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¿Cuáles son las ventajas de los altavoces MEMS?

Por USound

Los altavoces basados en MEMS son una nueva tecnología que desafía la situación actual de los altavoces electrodinámicos y de BA (armadura balanceada). A menudo las personas se preguntan por qué los altavoces MEMS son los mejores. Este artículo intenta responder esta pregunta.

En primer lugar, las ventajas generales deben separarse de las ventajas específicas de la aplicación.

Las ventajas generales de los altavoces MEMS son las siguientes:

  • Integración perfecta a una PCB (placa de circuito impreso); de hecho, el altavoz se agrega al sustrato de la PCB. Los altavoces se pueden integrar fácilmente a una PCB con los componentes electrónicos de auriculares inalámbricos, audífonos, dispositivos portátiles, etc.

Imagen: Los altavoces basados en MEMS se agregan al sustrato de la PCBFigura 1: Los altavoces basados en MEMS se agregan al sustrato de la PCB. (Fuente de la imagen: USound)

  • Integración del amplificador y del altavoz MEMS en el mismo sustrato de la PCB. USound produce módulos de audio con interfaces analógicas y digitales. Esto reduce considerablemente los tiempos necesarios para diseñar productos de audio. Los módulos de audio incluyen filtros programables que se pueden modificar para sintonizar el audio con facilidad. El firmware incluido en el módulo de audio cuenta con diferentes conjuntos de filtros que consideran varios casos de uso.

Imagen: Usound integra el amplificador y el altavoz MEMS en el mismo sustrato de PCBFigura 2: Usound integra el amplificador y el altavoz MEMS en el mismo sustrato de PCB (Fuente de la imagen: USound)

  • Menor consumo de energía. A pesar de que los altavoces MEMS requieren niveles de voltaje más altos en comparación con los altavoces electrodinámicos, el consumo general de energía es menor. El altavoz MEMS, debido a la alta impedancia intrínseca propia, requiere una corriente de alimentación más baja. La tabla 1 muestra la corriente de alimentación del altavoz MEMS medida en un acoplador IEC a 94 dB de SPL (nivel de presión sonora) usando tres métodos diferentes. También incluye el consumo de corriente de una BA de referencia (Knowles 26824) y altavoces electrodinámicos (Samsung HS330).
Medición
USound Ganymede (MEMS)
Consumo de corriente (mA)
IEC 60268-1 0.28
Ruido rosa 0.57
Señal de 1 kHz 0.11
Medición
Knowles 26824 (BA)
Consumo de corriente (mA)
IEC 60268-1 0.46
Ruido rosa 0.76
Señal de 1 kHz 0.33
Medición
Samsung HS330 (ED)
Consumo de corriente (mA)
IEC 60268-1 1.43
Ruido rosa 1.84
Señal de 1 kHz 1.92

Tabla 1: La corriente de alimentación del altavoz MEMS de USound se midió a 94 dB de SPL utilizando tres métodos diferentes y se comparó con una BA de referencia Knowles 26824 y altavoces electrodinámicos Samsung HS330.

El bajo consumo de corriente hace que el altavoz MEMS sea el compañero ideal para todas las aplicaciones inalámbricas de audio, como los verdaderos auriculares inalámbricos.

El consumo de energía de los altavoces MEMS puede reducirse aún más, lo que aprovecha la carga capacitiva. Eléctricamente, los altavoces MEMS se comportan como condensadores eléctricos, por lo que la parte principal de la energía es reactiva y se puede reutilizar en el sistema. El nuevo amplificador de potencia digital de USound puede recuperar un porcentaje significativo de la energía reactiva.

Knowles 26824 Samsung HS330 Ganymede
Energía activa 50.5% 89.9% 7.0%
Energía reactiva 49.5% 10.1% 93%

Tabla 2: Una comparación de los porcentajes de energía activa y real de los altavoces Knowles, los auriculares Samsung y los altavoces MEMS de USound.

Ventajas específicas de la aplicación

Las ventajas específicas de la aplicación se deben separar en dos tipos principales de aplicaciones:

  • Aplicaciones de oído ocluido, donde el altavoz, montado en el auricular, se coloca dentro del canal auditivo. En este tipo de aplicación, el oído captura exclusivamente el sonido emitido por el altavoz. Los sonidos externos se atenúan por el sellado del auricular.
  • Aplicaciones de campo libre, donde el altavoz se coloca fuera del oído y el oído es libre de capturar sonido proveniente de fuentes adicionales aparte del propio altavoz.

Ventajas de las aplicaciones de oído ocluido

La principal ventaja es el factor de forma pequeño. Esto incluye la dimensión del altavoz y del volumen frontal y posterior que, con el altavoz MEMS, se puede mantener al mínimo. La Figura 3 muestra los extremos del diseño de referencia de los Megaclite de los auriculares USB-C.

