Cet article a été publié pour la première fois dans Copper Magazine de PS Audio.

Sonic Edge est une société spécialisée dans la technologie des haut-parleurs miniatures MEMS. Les haut-parleurs MEMS (pour micro-electromechanical systems) utilisent des haut-parleurs fabriqués sur des puces de silicium, qui peuvent être très petites et offrir des avantages en termes de qualité audio et de fabrication. Sonic Edge, basée en Israël et au Danemark, propose un haut-parleur MEMS à ultrasons modulés unique, un haut-parleur MEMS de deuxième génération qui constitue enfin une « solution à haut-parleur unique », contrairement aux haut-parleurs MEMS de première génération qui ne peuvent fonctionner que comme haut-parleurs d'aigus, fonctionnant en parallèle avec un haut-parleur traditionnel dynamique pour les basses. Le haut-parleur de Sonic Edge est basé sur les ultrasons, qui sont générés par plusieurs haut-parleurs, chacun de la largeur d'un cheveu humain, puis convertis en sons audibles par l'intermédiaire d'un transformateur ou modulateur de fréquence acoustique breveté.

Je me suis entretenu avec Moti Margalit, PDG et cofondateur de Sonic Edge, au sujet de leur approche de la conception de haut-parleurs MEMS, qui trouvent des applications dans les écouteurs, les lunettes intelligentes, les casques, les prothèses auditives et d'autres produits.

Frank Doris : Parlons de qui vous êtes, de ce que fait Sonic Edge et de votre technologie AirDriver.

Moti Margalit : La plupart des haut-parleurs MEMS disponibles sur le marché aujourd'hui ne sont efficaces que pour les tweeters. Ils ne constituent pas une solution à gamme complète et ont toujours besoin d'un haut-parleur standard pour fournir les sons à basse fréquence. Il s'agit là d'un aspect intrinsèque de la production de son à partir d'un haut-parleur MEMS, car le matériau MEMS n'est pas suffisamment souple. Nous avons commencé à réfléchir aux haut-parleurs MEMS en 2012, lorsque nous avons obtenu notre premier brevet, et nous avons créé Sonic Edge en 2019 pour commercialiser cette technologie. J'ai examiné la situation générale et les défis, et je me suis dit que pour fabriquer un haut-parleur MEMS, nous devions revenir aux premiers principes, en gardant à l'esprit que la taille est le paramètre critique. La fabrication d'un haut-parleur plus petit présente des avantages considérables pour les clients, mais contribue également à réduire les coûts. En fin de compte, les MEMS doivent servir à réduire la taille et le coût des objets.

Nous avons commencé avec un haut-parleur de la largeur d'un cheveu qui permet de produire des ultrasons. Nous avons pu placer environ 200 de nos haut-parleurs sur une puce de 10 millimètres carrés et nous avons obtenu un excellent haut-parleur à ultrasons, mais il n'était pas possible de l'entendre en tant que musique. Il nous fallait donc trouver un moyen de transformer ces ultrasons en sons audibles. C'est ainsi que nous avons inventé le principe de la modulation active. Dans le passé, les gens ont fait ce qu'on appelle un haut-parleur paramétrique. [Ils génèrent des ondes ultrasoniques qui sont modulées par des signaux audio lorsqu'elles se déplacent dans l'air. Les ondes sont démodulées et entendues comme un son. - Ndlr].

Le son n'était pas bon, il fallait beaucoup d'énergie pour alimenter les haut-parleurs, la taille des haut-parleurs était importante, bref, tout était contre cette technologie. Elle permet de produire un son très directionnel, mais c'est vraiment le seul avantage. C'est pourquoi nous avons pensé à utiliser la modulation active. En gros, cela signifie que les ultrasons passent par un canal acoustique et que nous pouvons ouvrir et fermer ce canal acoustique. Si nous le modulons suffisamment rapidement, nous pouvons générer un son à partir des ultrasons. C'est la base de notre technologie, une manière totalement nouvelle de générer du son. Il a fallu quelques années pour la développer et l'affiner.

