Ein offenes Ohr für die Welt dank Hörgerätetechnologie
Sonion verwendet vibroakustische Modellierung und experimentelle Tests, um Komponenten für Hörgeräte und professionelle Audiogeräte zu entwickeln. Michele Colloca von Sonion sprach mit COMSOL über die Arbeit seines Teams und die Zukunft der Hörgerätetechnologie.
Von Joseph Carew
Februar 2025
Audiomonitore, Ohrhörer, Kopfhörer, Hörgeräte und andere bekannte Audiotechnologien tragen in der Regel die Namen bestimmter Marken, aber die meisten dieser Produkte enthalten Teile, die von einer Vielzahl von Unternehmen entworfen und hergestellt wurden. Beispielsweise verwenden fünf der sechs größten Hörgerätehersteller der Welt Wandlerkomponenten, die von Sonion entwickelt wurden. Sonion ist ein weltweit tätiges Unternehmen, das fortschrittliche Miniaturkomponenten – wie Balanced-Armature-Empfänger, High-End-Mikrofone, Sprachaufnahmesensoren und andere elektromechanische Komponenten – für Hersteller von Hörgeräten und professioneller Audiotechnik entwickelt und herstellt. Die Ingenieure von Sonion unterstützen ihre Kunden in jeder Phase der Produktentwicklung, vom ersten Konzept über die Designverfeinerung bis hin zur Serienproduktion. „Unser Ziel ist es, Partner unserer Kunden zu werden und mit ihnen gemeinsam zu entwickeln, anstatt nur ihre Lieferanten zu sein“, sagt Michele Colloca, Leiter der Empfänger- und RIC-Entwicklung bei Sonion.
Colloca leitet Teams von Simulationsingenieuren in den Niederlanden und Vietnam und unterstützt verschiedene Forschungs- und Entwicklungsabteilungen bei Sonion und deren Kunden bei der Modellierung bestehender Produkte und neuer Konzepte, bei der Validierung von Modellen durch Experimente und bei der Erklärung der Mechanismen hinter den Sonion-Wandlern. „Wir betrachten die Modellierung als einen Raum der gegenseitigen Bereicherung, in dem wir Informationen austauschen und Probleme lösen können. Unsere Modelle sind ein Ort, an dem wir und unsere Kunden zusammenkommen können, um die Erfahrung der Endnutzer zu verbessern“, so Colloca.
Wie in dem folgenden Interview festgehalten, haben wir uns mit Colloca in Verbindung gesetzt, um mehr über die größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Hörgeräten zu erfahren, und wie Modellierung und Simulation die Forschung und Entwicklung beschleunigen und Sonion die Hörgerätetechnologie vorantreibt.
Welche Trends und Verbraucherbedürfnisse beeinflussen die Entwicklung neuer Hörgerätetechnologien?
„Die Hauptaufgabe von Hörgeräten ist es, Menschen dabei zu helfen, in jeder Umgebung besser zu hören. Dazu gehört die Verbesserung der Audioqualität dieser Geräte, insbesondere für das Sprachverstehen in lauten Umgebungen. Es geht auch darum, die Robustheit der Hörgeräte zu erhöhen und ihr optisches Erscheinungsbild zu verbessern, indem sie kleiner und weniger sichtbar gemacht werden, damit die Menschen sie tragen wollen. Schließlich geht es darum, die Hörgeräteversorgung zugänglicher und erschwinglicher zu machen, damit mehr Menschen Hörgeräte nutzen können.“
Was sind die größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Komponenten für Hörgeräte?
„Bei Sonion entwerfen und entwickeln wir Balanced-Armature-Empfänger für eine Vielzahl von Leistungsstufen und Anwendungen, sowohl in Einzel- als auch in Doppelkonfigurationen; Hybrid- und elektrostatische Empfänger für spezialisierte und professionelle Anwendungsfälle; vorgefertigte RIC-Systeme (Receiver-in-Canal) aus Stahl oder Kunststoff für Hörgeräte; sowie Miniaturelektret- und MEMS-Mikrofone für leistungsstarke und stromsparende Hörgeräte (Abbildung 1).
