи (Song Siow Hui), генеральный директор сингапурской компании Creative Technology. — Мы уверены, что благодаря этому наши продукты TWS будут выделяться на рынке, обеспечивая исключительное качество звука, комфорт и стиль для наших пользователей».

Кремниевые динамики Montara компании xMEMS Labs впервые были представлены в 2020 году. О производстве MEMS-динамиков (на основе микроэлектромеханических систем) было сообщено в 2021 году. Этим занялась известная тайваньская компания TSMC, поскольку производство MEMS-динамиков мало чем отличается от производства микросхем на кремниевых подложках. Первой выпустить «волшебные по звучанию» наушники, как характеризует свою разработку xMEMS Labs, пообещала компания Inventec Appliances Corp (IAC). Но в продажу, по всей видимости, они так и не поступили. Так что у компании Creative есть шанс действительно стать первой, кто выпустит наушники с «кремниевыми» динамиками.

Толщина каждого из динамиков xMEMS Montara Pro составляет всего 1 мм. По уверению разработчика, они станут «усладой для ушей аудиофилов». Компания обещает «непревзойдённое качество и эффективность звучания», обеспечивая «кристально чистое звучание, воспроизводящее все нюансы музыки и аудиоконтента с поразительной точностью». Также наушники позволят значительно улучшить пространственное звучание с большей детализацией и разделением благодаря исключительной фазовой согласованности пары динамиков, которая, как утверждается, в семь раз лучше, чем у обычных динамиков с пластиковыми или бумажными диффузорами.

Если отбросить рекламную шелуху, xMEMS заявляет о коэффициенте нелинейных искажений кремниевых динамиков не более 0,5 % в рабочем диапазоне от 10 Гц до 20 кГц. Для этого каждый динамик содержит по шесть зональных мембран на своих отрезках АЧХ — по две мембраны на каждый участок. В заявленном частотном диапазоне каждый динамик развивает звуковое давление свыше 110 дБ (прототип показал 115 дБ). Кремниевые динамики безразличны к воде и пыли и потребляют меньше обычных динамиков.

В Scientific Reports вышла статья группы авторов из Сколтеха, НИТУ МИСИС и Оксфорда с детальным описанием физических характеристик кремниевых панцирей планктона. Копируя структуру и строение панцирей, можно создать мембрану для миниатюрного сверхчувствительного и при этом потребляющего мало энергии микрофона, фотонный кристалл или нечто другое, на что у природы ушло миллиарды лет.

Источник изображений: НИТУ МИСИС

Для изучения свойств и строения панцирей диатомовых водорослей — одноклеточных организмов с поразительными свойствами — исследователи задействовали самый передовой инструментарий, включая атомно-силовую микроскопию и наноиндентирование (на образец надавливают алмазной иглой и регистрируют его деформацию). Пожалуй, эта работа стала первым исследованием, в котором свойства кремниевых панцирей диаметром всего 30–40 мкм были изучены очень и очень детально.

Жёсткость, упругость, способность выдерживать деформации, вибрации и степень восстановления, а также многие другие параметры до этого никогда и никем не регистрировались. Полученные российскими и английскими учёными данные станут отправной точкой для множества других работ в этом направлении, что в конечном итоге обещает привести к появлению множества новых технологий, материалов и решений, включая оптронику, MEMS и наномеханику.

«Эволюционный успех и большое значение диатомовых для биосферы Земли говорят о том, что их структура оказалась оптимальна с точки зрения оптики, механики и биохимии одновременно, также при этом сводя к минимуму вес и расход материала», — пояснил заведующий Кафедрой физической химии НИТУ МИСИС, старший инженер-исследователь Центра системного проектирования Сколтеха Алексей Салимон.

Как говорится в статье научного коллектива в Scientific Reports, подобные стеклянному кружеву экзоскелеты диатомовых водорослей «являются неисчерпаемым источником вдохновения для разработки новых материалов и устройств». Они уже применяются для очистки воды от тяжёлых металлов, а также в качестве мягких абразивных веществ в составе зубной пасты, но сфера их применения не должна ограничиваться только этим. Учёные и инженеры могут вдохновиться совершенством этих естественных объектов и реализовать подсмотренное у природы в современном мире, включая электронику и наноустройства.