Mais pourquoi cela permet-il d'obtenir un haut-parleur plus petit et de meilleure qualité ? Une autre façon de voir notre dispositif est qu'il fonctionne comme une pompe à air à très grande vitesse. Lorsque la membrane du haut-parleur pousse l'air en se déplaçant dans une direction, le canal est ouvert et l'air peut circuler, et lorsqu'elle tire l'air en se déplaçant dans la direction opposée, le canal est fermé et l'air n'est pas tiré. Notre haut-parleur est donc en fait une pompe fonctionnant à des vitesses ultrasoniques, 400 000 fois par seconde.

Comparez cela à un haut-parleur standard poussant de l'air à, disons, un kilohertz ou mille fois par seconde. L'avantage est donc 400 fois supérieur. La surface du haut-parleur peut être 10 fois plus petite. Le mouvement du haut-parleur peut être 10 fois moins important, de sorte que le déplacement peut être beaucoup plus faible aux ultrasons qu'aux fréquences audio. Pourtant, nous générons un niveau de pression acoustique supérieur à celui d'un haut-parleur standard. Passer aux ultrasons modulés, c'est comme utiliser une pompe à très grande vitesse pour remplacer une membrane qui se déplace lentement. C'est la raison pour laquelle nous pouvons fabriquer un haut-parleur beaucoup plus petit que les haut-parleurs existants.

FD : Pour être clair, il s'agit d'une méthode mécanique de conversion des ultrasons en sons audibles. Le signal ne passe pas par une conversion électronique ou N/A. Il s'agit d'une méthode strictement mécanique.

MM : Exactement.

FD : S'agit-il d'un brevet en instance ou d'une propriété intellectuelle ?

MM : Nous disposons de 25 brevets, dont 12 bénéficient déjà d'une protection mondiale. Pour fabriquer l'AirDriver, nous utilisons les mêmes entreprises de fabrication que celles qui fabriquent aujourd'hui les microphones MEMS. Ces fabs [installations de fabrication] fabriquent déjà des milliards de microphones MEMS et sont adaptées à nos besoins, ce qui nous permet de faire évoluer notre fabrication rapidement. Notre haut-parleur MEMS est fabriqué en silicium pur et nous utilisons une commande électrostatique pour déplacer les haut-parleurs à ultrasons et le modulateur, ce qui permet d'obtenir une très faible puissance et une haute fidélité.

Certains de nos concurrents utilisent le PZT comme actionneur, et le PZT est un matériau problématique. Tout d'abord, il contient du plomb, ce qui limite son utilisation dans certaines applications, et ensuite, il ne dispose pas de l'infrastructure de fabrication et de l'historique de fiabilité du silicium pur. Notre conception est très fiable, évolutive et peu coûteuse. Sa conception est similaire à celle de ce que l'on appelle un microphone à double plaque arrière, le microphone MEMS standard que la plupart des gens utilisent aujourd'hui. Nous utilisons donc cette plate-forme, mais dans une conception différente.

FD : J'essaie de comprendre. Comment le modulateur permet-il de passer de 400 000 mouvements par seconde à la bande audio ?

MM : Nous effectuons une modulation d'amplitude des ultrasons.

FD : Ah. Comme la radiodiffusion !

MM : Exactement. Comme les ondes radio. C'est exactement le principe. La modulation active crée une bande latérale que l'on peut entendre, d'une manière très similaire aux ondes électromagnétiques. Si, au lieu de la moduler sur une seule fréquence, nous la modulons sur plusieurs fréquences, nous obtiendrons l'ensemble du spectre audio.

FD : Les applications évidentes sont les écouteurs et les smartphones. Y en a-t-il d'autres ? Permettez-moi de parler du son des écouteurs MEMS que j'ai entendus jusqu'à présent. Il y a une sorte de clarté et de détail électrostatique.