Daher müssen wir einige wichtige Kompromisse eingehen. Zum Beispiel müssen unsere Wandler klein genug sein, um in ein Hörgerät zu passen, und dabei einen geringen Stromverbrauch, minimale Verzerrungen, und im Fall von Balanced-Armature-Empfängern, geringere Interferenzen durch mechanische Vibrationen, magnetische Rückkopplung und akustische Rückkopplung aufweisen. Darüber hinaus müssen unsere MEMS-Mikrofone sehr empfindlich gegenüber Schall, aber unempfindlich gegenüber Vibrationen sein. Außerdem müssen unsere Komponenten zuverlässig und robust gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit und Verunreinigungen durch Ohrschmalz und Staub sein.
Aus Sicht der Modellierung sind unsere Geräte von Natur aus multiphysikalisch und durch starke Nichtlinearitäten gekennzeichnet. So kann beispielsweise die Optimierung des elektrischen Bereichs eines Modells negative Auswirkungen auf den akustische Bereich haben und umgekehrt. Das richtige Gleichgewicht zu finden, ist immer eine herausfordernde, aber auch faszinierende Aufgabe.“
Wenn man bedenkt, was bei dieser Arbeit auf dem Spiel steht, welche Folgen hat ein suboptimales Design?
„Wenn kein optimales Design erreicht wird, kann dies dazu führen, dass mehrere Design-Iterationen erforderlich sind, was zu langen Entwicklungszeiten und höheren F&E-Kosten, Verzögerungen bei der Markteinführung und Produkteinführung für OEMs und zum Verpassen von Design-Win-Chancen in Angebotsphasen führt.“
Warum setzt Sonion bei der Entwicklung von Hörgerätekomponenten auf Modellierung und Simulation?
„Unsere Modellierungs- und Simulationsarbeit ermöglicht es uns, Zeit und Ressourcen effizienter einzusetzen, bevor wir mit der Prototypenphase beginnen. Durch die Erstellung virtueller Prototypen mit der Software COMSOL Multiphysics® können wir auch schnellere Iterationen von Designkonzepten erreichen. Darüber hinaus ermöglicht uns die Finite-Elemente-Analyse (FEA), die in der Software enthalten ist, eine gründliche Untersuchung des Verhaltens unserer Produkte, das im Labor nur schwer zu messen oder eindeutig zu beobachten wäre.“
Können Sie ein Beispiel nennen, bei dem Sie Modellierung und Simulation als besonders wichtig empfunden haben?
„Bei vielen Anwendungen kann ein Balanced-Armature-Empfänger (BA) in die Nähe eines starken externen Magneten kommen. Dies kann beispielsweise passieren, wenn ein Hörgerät in seine Ladeschale eingesetzt wird. Die Ladeschale kann Magnete enthalten, die das eingelegte Gerät positionieren. Dies kann negative Folgen haben, da das Feld des externen Magneten in hochpermeable Komponenten des BA-Empfängers eindringen und dessen magnetische Funktion stören kann. Dies kann zu Fehlfunktionen des Hörgerätes führen, da die Wechselwirkung zwischen den externen und internen Magnetfeldern – der Ladeschale und des Hörgeräts – die Fähigkeit des Hörgeräts beeinträchtigt, Töne zu erzeugen oder den Ton stark verzerren kann.“ (Abbildung 2)
„Um diese Wechselwirkung zu analysieren, haben wir in COMSOL® ein Modell erstellt, um die Interferenz des magnetischen Flusses durch die externen Magnete mit dem vom BA-Empfänger erzeugten magnetischen Fluss zu verstehen. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass der zusätzliche magnetische Fluss, den ein externer Magnet in den magnetischen Pfad eines Empfängers einspeist, die magnetischen Widerstände im gesamten Magnetkreis verändert und zur Entmagnetisierung der Empfängermagnete führt.“ (Abbildung 3)
Können Sie ein zweites Beispiel nennen, bei dem Sie den Einsatz von Modellierung und Simulation als nützlich empfunden haben?
