Sonion utilizza modelli vibroacustici e test sperimentali per sviluppare componenti per apparecchi acustici e audio professionali. Michele Colloca di Sonion ha parlato con COMSOL del lavoro del suo team e del futuro della tecnologia degli apparecchi acustici.
I monitor audio, gli auricolari, le cuffie, gli apparecchi acustici e altre diffuse tecnologie audio spesso riportano il nome di un unico marchio, ma la maggior parte di questi prodotti comprende componenti progettati e realizzati da diverse aziende. Ad esempio, cinque delle sei maggiori aziende produttrici di apparecchi acustici al mondo utilizzano trasduttori sviluppati da Sonion, un gruppo internazionale che progetta e produce componenti miniaturizzati avanzati, come ricevitori ad armatura bilanciata, microfoni di alta gamma, sensori di rilevamento vocale e altri componenti elettromeccanici, per i produttori di apparecchi acustici e audio professionali. Gli ingegneri in Sonion supportano i propri clienti in ogni fase dello sviluppo del prodotto, dall’idea iniziale alla messa a punto del progetto e alla produzione in serie. “Il nostro obiettivo è diventare partner dei nostri clienti e sviluppare insieme a loro, piuttosto che essere solo loro fornitori”, spiega Michele Colloca, responsabile dello sviluppo dei ricevitori e dei RIC presso Sonion.
Nel suo lavoro, Colloca guida team di ingegneri esperti di simulazione nei Paesi Bassi e in Vietnam, offrendo supporto ai diversi reparti di ricerca e sviluppo di Sonion e ai loro clienti, per la modellazione di prodotti nuovi o già esistenti, validando i modelli tramite esperimenti e spiegando i meccanismi alla base dei trasduttori Sonion. “Consideriamo la modellazione come uno spazio di arricchimento reciproco, dove possiamo scambiare informazioni e risolvere problemi. I nostri modelli sono un punto d’incontro in cui noi e i nostri clienti possiamo unire le forze per migliorare l’esperienza degli utenti finali”, racconta Colloca.
Abbiamo contattato Colloca per conoscere le principali sfide nella progettazione di apparecchi acustici, per capire come la modellazione e la simulazione contribuiscono ad accelerare la ricerca e lo sviluppo e per farci raccontare come Sonion sta facendo progredire la tecnologia degli apparecchi acustici.
Quali tendenze e richieste dei consumatori stanno ispirando i nuovi sviluppi tecnologici nel settore degli apparecchi acustici?
“L’obiettivo principale degli apparecchi acustici è aiutare le persone a sentire meglio in qualsiasi ambiente. Ciò comporta il miglioramento della qualità audio di questi dispositivi, in particolare per quanto riguarda la comprensione del parlato in ambienti rumorosi. Inoltre, diviene necessario migliorare la robustezza degli apparecchi acustici e la loro estetica, rendendoli più piccoli e meno visibili, in modo che le persone siano a proprio agio indossandoli. Infine, dobbiamo rendere i servizi di assistenza audiologica più accessibili e convenienti, in modo che più persone possano utilizzare gli apparecchi acustici”.
Quali sono le principali sfide nella progettazione dei componenti per gli apparecchi acustici?
“In Sonion progettiamo e sviluppiamo ricevitori ad armatura bilanciata per apparecchi acustici con un’ampia gamma di livelli di potenza e una varietà di applicazioni, sia in configurazione singola che doppia; progettiamo anche ricevitori ibridi ed elettrostatici per applicazioni specializzate e professionali, sistemi RIC (Receiver-in-Canal) già pronti in acciaio o plastica per apparecchi acustici e microfoni miniaturizzati a elettrete e MEMS, per apparecchi acustici ad alte prestazioni e a basso consumo energetico (Figura 1).
Di conseguenza, dobbiamo bilanciare diversi compromessi fondamentali. Ad esempio, i nostri trasduttori devono essere abbastanza piccoli da poter essere inseriti in un apparecchio acustico, garantendo al contempo un basso consumo energetico, una distorsione minima e, nel caso dei ricevitori ad armatura bilanciata, una ridotta interferenza dovuta a vibrazioni meccaniche, retroazione magnetica e retroazione acustica. Inoltre, i nostri microfoni MEMS devono essere molto sensibili al suono ma non alle vibrazioni. Infine, i nostri componenti devono essere affidabili e resistenti a temperatura, umidità e contaminazione da cerume e polvere.
Dal punto di vista della modellazione, i nostri dispositivi sono intrinsecamente multifisici e caratterizzati da forti non linearità. Ad esempio, l’ottimizzazione del dominio elettrico di un modello può avere un impatto negativo sul suo dominio acustico e viceversa. Trovare il giusto equilibrio è sempre un compito impegnativo, ma affascinante.”
Considerata la posta in gioco in questo lavoro, quali sono le conseguenze di un errore di progettazione?
