xMEMS entwickelt ultrakleine Lautsprecher, um die OTC-Hörgerät-Revolution voranzutreiben

Eine der treibenden Kräfte hinter sowohl der Klangqualität als auch der Miniaturisierung von Hörgeräten war die kontinuierliche Entwicklung winziger Mikrofone und Lautsprecher (auch Receiver genannt) für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Ohne sie hätten wir keine unglaublich diskreten Hochleistungs-Hörgeräte, echten kabellosen Ohrhörer und eine Vielzahl anderer beliebter Unterhaltungselektronik.

In letzter Zeit hören wir viel über MEMS-Lautsprecher (mikroelektromechanische Systeme), kompakte Audiowandler, die Schall erzeugen. MEMS-Lautsprecher und die traditionelleren balanced armature (BA)-Lautsprecher, die derzeit in den meisten Hörgeräten verwendet werden, unterscheiden sich in mehreren Aspekten.

Laut xMEMS sind MEMS-Lautsprecher langlebig, kompakt, verbrauchen wenig Strom und bieten einen großen Frequenzgangbereich. In jüngerer Zeit werden sie in Elektronik wie Ohrhörern, Kopfhörern und Audio-/VR-Brillen eingesetzt. BA-Lautsprecher hingegen legen den Schwerpunkt auf Klanggenauigkeit und finden sich häufig in professionelleren Audioanwendungen wie In-Ear-Monitoren, Ohrhörern und Hörgeräten.

HearingTracker hielt es für interessant, eine Insider-Perspektive auf MEMS-Lautsprecher zu erhalten, und wandte sich daher an Mike Housholder, Vizepräsident für Marketing und Geschäftsentwicklung bei xMEMS Labs Inc. Houshoulder ist seit 25 Jahren in der Technologiebranche tätig und hatte Positionen bei mehreren Technologieunternehmen inne, die mit Halbleitern und audiobezogenen Anwendungen befasst sind. Er sprach mit uns vom xMEMS-Hauptsitz in Santa Clara, Calif.

Welche spezifischen Vorteile bieten Ihre MEMS-Lautsprecher gegenüber den heute häufig in Hörgeräten verwendeten Balanced-Armature-Lautsprechern?

Ich denke, xMEMS-Lautsprecher – insbesondere unser kleines Cowell-Gerät – bieten Hörgeräten mehrere Vorteile.

Zweitens ist Cowell ein Vollband-Lautsprecher, der den gesamten menschlichen Hörfrequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz wiedergeben kann. Cowell kann also nicht nur Sprache verstärken, sondern auch zur Verstärkung reichhaltiger, komplexer Medien verwendet werden – darunter Musik, Podcasts, Filme usw. Dies wird immer wichtiger, da die meisten fortschrittlichen Hörgeräte Bluetooth-Konnektivität zu Smartphones, Fernsehern und anderen Mediengeräten bieten. Verbraucher erwarten, dass ihre Hörgeräte Vollbandinhalte verstärken, nicht nur Sprache. Unabhängige Studien legen zudem nahe, dass erweiterte hohe Frequenzen (EHF, über 8 kHz) die Sprachverständlichkeit bei Störgeräusch verbessern können. Die Lautsprecher von xMEMS bieten im Gegensatz zu Full-Range-BAs, deren Wiedergabe typischerweise nach 8 kHz abfällt, eine hervorragende Wiedergabe über 8 kHz hinaus.

Drittens haben diese Mikrofone einen deutlich gleichmäßigeren Frequenzgang. Wenn Sie sich ihren Frequenzgang [siehe Grafik unten] ansehen, bieten unsere MEMS-Lautsprecher einen linearen Frequenzgang ohne die bei vielen BA-Geräten üblichen Resonanzspitzen und -täler.

Und viertens sind diese Lautsprecher sehr zuverlässig, leichter und verursachen keine Probleme im Zusammenhang mit elektromagnetischen Störungen (EMI) bei Bluetooth^®/drahtlosen Funkfrequenzen. Insbesondere sind Solid-State-MEMS-Lautsprecher von Natur aus robuster als BAs, da sie aus einer monolithischen Siliziumstruktur bestehen und widerstandsfähiger gegen Stürze oder mechanische Erschütterungen sind. Sie sind nach IP58 für Feuchtigkeits-/Staub-/Partikelbeständigkeit ausgelegt, und xMEMS überstehen sogar Waschmaschinen-/Trocknerzyklen. Dies führt zu weniger Ausfällen auf Verbraucherebene und weniger Rücksendungen/Reparaturen für Hersteller.

Apropos: Aus Fertigungssicht eignen sich MEMS-Lautsprecher auch sehr gut für die automatisierte Produktion in hohen Stückzahlen. Mit der neuen OTC-Initiative wird erwartet, dass die Verbrauchernachfrage nach Hörgeräten und Hearable-Geräten drastisch steigt. Die Fertigungskapazität von xMEMS für hohe Stückzahlen wird diese erhöhte Nachfrage unterstützen können.

Wie schneidet die Kombination aus MEMS-Lautsprecher und Verstärker im Vergleich zum Stromverbrauch einer Balanced Armature ab?

Der MEMS-Lautsprecher ist ein kapazitives Bauteil [d. h., er kann Energie speichern], verbraucht sehr wenig Strom und ist effizienter (leistungsärmer) als eine vergleichbare Balanced Armature.

Verbesserungspotenzial besteht bei der Verstärkereffizienz, da der MEMS-Verstärker auf Hochspannung verstärken muss, um die piezoelektrische Aktorschicht im Lautsprecher anzutreiben.