„In der professionellen Audio- und Hörgerätetechnik werden häufig Lumped-Element-Modelle als schnelles und praktisches Werkzeug zur Vorhersage des Verhaltens von Audio-Wandlern, wie beispielweise MEMS-Mikrofonen, verwendet. Um die Genauigkeit dieser Modelle zu erhöhen, müssen Endkorrekturen für Auslassöffnungen oder Schalleinlässe in die Länge des akustischen Kanals einbezogen werden. Diese Endkorrekturen beschreiben, wie ein akustischer Kanal zur Außenumgebung hin geöffnet ist – etwa durch ein offenes Ende oder durch eine Öffnung in eine unendliche Ebene, die als Schallwand bezeichnet wird. Die Koeffizienten, die die Endkorrektur der akustischen Masse am Ein- oder Auslass beschreiben, sind bekannt. Der Endkorrekturkoeffizient für den Realteil der akustischen Impedanz, also dem akustischen Widerstand des Kanals, wird üblicherweise als gleich angenommen wie der für die akustische Masse. In unserer Studie haben wir die thermoviskose Akustik in COMSOL verwendet, um die Endkorrektur des akustischen Widerstands zu berücksichtigen und zu quantifizieren. Dabei haben wir festgestellt, dass sich die Endkorrektur für die akustische Masse von der für den akustischen Widerstand unterscheiden kann.“ (Abbildung 4)
Warum sind Lumped-Element-Modelle wichtig für die Forschung und Entwicklung im Bereich Audio- und Hörtechnologie?
„Die wichtigsten Leistungsindikatoren von Empfängern, wie elektrische Impedanz, Schalldruckpegel und Vibrationen, hängen stark vom Design des Wandlers selbst und von der daran angeschlossenen akustischen Last ab. In diesem Fall stellt die akustische Last das menschliche Ohr und den damit verbundenen Schallkanal dar. Das typische Gerät zur Modellierung des durchschnittlichen menschlichen Ohrs ist der auch als 711-Koppler bekannte Ohrsimulator. Wenn wir jedoch das gesamte Volumen und die speziellen Merkmale dieses Ohrsimulators, sowie die Struktur des zur Verbindung des Empfängers mit dem Ohrsimulator benötigten akustischen Schlauchs berücksichtigt, erhalten wir ein sehr großes, vollständig gekoppeltes FEA-Modell, das sehr rechenintensiv ist. Wir haben einen Ansatz gewählt, bei dem die akustische Leitung und der 711-Koppler als Zwei-Port-Netzwerk anstelle eines vollständig gekoppelten FEA-Modells simuliert werden. Ein solcher Ansatz kann die Rechenzeit erheblich verkürzen. Wir haben die Transfermatrix-Methode mit der Software COMSOL Multiphysics anhand einer vollständigen FEA eines Wandlers, eines Rohrs und eines Kopplers validiert. Durch die Erstellung einer Lumped-Darstellung des Rohres und des Kopplers mithilfe einer Transfermatrix-Implementierung konnte die Modellkomplexität und die Rechenzeit drastisch reduziert werden. Schließlich konnten wir verschiedene Konzepte testen und schnell den virtuellen Prototyp auswählen, der zu einem physischen Prototyp für Labortests weiterentwickelt werden sollte.“
Welche Features der COMSOL® Software sind für Ihre täglichen Arbeit besonders hilfreich?
