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?
Enten 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 av, hørselsvernet. 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 Minuendos 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.
Passive og aktive hørselvern
I dag finnes det både passive og aktive hørselvern. Skum-øreproppene og øreklokkene nevnt over er begge passive hørselsvern, det vil si 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.
Den nye piezoMEMS-brikken utviklet i prosjektet Picovatt åpner og lukker flere slisser elektronisk ved å bøye opp mange små ‘bjelkestrukturer’ fra en overflate (illustrasjonen under).
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 illustrasjonen over, 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 ti 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.
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 elektriske 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 og bedre.