Heute entsprechen unsere bestehenden Verstärker – einschließlich des Lautsprechers – hinsichtlich der Effizienz einem elektrodynamischen Lautsprecher plus einem Class-D-Verstärker; das bedeutet, dass wir für Verbrauchergeräte geeignet sind, die zwischen den Ladevorgängen eine Akkulaufzeit von 6-8 Stunden erwarten. Auch wenn dies möglicherweise nicht den Anforderungen von 18+ Stunden für medizinische Hörgeräte entspricht, kann es sicherlich die Marktanforderungen für eher gelegentlich genutzte Hörhilfegeräte erfüllen, einschließlich einiger Produkte der OTC-Klasse.

Zukünftige xMEMS-Verstärker der nächsten Generation sollten es uns jedoch ermöglichen, das Nutzungsziel von 18+ Stunden für herkömmliche Hörgeräte zu erreichen. Wie ich bereits erwähnt habe, sind unsere Lautsprecher im Wesentlichen große Kondensatoren. Unsere zukünftigen Verstärker werden in der Lage sein, die überschüssige Energie aus dem Lautsprecher zurückzugewinnen und in die Batterie zurückzuspeisen (Energierückgewinnung), wodurch unsere Lösungen voraussichtlich die Marktanforderungen für Hörgeräte hinsichtlich des Stromverbrauchs erfüllen oder übertreffen können.

Bis zu welchem Grad von Hörverlust kann die Ausgangsleistung von xMEMS-Lautsprechern unterstützen?

Heute können unsere Lautsprecher bei 20 Hz bis 1 kHz zwischen 110 dB und 120 dB SPL unterstützen. Oberhalb von 1 kHz kann die lineare Verstärkung unserer Lautsprecher SPL über 130-140 dB erreichen.

Lautsprecher künftiger Generationen werden in der Lage sein, deutlich höhere SPL zu erreichen.

Für welche Hörgerätetypen sind MEMS-Lautsprecher hinsichtlich Bauformen (RIC usw.) und Kategorie (OTC oder Rezept) praktisch?

Aus Sicht der Bauform glaube ich, dass unsere Lautsprecher für den Einsatz in jeder Art von Hörgerät geeignet sind. Was die Kategorien betrifft, könnte dies kurzfristig durch den Stromverbrauch bestimmt werden; langfristig glaube ich jedoch, dass xMEMS in alle Kategorien passen wird: Over-the-counter, Rezept usw.

Wie verhält sich unter Berücksichtigung der Gesamtkosten des MEMS-Lautsprechers und des zu seinem Betrieb erforderlichen Verstärkers der Preis dieser Lösung im Vergleich zu den heute in Hörgeräten verwendeten Balanced Armatures?

Dank der geringen Größe und der automatisierten Lieferkette haben wir mit unseren Geräten der ersten Generation heute Kostenparität mit BA erreicht. Mit der Skalierung auf höhere Stückzahlen – sowohl im Bereich der Hörversorgung als auch bei Consumer Audio – werden unsere Kosten deutlich schneller sinken können als bei manuell montierten BA-Lieferketten.

Die jüngste Pressemitteilung von xMEMS beschreibt ihre Lautsprecher als Geräte ohne „bewegliche Teile“. Wie kann ein Lautsprecher keine beweglichen Teile haben?

Damit sollte vermittelt werden, dass unsere MEMS-Lautsprecher ein monolithisches Gerät und keine Reihe separater mechanischer Komponenten wie ein BA- oder elektrodynamischer Lautsprecher sind. Die gesamte Lautsprecherfunktion (Betätigung, Rahmen, Membran) ist in einem einzigen Silizium-Die umgesetzt. Der Aktuator (Dünnschicht-Piezo) und die Lautsprechermembran sind Schichten im Halbleiterprozess. Die monolithische Umsetzung führt in Kombination mit der Konsistenz und Gleichförmigkeit des Halbleiterprozesses zu einem Lautsprecher, der robuster und zuverlässiger ist und zugleich im Vergleich zu manuell montierten etablierten Lautsprechertechnologien eine verbesserte Frequenzgang- und Phasenkonsistenz von Teil zu Teil aufweist.

Was können Sie mir über die aktive xMEMS-Belüftungsbohrung sagen? Für welche Produkte könnte sie nützlich sein und welche Einschränkungen gibt es? Wie würden Sie sie mit ActiveVent von Sonova vergleichen?

Skyline DynamicVent verleiht Hörgeräten und TWS-Ohrhörern die Fähigkeit zur aktiven Umgebungssteuerung, um den Okklusionseffekt zu verringern. Sie bietet außerdem natürlichere Passthrough- oder Transparenzmodi und ermöglicht das dynamische Umschalten zwischen passiver Isolierung und offenen/räumlich bewussten Hörmodi.

Aus Leistungssicht wurde Skyline gemäß den von führenden Hörgerät-OEMs bereitgestellten Spezifikationen entwickelt, um den Okklusionseffekt zu beseitigen, wenn die Belüftungsbohrung vollständig geöffnet ist. Die Ergänzung um einen Komfortmodus (niedrigster Leistungszustand, aber weiterhin leicht geöffnet) bietet ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistungsaufnahme und Offenheit/Entlastung vom Okklusionseffekt und gewährleistet gleichzeitig eine gute Tieffrequenzwiedergabe für Musik- und Medienwiedergabe.

Skyline beseitigt die hörbaren Klickgeräusche, die bei bestehenden Implementierungen aktiver Belüftungsbohrungen üblich sind. Ähnlich wie unsere Lautsprecher bietet sein monolithisches Solid-State-Design eine Schutzart IP58 gegen Feuchtigkeit/Staub/Partikel, die sogar Waschmaschinen-/Trocknerzyklen überstehen kann. Ziel sind natürlich weniger Ausfälle auf Verbraucherebene sowie weniger Rücksendungen/Reparaturen für Hersteller.