Projekte

Problemstellung
Der Markt für mobile Endgeräte, wie Smartphones, Tablets oder auch Hearables, ist seit Jahren durch ein starkes Wachstum geprägt. Dank der MEMS-Technologie (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) können viele der notwendigen Komponenten miniaturisiert und als kostengünstige Massenware produziert werden. Als prominentes Beispiel ist hier das MEMS-Mikrofon zu nennen. Ein noch junger Anwendungsbereich für MEMS ist der Bereich der Lautsprechertechnologie. Mit unterschiedlichen Fraunhofer-Partnern forscht das Fraunhofer IDMT im Geschäftsfeld Akustik an unterschiedlichen MEMS-Lautsprecheransätzen.
Wenngleich MEMS-Lautsprecher noch kleiner als bisherige Miniaturlautsprecher sein können, so müssen sie dennoch ausreichend Luft zur Schallerzeugung bewegen können. Aus diesem Grund wird der Lautsprecher bis an seine physikalischen Grenzen ausgereizt. Je nach Betriebssituation bedingt dies ein stark nichtlineares Übertragungsverhalten, was nicht nur ungenügende Klangeigenschaften, sondern auch frühzeitige Defekte hervorruft. Damit das große Potenzial der MEMS-Technologie für eine sehr preiswerte Fertigung von sehr kleinen Lautsprechern genutzt werden kann, ist der Lautsprecheraktor durch geeignete Mittel in seinem Übertragungsverhalten zu linearisieren. Aufgrund der angestrebten Miniaturisierung ist eine Linearisierung über das Aktordesign begrenzt möglich.

Lösungsweg
Das Fraunhofer IDMT setzt zur Kompensation des nichtlinearen Aktorverhaltens auf die Kombination des Lautsprechers mit einer intelligenten Ansteuerung. Der Lautsprecherzustand wird hierbei kontinuierlich überwacht. Dank der Nutzung bidirektionaler Wandlereigenschaften (Eigensensorik) wird keine zusätzliche Sensorintegration benötigt. Ein anhand der Sensordaten erstelltes Lautsprechermodell wird zur Soll-Ist-Analyse verwendet. Gemäß den dabei auftretenden Abweichungen wird die Ansteuerung permanent angepasst. Auf diese Weise kann die Klangqualität verbessert, die Nichtlinearitäten kompensiert und der Lautsprecher vor einer Überlastung geschützt werden

Ergebnisse
Die intelligente Ansteuerung des IDMT ermöglicht:
a) automatische Erkennung von „Fehlern“ im Übertragungsverhalten (z. B. Resonanzerkennung, Detektion von Nichtlinearitäten, …)
b) automatische Anpassung des Frequenzgangs an Zielfunktion
c) Kompensation von Nichtlinearitäten, z. B. Verbesserung von ca. 80 % zu ca. 5 % THD
d) Schutz von Lautsprechern vor mechanischer und thermischer Überlastung
Über eine Modellanpassung ist das grundlegende Konzept auch auf weitere Lautsprechertypen adaptierbar. Zudem können modellfreie Ansätze für verschiedene Aktoren genutzt werden. Die elektronische Peripherie ist auf Embedded-Boards als Funktionsmuster implementiert