Forschung -

Spracherkennung über die Vibration der Haut

Für eine präzise Spracherkennung kommen hauptsächlich kapazitive Mikrofone zum Einsatz. Dank neuer Elektretmaterialien und Verbesserungen in der Bauform der Membran und des Mikrofonkörpers entwickeln sich ihre Empfindlichkeit und Genauigkeit ständig weiter. Doch bei Wind oder hoher Umgebungslautstärke tun sich Mikrofone nach wie vor schwer, Sprache rauscharm zu erfassen. Nun sind flexible Vibrationssensoren auf der Haut Gegenstand der Forschung.

Bisherige Studien zur Spracherkennung über die Kehlkopfschwingungen untersuchten triboelektrische sowie piezoelektrische, -kapazitive und -resistive Sensoren. Diese konnten allerdings einige wichtige Anforderungen nicht erfüllen, wie einen flachen Frequenzgang, eine hohe Empfindlichkeit und Linearität. Vor allem Sensoren aus viskoelastischen Polymeren mit Betaübergang weisen erhebliche Dämpfungseffekte und mechanische Resonanzen auf. Außerdem stand es noch aus, eine quantitative Korrelation zwischen der Vibration am Hals und dem Stimmdruck zu erforschen, was angesichts der unzähligen Stimmvariationen und -lautstärken eine Herausforderung darstellt.

Das Forschungsteam der Professoren Kilwon Cho und Yoonyoung Chung der südkoreanischen Universität Postech demonstrierte nun erstmals, dass sich der Stimmdruck bei Schalldruckpegeln von 40 bis 70 dBSPL proportional zur Beschleunigung der Halsvibration verhält. Basierend auf diesen Erkenntnissen bauten die Forscher einen Vibrationssensor aus einer dünnen Polymerfolie und einer löchrigen Membran. Selbst wenn ein Anwender eine Mundmaske trägt, sehr leise spricht oder sich in einer lauten Umgebung aufhält, nimmt er die Sprache ohne Schwingungsverzerrungen auf.

Aufgrund der reduzierten Dämpfung im vollvernetzten Polymer erzielt der Sensor den geforderten flachen Frequenzgang im Frequenzbereich von 80 bis 3400 Hz, das die Standard-Telefonbandbreite (300 bis 3400 Hz) und die wesentlichen Stimmfrequenzen (80 bis 255 Hz) umfasst. Aus der niedrigen Steifigkeit (37,71 N/m) der Membran resultieren eine hohe Empfindlichkeit von 270 mV/g und ein SNR von mehr als 10 dB bei 0,02 g Beschleunigung. Die optimierte Membranform erweitert den Grad der Kapazitätsmodulation, und die Schnittstellenschaltung wandelt Kapazitäten mit etwa 9 V/pF um. Die ultradünne Struktur eliminiert Vibrationsverzerrungen, die durch raue und gekrümmte Oberflächen erzeugt werden, und schmiegt sich gut der Haut an. Der Sensor eignet sich beispielsweise für die Sprachsteuerung, zur Sprachauthentifizierung oder für das medizinische Stimmbandmonitoring.

S. Lee et al.: An Ultrathin Conformable Vibration-Responsive Electronic Skin for Quantitative Vocal Recognition; Nature Communications 10, 2019

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