“Quando non si riesce a ottenere un progetto ottimale, possono essere necessarie ripetute iterazioni progettuali, con conseguenti tempi di sviluppo prolungati e costi di ricerca e sviluppo più elevati, ritardi nell’immissione sul mercato e nel lancio dei prodotti per i produttori di apparecchiature originali (Original Equipment Manufacturers, OEM), nonché la perdita di opportunità di aggiudicarsi commesse durante le fasi di gara.”
Perché Sonion si affida alla modellazione per lo sviluppo dei componenti degli apparecchi acustici?
“Il nostro lavoro di modellazione ci consente di impiegare tempo e risorse in modo più efficiente prima di avviare la fase di prototipazione. La creazione di prototipi virtuali con il software COMSOL Multiphysics® ci permette di ottenere iterazioni più rapide sulle idee di progettazione. Inoltre, grazie alle tecniche di analisi agli elementi finiti (FEA) offerte dal software, siamo in grado di studiare in modo approfondito i comportamenti dei nostri prodotti che altrimenti sarebbero difficili da misurare o osservare con precisione in laboratorio.”
Può raccontarci un esempio in cui a suo avviso la simulazione ha avuto un ruolo particolarmente importante?
“In molte applicazioni, un ricevitore ad armatura bilanciata (BA) può trovarsi in prossimità di un potente magnete esterno. Ciò può verificarsi, ad esempio, quando un apparecchio acustico, come un auricolare, viene inserito nella base di ricarica. La base talvolta contiene dei magneti, destinati a guidare il dispositivo nella posizione corretta. Questo può avere effetti negativi poiché il campo magnetico esterno può penetrare nei componenti ad alta permeabilità del ricevitore BA e interferire con il suo funzionamento magnetico. Di conseguenza, l’apparecchio acustico o l’auricolare potrebbero non funzionare correttamente, poiché l’interazione tra i campi magnetici esterni e interni — provenienti rispettivamente dalla base di ricarica e dal ricevitore BA — può ostacolare la capacità del ricevitore BA di produrre suono, oppure il suono potrebbe presentare un’elevata distorsione.” (Figura 2)
“Per analizzare questa interazione, abbiamo creato un modello in COMSOL® capace di studiare l’interferenza del flusso magnetico dovuto ai magneti esterni e quello generato dal ricevitore BA utilizzato per muovere l’armatura. I risultati della simulazione hanno mostrato che, quando un flusso magnetico aggiuntivo viene immesso dal magnete esterno nel percorso magnetico all’interno del ricevitore, tale flusso modifica le riluttanze magnetiche dell’intero circuito e provoca la demagnetizzazione dei magneti del ricevitore.” (Figura 3)
Può raccontarci un altro esempio in cui la simulazione si è rivelata utile?
“Nel settore dell’audio professionale e della tecnologia degli apparecchi acustici, i modelli a parametri concentrati rappresentano spesso uno strumento veloce e pratico per prevedere il comportamento dei trasduttori audio, come i microfoni MEMS. Per aumentare la precisione di questi modelli, è necessario includere nella lunghezza del canale acustico le correzioni terminali relative a un beccuccio o a un ingresso sonoro. Queste correzioni terminali descrivono il modo in cui un canale acustico è aperto all’ambiente esterno, per esempio nel caso di un canale con un’estremità aperta o di un canale che termina con un’apertura nel piano infinito, chiamato deflettore. I coefficienti che riflettono la correzione terminale alla massa acustica del beccuccio o dell’ingresso sono ben noti. Il coefficiente di correzione terminale per la parte reale dell’impedenza acustica, che corrisponde alla resistenza acustica del canale, è tipicamente assunto come uguale a quello per la massa acustica. Nel nostro studio, abbiamo utilizzato l’acustica termoviscosa in COMSOL per introdurre e quantificare la correzione terminale per la resistenza acustica. In questo modo, abbiamo scoperto che la correzione terminale per la massa acustica può essere diversa da quella utilizzata per la resistenza acustica.” (Figura 4)
Perché i modelli a parametri concentrati sono importanti per la ricerca e lo sviluppo nel campo dell’audio e delle tecnologie acustiche?
“I principali indicatori della prestazione del ricevitore, quali l’impedenza elettrica, i livelli di pressione sonora e le vibrazioni, dipendono in larga misura dal progetto del trasduttore stesso e dal carico acustico a esso collegato. In questo caso, il carico acustico rappresenta l’orecchio umano e il canale sonoro di collegamento. Il dispositivo tipicamente utilizzato per modellare l’orecchio umano medio è il simulatore dell’orecchio, noto come accoppiatore 711. Tuttavia, considerando l’intero volume e le caratteristiche specifiche di questo simulatore dell’orecchio, nonché la struttura del tubo acustico necessario per collegare il ricevitore al simulatore, ci si ritrova con un modello FEA completamente accoppiato di dimensioni molto grandi, che comporta un elevato costo computazionale.
