Hørselstap er irreversibelt og den mest vanlige yrkesskaden i verden. Den eneste måten å få bukt med problemet på er å forebygge det. Men hvem kjenner seg ikke igjen i hvordan skum-proppen i øret gjør rockekonserten tåkete og basstung? Eller å ikke høre hva kollegaen din sier når man har store klumpete øreklokker på en bråkete arbeidsplass?
Om det er for å bedre musikkopplevelsen, eller for å høre hva som blir sagt, er det fort gjort å falle for fristelsen og løfte bittelitt på, eller til og med ta hørselsvernet helt av. Slik eksponeres vi i dag for så skadelige lydnivåer, at permanent hørselstap har blitt et folkehelseproblem.
Å utvikle teknologi for å unngå nettopp dette, var selve motivasjonen for SINTEF og Minuendo’s samarbeidsprosjekt: «Picovatt». Og resultatet? En piezoelektrisk mikroelektromekanisk brikke (piezoMEMS) som demper lyden uten å forvrenge den. Ikke nok med det, brikken fungerer også som både mikrofon og høyttaler.
Figur 1: Den justerbare øreproppen du allerede kan kjøpe hos Minuendo (til venstre) kan passivt dempe 9-25dB. Den nye brikken for neste generasjon hybride ørepropper er sammenlignet med en 20-kroning til høyre. Illustrasjon: SINTEF
Passive og aktive hørselvern
I dag finnes det både passive og aktive hørselvern. Skum-øreproppene og øreklokkene nevnt over er begge passive hørselsvern, dvs. uten integrert elektronikk eller videre funksjonalitet. Aktive hørselvern derimot, bruker integrerte mikrofoner, signalprosessorer og interne høyttalere til å justere og tilpasse lyttenivået etter lyd fra omgivelsene.
Men slike hodetelefoner blir ofte store og tunge, kan oppleves fortettende mot hodet, og gi et «elektronisk» og unaturlig lydbilde. Selv om aktive hørselsvern allerede finnes på markedet, dominerer bruk av de passive variantene.
Den hybride ørepluggen som vi har vært med på å lage, kombinerer og forbedrer det beste fra to verdener: Den er liten og demper lyden uten å forvrenge lydbildet, og bruker omtrent en tusendedel av strømmen om vi sammenlikner med det som finnes av andre aktive øreplugger.
Rockekonsert med volumkontroll
Minuendo er en spinoff fra forskning gjort ved SINTEF i 2018. I dag selger de kritikerroste hørselvern verden rundt. I nåværende versjon av øreproppen som vist i til venstre i Figur 1, justeres lyddempingen ved å åpne og lukke en slisse med en ørliten, manuell spake. Lyden slipper ellers igjennom uforstyrret og naturlig, mens dempingen kan justeres fra 9 til 25dB.
Her er bloggforfatterne. Fra venstre: Olav Kvaløy, Tom Trones, Firehun Dullo og Runar Dahl-Hansen. Foto: William Husby Hoven
Den nye piezoMEMS-brikken utviklet i prosjektet Picovatt åpner og lukker flere slisser elektronisk ved å bøye opp mange små ‘bjelkestrukturer’ fra en overflate (se illustrasjon nederst i bloggen).
På denne måten kan dempingen endres fra nærmest åpen og ned til 40dB. Den aktive delen – aktuatoren – består av tynt silisium belagt med µm-tynne piezoelektriske lag av bly zirkonat titanat (PZT). Dette materialet trekker seg sammen når man setter på spenning, og siden det sitter fast i silisiumet, må bjelken bøye seg opp for å følge etter.
Ved 30 V løftes tuppen av bjelken opp omtrent 100 mikometer. Dette er nok til å slippe igjennom lyden uten demping. Når spenningen synker, lukkes slissen.
Gjennom å variere spenningen får vi dermed en ørepropp som lar deg stå på første rad på en rockekonsert og skru ned volumet til et trygt og behagelig nivå. Ingen tåkete, basstung og forvrengt lyd. Bare deilig og ren rock n’ roll, akkurat passe høyt!
Mindre, billigere, bedre
Som med det meste av teknologi i dag, ønsker vi at hørselsvern og høretelefoner skal bli stadig mindre og mer funksjonelle, samtidig som de er billigere å kjøpe og har lang batterilevetid. Såkalte tynnfilm piezoelektriske mikroelektromekaniske systemer (piezoMEMS) muliggjør nettopp dette.
Som vist til høyre i Figur 1 er den første prototypen omtrent like stor som en niendedels 20-kroning. Selv om dette allerede fungerer bra i en ørepropp, kan senere modeller krympes inntil 10 ganger til. Energiforbruket på noen hundre nW, blir da også mindre, så batteriet kan gjøres mindre, og øreproppen vare lengre. Samtidig kan man produsere enda flere brikker på en silisium-skive, som gjør at prisen går ned.
Fakta om piezoMEMS og akustisk filtrering:
- Sensorer omdanner et fysisk input til et elektrisk signal. Aktuatorer konverterer et elektrisk signal til en mekanisk bevegelse. Sensorer og aktuatorer gjør det mulig for mikroelektronikk å interagere med omgivelsene.
- Piezoelektriske materialer kan omdanne strøm til bevegelse, og visa versa, såkalt elektromekanisk energikonvertering.
- På mindre enn en µW kan tynne piezoelektriske belegg bøye små strukturer, som for eksempel mikrobjelkene i ørepluggen.
- Piezoelektriske mikroelektromekaniske system, kalt piezoMEMS, er µm-store piezoelektriske strukturer sammensatt til sensorer og aktuatorer.
- Den hybride ørepluggen er et eksempel på hvordan piezoMEMS kan miniatyrisere og effektivisere akustiske ‘kretser’ bestående av membraner, rør eller slisser, som sammen danner et filter.
- PiezoMEMS kan integreres på store Silisiumskiver, og dermed masseproduseres billig.
Både demper, høyttaler og mikrofon
I en slik ørepropp er det også aktuelt å kunne spille av toner eller andre lydsignaler. Dessuten er det ønskelig å overvåke lydnivået slik at systemet kan tilpasse dempingen til situasjonen. Med de piezoelektriske materialene vi bruker kan vi lett generere små mekaniske vibrasjoner i tillegg til de store bøyningene, og også lese av elektrisk signaler når de bøyes eller trykkes.
Derfor vil den samme brikken også kunne fungere som både høyttaler og mikrofon! Dette har vi også vist at den kan i Picovatt. Faktisk fungerer den overraskende godt som høyttaler og har svært nyttige mikrofon-egenskaper. På den måten kan den samme komponenten fungere som ‘tre i en’ løsning. Med andre ord: mindre, billigere, bedre!
De mikrometer tynne lagene (til venstre) laget som små bjelker gjør det mulig å åpne og lukke slisser og dermed adaptivt variere dempingen i øreproppen (til høyre). 40dB ved 0 V, ingen demping ved 30 V. Illustrasjon: SINTEF