„Wir profitieren vor allem von der einfachen Implementierung und Flexibilität des Interfaces Magnetic Fields im AC/DC Module, einem Add-On-Produkt zur Software, sowie von den Interfaces Pressure Acoustics, Thermoviscous Acoustics und Solid Mechanics im Add-On Acoustics Module. Auch die Definitionen der magnetischen und mechanischen Materialeigenschaften in der integrierten Material Library sind für uns von großem Nutzen. Darüber hinaus sind die Visualisierungsfunktionen von COMSOL wirklich leistungsstark, da sie für den Erhalt klarer Antworten auf Forschungsfragen und zur Präsentation von COMSOL-Daten für Kollegen oder Interessenvertreter verwendet werden können. Schließlich sind die Sweep-Funktionen, wie beispielsweise der Hilfs- oder Material-Sweep, besonders nützlich für die Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Parameter in Simulationen.“
Wie hat die Simulation die Produktentwicklung bei Sonion verbessert?
„Ein virtueller Prototyp kann einen realen Prototyp nicht ersetzen. Wir müssen immer einen physischen Prototyp bauen, das Modell messen und validieren. Sobald das Modell jedoch validiert ist, ist der virtuelle Prototyp robust genug, um für die Auswahl des richtigen Designkonzepts verwendet zu werden. Um diesen Punkt weiter zu veranschaulichen, betrachten wir ein Beispiel für einen Prototyping-Prozess: Wenn Sie ein einzelnes Designkonzept testen, benötigen Sie einen virtuellen Prototyp, dessen Erstellung etwa sieben Stunden dauert. Ohne einen virtuellen Prototyp müssten Sie jedoch mindestens fünf Muster für jedes Konzept erstellen, testen und messen, was durchschnittlich 40 Stunden in Anspruch nimmt. Die Simulation kann also den Zeitaufwand für das Testen eines Designkonzepts um mindestens den Faktor 5,7 reduzieren. In diesem Szenario hat sich die Anzahl der Lernprozesse pro investiertem Euro durch die Einführung des virtuellen Prototyping exponentiell erhöht.“
Wie tragen Ihre Produkte dazu bei, die Hörgerätetechnologie weiterzuentwickeln?
„Die Produkte von Sonion entsprechen den wichtigsten Trends auf dem Hörgerätemarkt. Wir streben danach, die Leistung unserer Produkte zu verbessern und ihre Audioqualität zu optimieren. Neue Produkte müssen strenge Qualitätsstandards erfüllen, und wir erweitern ständig die Grenzen der Zuverlässigkeit unserer Produkte, um bessere und robustere Hörgeräte zu entwickeln. Unsere Produktdesigns berücksichtigen wir das gesamte Hörgerät und ermöglichen es den Herstellern, noch kleinere Hörgeräte herzustellen. Schließlich entwickeln wir immer kostengünstige Lösungen, um die Versorgung mit Hörgeräten erschwinglich zu machen.
Für die Zukunft planen wir, unsere Multiphysik-Modelle weiterzuentwickeln, die Genauigkeit unserer virtuellen Prototypen durch Hinzufügen von Variationen der Komponentengröße zu erhöhen, unsere Rechenzeiten drastisch zu verkürzen und die Parametervektoren für auf Lumped-Element-Modellen basierenden Schaltungen durch FEA-Studien zu verbessern.“
Welche Rolle spielt die Simulation in der Zukunft der Hörgerätetechnologie?
„Virtuelle Prototypen werden präziser und die Unterschiede zu physischen Prototypen werden minimiert. Und dank der höheren Verarbeitungsgeschwindigkeit von Computern wird der Übergang vom Design zum Testen und vom Testen zur Produkteinführung schnell erfolgen.
Was die Zukunft der Hörgerätetechnologie im Allgemeinen betrifft, glaube ich, dass sie fortschrittliche Signalverarbeitungsfunktionen enthalten wird, die die Sprachverständlichkeit in verschiedenen Umgebungen, die Konnektivität, die Klangqualität, die Robustheit und die Miniaturisierung verbessern. Neue Hörgeräteplattformen werden immer mehr KI zur Verbesserung der Spracherkennung bei Lärm enthalten, was jedoch zu Lasten des Stromverbrauchs gehen wird.“
Dieses Interview wurde zur besseren Verständlichkeit bearbeitet und gekürzt.