Abbiamo adottato un approccio che prevede la simulazione del tubo acustico e dell’accoppiatore 711 come rete a due porte, anziché come modello FEA completamente accoppiato. Tale approccio consente di ottenere un notevole risparmio in termini di tempo di calcolo. Abbiamo validato il metodo della matrice di trasferimento con il software COMSOL Multiphysics confrontandolo con un’analisi FEA completa di un trasduttore, un tubo e un accoppiatore. L’impostazione di una rappresentazione a parametri concentrati del tubo e dell’accoppiatore, adottando un’implementazione della matrice di trasferimento, ha ridotto drasticamente la complessità del modello e il tempo di calcolo. Alla fine, siamo stati in grado di testare diversi progetti e selezionare rapidamente il prototipo virtuale da produrre fisicamente per i test in laboratorio.
Quali funzionalità del software COMSOL® trova utili nel suo lavoro quotidiano?
“Tra i principali vantaggi che traiamo dall’uso del software vi sono la facilità di implementazione e la flessibilità dell’interfaccia Magnetic Fields nell’AC/DC Module, un prodotto aggiuntivo del software; lo stesso vale per le interfacce Pressure Acoustics, Thermoviscous Acoustics e Solid Mechanics presenti nel prodotto aggiuntivo Acoustics Module. Troviamo molto utili anche le definizioni delle proprietà magnetiche e meccaniche dei materiali contenute nella libreria dei materiali integrata. Inoltre, le funzionalità di visualizzazione di COMSOL sono davvero potenti e possono essere utilizzate per offrire risposte chiare alle domande di ricerca e presentare i dati COMSOL ad altri colleghi o parti interessate. Infine, le funzioni di sweep, come lo sweep ausiliario o quello dei materiali, sono particolarmente utili perché consentono di studiare l’effetto di diversi parametri in un’unica simulazione.”
In che modo la simulazione ha migliorato lo sviluppo dei prodotti in Sonion?
“Un prototipo virtuale non può sostituire un prototipo reale: avremo sempre bisogno di costruire un oggetto fisico, misurarlo e validare il modello. Tuttavia, una volta validato il modello, il prototipo virtuale sarà sufficientemente affidabile da poter essere utilizzato per selezionare l’idea di progettazione migliore. Per spiegare meglio questo punto, facciamo un esempio: quando si testa una singola idea di progettazione, è necessario un prototipo virtuale, la cui realizzazione richiede circa sette ore. Tuttavia, senza un prototipo virtuale, sarebbe necessario costruire per ogni progetto almeno 5 campioni, testarli e misurarli, il che richiede in media 40 ore. Pertanto, la simulazione riduce il tempo necessario per testare un’idea di progetto di almeno 5,7 volte. In questo scenario, il numero di processi di apprendimento per ogni euro investito è aumentato esponenzialmente grazie all’adozione della prototipazione virtuale.”
In che modo i vostri prodotti contribuiscono al progresso della tecnologia degli apparecchi acustici?
“I prodotti Sonion rispondono alle principali tendenze del mercato degli apparecchi acustici. Ci impegniamo a migliorare le prestazioni dei nostri prodotti e a ottimizzarne la qualità audio. I nuovi prodotti devono rispettare rigorosi standard di qualità e noi continuiamo a spostare in avanti i confini dell’affidabilità dei nostri prodotti per realizzare apparecchi acustici migliori e più resistenti. La progettazione tiene conto dell’apparecchio acustico nel suo complesso, consentendo ai produttori di realizzare apparecchi ancora più piccoli. Infine, progettiamo sempre soluzioni convenienti per favorire un’assistenza uditiva più accessibile.
In futuro, intendiamo sviluppare ulteriormente i nostri modelli multifisici, aumentare la precisione dei nostri prototipi virtuali introducendo variazioni nelle dimensioni dei componenti, ridurre drasticamente i tempi di calcolo e migliorare i vettori di parametri per i circuiti basati su modelli a elementi concentrati attraverso analisi FEA.”
Che ruolo avrà la simulazione nel futuro della tecnologia degli apparecchi acustici?
“I prototipi virtuali saranno più precisi e il divario tra questi e i prototipi fisici sarà ridotto al minimo. Inoltre, grazie all’aumento della velocità di elaborazione dei computer, il passaggio dalla progettazione alla fase di test e da questa al lancio del prodotto sarà sempre più rapido.
Per quanto riguarda il futuro della tecnologia degli apparecchi acustici in generale, credo che comprenderà funzionalità avanzate di elaborazione del segnale per migliorare l’intelligibilità del parlato in diversi ambienti, la connettività, la qualità del suono, la robustezza e la riduzione delle dimensioni. Le nuove piattaforme di apparecchi acustici includeranno sempre più intelligenza artificiale per migliorare il riconoscimento del parlato in presenza di rumore, con un compromesso sul consumo energetico.”
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Questa intervista è stata modificata per motivi di brevità e chiarezza.