MM : Notre haut-parleur délivre un niveau de pression sonore croissant à mesure qu'il descend dans les basses fréquences. Il descend en fait jusqu'au courant continu. Aucun autre haut-parleur ne peut faire une chose pareille. En ce qui concerne les autres applications, il est évolutif. Vous pouvez donc augmenter la surface active et obtenir un flux d'air plus important. Par ailleurs, il est possible d'utiliser un seul haut-parleur à ultrasons et un seul canal et de l'incorporer dans des capteurs de gaz ou des applications médicales pour pomper de l'air ou des gaz. Une autre application d'une grande portée est celle des applications à très basse fréquence, comme les hydrophones pour sonar, où l'on peut produire un sonar à infrasons avec une source très petite et économe en énergie.

Il s'agit donc d'une nouvelle façon de pomper l'air, le son étant une application importante, mais pas la seule. Cependant, pour les haut-parleurs, nous pensons que notre technologie offre un moyen évolutif de générer du son et qu'elle sera le haut-parleur de choix à l'avenir.

Nous pensons qu'il peut tout d'abord remplacer les micro-hauts-parleurs, qu'il s'agisse d'écouteurs, de casques, de lunettes ou de téléphones portables. Mais au fur et à mesure que la technologie évolue, nous avons une feuille de route qui prévoit que tous les deux ans, nous augmenterons le niveau de pression acoustique d'un facteur de deux pour la même surface d'attaque. En combinant l'augmentation du niveau de pression sonore avec une architecture évolutive, nous pouvons également créer des haut-parleurs de plus en plus grands avec plus de volume. Par exemple, dans les voitures, nous pouvons retirer les haut-parleurs de la portière et les placer dans le toit ou dans l'appui-tête. 

FD : En tant qu'audiophile, cela me rend un peu fou lorsque je suis dans ma voiture et que les haut-parleurs sont placés sur les côtés des portières, en direction de mes jambes. C'est tout simplement ridicule.

Quelle est la puissance sonore des haut-parleurs AirDriver ? De toute évidence, ils sont suffisamment puissants pour les casques et d'autres applications.

MM : La meilleure façon de l'envisager est de la comparer à une pompe, et une unité, disons 10 millimètres carrés, génère un certain débit d'air. Si nous voulons remplacer un haut-parleur, nous devons déterminer le débit d'air maximal généré par ce haut-parleur, puis déterminer la surface nécessaire [pour un AirDriver afin de] de remplacer ce haut-parleur. Si nous considérons un haut-parleur de 2 pouces, nous le remplacerons par quelque chose de la même surface, mais avec une épaisseur dix fois plus petite, de sorte qu'au lieu de la profondeur de 1,5 pouce d'un haut-parleur de 2 pouces, nous n'aurons besoin que de 1/8 pouce, et nous n'aurons besoin que d'une cavité arrière beaucoup plus petite. Plus important encore, la configuration des haut-parleurs MEMS n'a pas besoin d'être carrée ou ronde, elle peut être de n'importe quelle forme. Et comme il s'agit de haut-parleurs réellement identiques, nous pouvons réaliser une très bonne formation de faisceau, de sorte que l'auditeur peut obtenir un son personnalisé tandis que les autres personnes dans la voiture entendent leur propre musique personnalisée. [La formation de faisceaux est le processus de modification de la sortie de plusieurs haut-parleurs en utilisant le retard, les différences de volume ou l'effet d'annulation pour contrôler le comportement d'une onde acoustique. - Ndlr].

FD : Est-il possible de régler la réponse en fréquence des haut-parleurs, ou est-ce plutôt une question d'espace acoustique dans lequel les haut-parleurs sont placés ?

MM : Notre dispositif est en fait une pompe, donc en termes de conception de haut-parleurs à éléments groupés, il s'agit d'un « flux de courant », et vous pouvez faire tout ce que vous avez l'habitude de faire dans la conception acoustique en termes d'introduction de cavités, de tuyaux ou de tubes pour ajuster cela. Nous n'avons pas besoin d'une cavité arrière de la même taille qu'un haut-parleur standard. Si la cavité arrière d'un haut-parleur standard est trop petite, cela affecte la conformité du haut-parleur et, par conséquent, augmente la fréquence de résonance, ce qui ne permet pas d'obtenir de bonnes performances dans les basses fréquences. Mais une pompe peut supporter des pressions allant jusqu'à un millier de pascals sans affecter les performances, ce qui nous permet d'avoir des cavités plus petites.

