原创 压电技术将使智能手机屏幕变成沉浸式交互扬声器

时至今日，包括手机在内的移动设备话筒（扬声器和触觉发生器）依然存在几个问题，而压电技术有望改变这一切，让显示器能够提供高质量的沉浸音频和交互触摸体验。
首先是组件本身。智能手机中的扬声器和当你触摸虚拟按钮时向你手指提供反馈的系统可能相对较小，但它们本身已经足够大，足以让我们的移动设备无法变得更薄。这些小部件也很脆弱，如果手机摔过，可能会深有感受。并且，它们需要在外壳上开口，这些开口容易导入湿气或碎屑，让手机产生潜在故障。
这样，我们感知声音的方式就有问题了。扬声器通常位于手机侧面或背面，声音来自我们眼睛在屏幕上看到的图像，但我们的耳朵知道它来自其他地方。这种感知上的不协调和复杂化限制了我们沉浸在体验中的能力。
如果使用显示面板本身作为声音和触觉反馈的来源，就可以一次性解决所有这些问题。这项技术现在已经出现了——即薄型压电传感器，将在2024年年底进入手机、笔记本电脑和可穿戴设备领域。

今日的扬声器

传统扬声器的工作原理是，让电流流过线圈产生一个磁场，移动连接在扬声器锥体上的磁铁，进而移动空气产生声波。扬声器不能小于线圈和锥体的尺寸，线圈和锥体必须足够宽和足够长，以排出合理体积的空气，其机械耐久性受限于其小型活动部件的装配精度。
手机中的触觉发生器通常是线性共振致动器，在电气和机械方面类似于扬声器，但经过优化，可以在固体中产生低频振动，而不是在空气中产生声波。

事实证明，声音和触觉的产生都可以从移动设备的显示屏上获得。显示器是一个均匀、平坦、半柔性的表面——如果你用指甲轻轻敲击它，可以听到它的振动。将平坦的半柔性表面变成扬声器的技术可以追溯到早期的高保真技术。
在20世纪50年代，你可以只购买扬声器中把电能转化为运动的那部分——线圈和活塞——然后把活塞固定在墙上或橱柜的面板上。然后，墙壁或面板振动——就像扬声器锥体一样——产生我们感知为声音的气压波。这个想法仍然是一个新奇的想法，主要是因为这是一个自己动手的项目，只是结果无法预测。找到正确的表面，将驱动器安装在正确的位置，并正确地为其供电，结果证明这与制作一把真正意义的小提琴一样简单。
最近，一些平板电视开发商利用类似的原理将大尺寸电视屏幕变成了扬声器。他们使用强大的换能器以音频振动整个显示面板。这样形成的轻薄显示屏没有扬声器，中频和高频的保真度非常好（如果您想要低频，将需要一个辅助低音炮）。声音似乎确实来自屏幕上的图像。但是这些系统价格昂贵，并且需要消耗相当大功率的高压放大器，因此需要缩小它们的体积才能安装到移动设备中。

进入压电领域

要在较小的设备中完成这项工作，需要压电传感器。这些由微小单晶组成，如石英或某些陶瓷，并附有两个电极。当在电极上施加电压时，材料会发生物理弯曲。
这种弯曲被称为逆压电效应。1880年，物理学家皮埃尔（Pierre）和雅克·居里（Jacques Curie）观察到，当某些晶体受到机械力时，晶体表面之间会出现电压——压电效应。这种效应是由于晶体中的自然电偶极子和晶体分子中的机械应力之间的相互作用形成的。简单地说，弯曲晶体会导致偶极排列，从而产生一个大电场。
一年后，居里夫妇证明反过来也是正确的：如果在这些晶体的表面之间施加电压，偶极子就会在与磁场对齐时弯曲晶体。压电材料的研究随后扩展到了包括陶瓷在内的其他领域。

因此，通过施加交流电压，可以使换能器以相当大的力振动。这些振动可以很慢——触觉反馈所需的那种——也可以很快，达到最高音频频率或更高。虽然用陶瓷材料产生这种效果需要相对较高的电压（40V或更高），但它需要的电流很小，因此功耗也很低，远低于当今移动设备扬声器所用的功耗。
使用压电换能器产生声音并不是一个新想法。事实上，几十年来，它们一直被用来产生烟雾报警器令人难以忍受的尖叫声。
当然，使用压电材料产生全方位的高质量音频距离制造烟雾报警器还有很长的路要走。让它在手持设备中工作存在许多挑战。需要一种能够提高电池所能提供的电压的放大器，以高效率节省能量，并以最小的噪声保持音频质量。在将音频信号发送到传感器之前，需要对其进行一些预处理，以校正传感器和传感器会振动的显示面板的特性。

传感器的驱动

Synaptics已经找到了应对了这些挑战的方法，开发了一种集成低噪声、高压升压放大器和数字信号处理器的芯片，该芯片位于设备主板上，驱动附着在显示器背面的陶瓷压电传感器。这确实会占用空间，但消除了体积更大的动圈扬声器。这些放大器-换能器组的确切位置和数量取决于设备的机械设计和所需的音频模式——一组足以取代智能手机中的手持接收器功能，但还需要第二组来取代扬声器功能。该配置将是更典型的配置。预计到2024年底，智能手机、可穿戴设备和笔记本电脑中将出现这类芯片。

摆脱传统的磁性线圈扬声器的直接好处有很多。与动态扬声器或线性共振致动器的几毫米厚度相比，压电换能器材料只需要1毫米的外壳厚度，从而使新一代更薄手持设备成为可能。但是，这种换能器可以产生最佳微型动态扬声器的音质和响度。目前，包括TDK在内的几家公司制造了相关产品，其他公司尚未公开宣布。
由于传感器与外壳内的显示面板粘合在一起，它们不需要可能让湿气或灰尘进入内部的开口。最重要的是，换能器从显示器的前面产生声波，这意味着声音指向用户，而不是远离用户或偏离到一侧。正如声音生成显示器在大屏幕电视上的成功所证明的那样，这确实提供了更身临其境的体验。这样，当你看到霸王龙向后仰着头吼叫时，你的大脑会将声音的来源定位在这头霸王龙的图像上，而不是旁边的某个地方。
今天的许多手持设备确实试图通过所谓的心理声学处理来纠正这一问题，使用一种算法来改变扬声器发出的声波振幅和相位，模仿声波从不同方向进入耳朵时耳朵所做的一些非常复杂的事情。这些算法的成功取决于周围环境，额外的处理器周期会从设备的电池中消耗大量能量，让声音在显示器上产生一个简单得多的解决方案。
至于触觉反馈，如果使用产生声音的相同压电换能器来产生触觉反馈，就消除了对单独的驱动电子设备和电机来振动显示器的需要。

沉浸式双向体验

请记住，压电效应是双向的。当触摸显示面板时，不仅传统的触摸传感器可以确定触摸的位置，而且压电传感器可以告诉你按压的力度。这为交互式用户界面和沉浸式触摸屏游戏开辟了一个全新的反馈领域。
该技术也提出了一个有趣的可能性，虽然尚在探索和实践中。当触摸或相当大的环境噪声使显示面板弯曲时，面板也会使传感器弯曲，从而产生电压。这种电信号可以被收集来为设备的电池充电，提供一定程度的能量收集，可延长手机电池充电后的使用时间。
如果你的下一部手机更薄，电池寿命更长，声音更具沉浸感，那么感谢压电技术从你的设备中消除了传统的扬声器和基于电机的触觉发生器，并让声音回归到了它应该在的地方。