La combinación del bajo consumo de energía con el factor de forma pequeño general muestra la principal ventaja de los auriculares inalámbricos: el factor de forma pequeño permite el uso de baterías más grandes y el menor consumo de energía utiliza menos corriente de la batería, lo que resulta en la duración prolongada de la batería.

Diagrama del diseño de referencia de los Megaclite de USound de los auriculares USB-CFigura 3: Diseño de referencia de los Megaclite de USound de los auriculares USB-C. (Fuente de la imagen: USound)

El altavoz MEMS de controlador individual de USound tiene un gran ancho de banda. La Figura 4 muestra un informe de prueba realizado por una importante empresa china de audio que compara los auriculares basados en MEMS de USound con dos marcas de primer nivel. Los resultados muestran claramente que un solo controlador MEMS puede competir con facilidad con una configuración electrodinámica y de BA de múltiples controladores. Esto hace que el altavoz MEMS sea una tecnología atractiva para los verdaderos auriculares inalámbricos. La combinación del bajo consumo de energía, el factor de forma pequeño y el ancho de banda más amplio posible ofrecen ventajas sin precedentes para los fabricantes y los usuarios finales de auriculares inalámbricos verdaderos.

Gráficos de comparación del ancho de banda entre altavoces de BA, MEMS y electrodinámicosFigura 4: Comparación del ancho de banda entre altavoces de BA, MEMS y electrodinámicos. (Fuente de la imagen: USound)

Ventajas de las aplicaciones de campo libre

En el caso de las aplicaciones de campo libre, el factor de forma pequeño no es adecuado para las aplicaciones de ancho de banda completo. No obstante, los altavoces MEMS ofrecen ventajas únicas como un tweeter de alta calidad con ancho de banda extendido en la región ultrasónica (hasta 80 kHz).

El factor de forma pequeño es adecuado para todo tipo de aplicaciones portátiles. En 2019, USound comenzó a comercializar un módulo de audio para gafas de AR/VR (realidad aumentada/realidad virtual) que incluye un sistema de audio totalmente digital. Este sistema incluye un woofer electrodinámico y un tweeter MEMS. Proporciona, en comparación con los sistemas de un solo controlador, un sonido mucho más claro y una característica única que concentra el sonido alrededor de los oídos del usuario y atenúa el nivel de la señal de audio incluso a una distancia muy corta del oído, lo que garantiza un buen grado de privacidad.

El diagrama del módulo de audio de USound para gafas de AR/VR incluye un sistema de audio totalmente digitalFigura 5: El módulo de audio de USound para gafas de AR/VR incluye un sistema de audio totalmente digital. (Fuente de la imagen: USound)

Otra aplicación que aprovecha el factor de forma delgado de los altavoces MEMS reside en las matrices; por ejemplo, en sistemas de sonido para automóviles. Una matriz modular como el diseño de referencia Harpalyke de USound se puede montar directamente en el techo del automóvil, lo que elimina, por lo general, los tweeters voluminosos y pesados del vehículo. El sistema de audio MEMS no solo reduce el peso y el espacio libre en el automóvil, sino que el audio por lo general tiene una calidad más nítida y clara, lo que proporciona una experiencia auditiva única.

Imagen del factor de forma delgado de los altavoces MEMSFigura 6: El factor de forma delgado de los altavoces MEMS es ideal para las matrices de altavoces como los de los sistemas de infoentretenimiento de los automóviles. (Fuente de la imagen: USound)

Reflexiones finales

Los altavoces MEMS son una nueva tecnología y su potencial completo se revelará paso a paso. Esta tecnología ya ofrece características únicas y ventajas convincentes en comparación con los altavoces de BA y electrodinámicos. En el mercado de audio en rápida evolución, los primeros usuarios de la tecnología MEMS pueden proporcionar ventajas inmejorables a los usuarios finales.

En conclusión, los diseñadores pueden tener una idea de primera mano de las capacidades de los altavoces MEMS y explorar las aplicaciones potenciales mediante el uso del exclusivo kit de evaluación de placas de prueba y altavoces MEMS de USoundde Digi-Key.

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Información sobre el autor

USound

USound is a fabless audio company offering high-performance silicon speakers and high-quality sound solutions based on MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) technology, safeguarded by over 150 filed patents. With its offices in Graz, Vienna, San Francisco, Shanghai and Shenzhen, USound serves international customers, enabling them to create totally new smart audio applications with MEMS speakers. USound's products are designed to fit seamlessly into earphones, headphones, wearables, and smartphones. With the introduction of innovative MEMS technology, USound is setting new standards in terms of audio experience and low power consumption.