Vous pouvez considérer nos haut parleurs comme un moyen de construire des enceintes très puissantes en utilisant une série d'émetteurs isolés. Cette méthode est similaire à l'utilisation de plusieurs diodes électroluminescentes (DEL), que ce soit pour des lampes de poche ou des écrans de grande taille. À l'avenir, nous pourrons construire des réseaux de haut-parleurs et faire des choses intéressantes avec ces réseaux.

FD : Allez-vous les vendre sous votre propre marque ou en tant qu'équipementier pour d'autres fabricants ?

MM : Nous sommes un OEM. Nous vendons nos haut-parleurs et les ASIC (circuits intégrés à application spécifique) qui les activent, ainsi qu'un module qui se connecte à une interface audio standard. Nous n'avons pas de marque d'écouteurs et nous ne sommes pas en concurrence avec nos clients.

FD : Il se peut donc qu'une entreprise dise qu'elle utilise la technologie Sonic Edge, ou celle-ci sera-t-elle plus invisible pour le grand public ?

MM : Si nous faisons du bon travail en matière d'image de marque et de marketing, nos clients seront fiers de dire que leurs produits sont alimentés par Sonic Edge. Nous devons travailler pour y parvenir. Mais c'est ce qui est prévu.

FD : Parlez-nous de Sonic Edge, l'entreprise.

MM : Le concept original a été développé en 2012. Ari, mon partenaire commercial, utilise des appareils auditifs et nous nous demandions entre nous pourquoi les appareils auditifs ne peuvent pas vraiment fournir un bon son. Et nous avons commencé à étudier pourquoi.

FD : J'avoue qu'il m'arrive d'en utiliser moi-même.

MM : C'est mieux que rien, mais ce n'est pas bon.

FD : Ils se sont améliorés. Mais je dis aux gens que je ne veux pas écouter la vie à travers de mauvais convertisseurs N-A. Pour l'intelligibilité de la parole lorsque je suis assis dans un restaurant bondé, ils sont excellents, mais je ne peux pas écouter un système audio avec des aides auditives. C'est trop triste pour moi.

MM : C'est donc là que le bât blesse. L'électronique est très performante. Il y a vraiment beaucoup de choses très intelligentes qui se passent ici, mais la bande passante des transducteurs est limitée. C'est pourquoi les écouteurs intra-auriculaires haut de gamme sont équipés de cinq, dix, voire vingt armatures équilibrées afin d'obtenir un spectre de fréquences complet. Nous avons essayé de comprendre pourquoi les haut-parleurs ne peuvent pas être petits et bon. C'est ainsi que nous avons inventé la technologie des ultrasons modulés.

La vie vous emmène dans de nombreuses directions et nous n'avons pas activement poursuivi ce projet [au début]. Nous avons donc lancé Sonic Edge en 2019, puis le coronavirus est apparu. Les deux premières années, nous avons essentiellement travaillé dans mon grenier et développé la technologie. En 2022, nous avions des prototypes fonctionnels, travaillant avec certaines entreprises d'électronique grand public pour faire des démonstrations d'écouteurs et de lunettes. D'ici la fin de l'année, nous devrions avoir mis en place la fabrication, l'objectif étant de commercialiser les produits en 2025.

Je pense qu'il s'agit d'une étape très importante et que notre approche des ultrasons modulés est la bonne façon de fabriquer des haut-parleurs MEMS. Nous avons discuté avec de nombreuses entreprises et elles pensent que les haut-parleurs MEMS seront les haut-parleurs du futur. Certaines disent que l'année prochaine semble raisonnable. D'autres disent qu'il faudra encore cinq ans. Mais la question n'est pas de savoir si cela arrivera, mais seulement quand.

Cet article est apparu précédemment dans le numéro 206 de Copper Magazine.