新型耳塞可保护听力，同时保持音质

Josiah02

听力损失是不可逆转的，也是全球最常见的工伤。预防是解决这一问题的唯一方法。但谁没有被泡沫耳塞使摇滚音乐会的声音变得低沉和重低音所困扰？或者在嘈杂的工作场所戴着笨重的耳罩很难听清同事说话？
无论是为了改善音乐体验还是为了听清同事说话，在这些情况下，人们很容易屈服于提起甚至完全摘掉听力保护装置的诱惑。这使我们暴露在危险的噪音水平下，并使永久性听力损失成为全球公共卫生问题。
开发一种有助于防止这种情况的技术是 SINTEF 和 Minuendo 合作项目“Picovatt”的驱动动机。结果如何？SINTEF MiNaLab（NorFab 基础设施的一部分）开发了一种具有音量控制和无声音失真的压电微机电系统 (piezoMEMS)，可以实现音量控制而不会产生声音失真。作为额外功能，该芯片还可以用作麦克风和扬声器。
被动和主动听力保护
如今，已有被动和主动两种听力保护器。前面提到的泡沫耳塞和耳罩是被动的，这意味着它们缺乏集成电子设备或高级功能。主动听力保护器使用内置麦克风、信号处理器和扬声器根据环境调整和控制声级。
但这些耳机体积较大、佩戴不舒适，而且声音不自然。尽管有主动听力保护功能，但被动式耳机仍然占据市场主导地位。
我们的混合耳塞结合了两全其美的优势：体积小，可调节音量而不会扭曲声音，而且比传统的有源耳塞耗电量少得多。
带音量控制的摇滚音乐会
Picovatt 项目中开发的新型压电 MEMS 芯片通过弯曲位于每个狭缝顶部的小“梁结构”或微小的“盖子”，以电子方式打开和关闭多个狭缝。
这样就可以实现从接近 0 dB（打开）到 40 dB（关闭）的音量控制。有源部分，即执行器，由涂有微米级锆钛酸铅 (PZT) 压电层的薄硅组成。当施加电压时，PZT 会在平面内收缩，“拉动”表面并向上弯曲梁。
当电压为 30 伏时，光束尖端会升高约 100 微米，使声音可以不受阻尼地通过。当电压下降时，狭缝会关闭。
通过改变电压，您便可以拥有一个耳塞，让您站在摇滚音乐会的前排，将音量调整到安全舒适的水平，而音质不变。不再有低沉、重低音、失真的声音。只有纯净清晰的摇滚乐，音量完美安全。
衰减器、扬声器和麦克风
混合耳塞不仅能控制音量，还能播放声音或其他音频信号，并充当麦克风。在许多情况下，监测外部噪音水平是必要的，这样系统就可以根据情况调整衰减。因此，压电材料双向工作非常方便：声波产生的微小机械振动会产生可轻松拾取的电信号。
因此，同一芯片既可以用作扬声器，又可以用作麦克风。Picovatt 项目中也展示了这一点。事实上，它作为扬声器的效果出奇地好，并且具有非常有用的麦克风特性。这样，同一组件就可以作为“三合一”解决方案。
关于压电MEMS和声学滤波的事实：
传感器将物理输入转换为电信号。执行器将电信号转换为机械运动。两者都允许微处理器与周围环境进行交互。
压电材料将电能转化为运动，反之亦然，这一过程称为机电转换。
薄压电层可以弯曲小结构，例如耳塞中的微梁，所需功率不到一微瓦。
压电微机电系统 (piezoMEMS) 是用作传感器和执行器的微米级压电结构。
混合耳塞是压电MEMS如何小型化和增强由膜、管或狭缝组成的滤波器的声学“电路”的一个例子。
PiezoMEMS 可以集成到大型硅晶片中，从而实现具有成本效益的大规模生产。
更小、更便宜、更好
与当今的大多数技术一样，人们也希望听力保护装置和耳机变得更小、功能更强大、价格更便宜，电池寿命更长。薄膜压电 MEMS 使这一切成为可能。
如图 1 右侧所示，原型机的尺寸约为硬币的九分之一。尽管它已经在耳塞中运行良好，但未来的型号可能会缩小 10 倍。仅几百纳瓦的能耗甚至更低，从而可以使用更小的电池和更持久的耳塞。同时，每个硅片上可以容纳更多芯片，从而进一步降低价格。总而言之，芯片更小、更便宜、更好。