壓電使顯示器能夠提供高質(zhì)量的音頻和觸摸反饋。

當今的移動設備揚聲器和觸覺發(fā)生器存在幾個問題。

第一個是組件本身。智能手機中的揚聲器以及觸摸虛擬按鈕時提供手指反饋的系統(tǒng)可能相對較小，但它們?nèi)匀蛔銐虼?，足以限制我們的移動設備的厚度。這些小部件也很脆弱，如果您的手機掉落過，您可能會了解到這一點。它們需要在外殼上有開口，以允許水分或碎片進入。

然后我們感知它們發(fā)出的聲音的方式就存在問題。揚聲器通常位于我們設備的側(cè)面或背面。聲音應該來自我們眼睛在屏幕上看到的圖像，但我們的耳朵知道它來自其他地方。這種感知上的不和諧限制了我們沉浸在體驗中的能力。

如果我們能夠使用顯示面板本身作為聲音和觸覺反饋的來源，我們就可以立即解決所有這些問題?，F(xiàn)在可以實現(xiàn)這一點的技術(shù)是一種薄壓電換能器。到今年年底，它將進入手機、筆記本電腦和可穿戴設備領(lǐng)域。

傳統(tǒng)揚聲器的工作原理是讓電流流過線圈，產(chǎn)生磁場，移動附著在揚聲器錐體上的磁鐵，進而置換空氣以產(chǎn)生聲波。揚聲器的尺寸不能小于線圈和錐體尺寸所允許的尺寸，線圈和錐體必須足夠?qū)捄烷L，以排出合理的空氣量。其機械耐用性受到其小型移動部件的組裝精度的限制。

手機中的觸覺發(fā)生器通常是線性諧振執(zhí)行器，其電氣和機械結(jié)構(gòu)類似于揚聲器，但經(jīng)過優(yōu)化可在固體中產(chǎn)生低頻振動，而不是在空氣中產(chǎn)生聲波。

用壓電傳感器取代傳統(tǒng)揚聲器將使設備變得更薄

事實證明，聲音和觸覺生成都可以從移動設備的顯示屏中產(chǎn)生。顯示屏是一個均勻、平坦、半柔性的表面——如果你用指甲敲擊它，你可以聽到它的振動。將平坦的半柔性表面轉(zhuǎn)變?yōu)閾P聲器的技術(shù)可以追溯到高保真早期。

在 20 世紀 50 年代，您可以只購買揚聲器中將電力轉(zhuǎn)化為運動的部分——線圈和活塞——并將活塞固定在墻壁或柜子的面板上。然后，墻壁或面板會像揚聲器錐體一樣振動，產(chǎn)生我們感知為聲音的氣壓波。這個想法仍然很新穎，主要是因為它是一個自己動手的項目，結(jié)果不可預測。事實證明，找到合適的表面、將驅(qū)動器安裝在正確的位置并正確供電，就像制作一把真正好的小提琴一樣簡單。

最近，一些平板電視開發(fā)商利用類似的原理將大尺寸電視的屏幕變成了揚聲器。他們使用強大的傳感器以音頻頻率振動整個顯示面板。這帶來了好處：薄顯示屏，沒有揚聲器。根據(jù)評論家的說法，中頻和高頻的保真度很高（如果您想要低頻，則需要一個輔助低音炮）。聲音似乎確實來自屏幕上的圖像。但這些系統(tǒng)價格昂貴，并且需要消耗大量功率的高壓放大器，因此它們需要縮小尺寸才能裝入移動設備。

進入壓電領(lǐng)域

要在較小的設備中完成這項工作，您需要壓電傳感器。它們由微小的單晶體（例如石英或某些陶瓷）組成，并附有兩個電極。當您在電極上施加電壓時，材料會發(fā)生物理彎曲。

這種彎曲稱為逆壓電效應。1880年，物理學家皮埃爾·居里和雅克·居里觀察到，當某些晶體受到機械力時，晶體的兩面之間會出現(xiàn)電壓；他們稱之為壓電效應（piezo在希臘語中是“按壓”的意思）。這種效應是由于晶體中的自然電偶極子與晶體分子中的機械應力之間的相互作用造成的。粗略地說，彎曲晶體會導致偶極子對齊，從而產(chǎn)生體電場。

一年后，居里夫婦證明了相反的情況是正確的：如果在這些晶體的表面之間施加電壓，偶極子在試圖與場對齊時會使晶體彎曲。壓電材料的研究隨后擴展到包括陶瓷。

當壓電傳感器振動顯示器本身以產(chǎn)生聲波時，聲音似乎直接來自屏幕上的圖像，這是一種更加真實的效果

因此，通過施加交流電壓，可以使傳感器以相當大的力振動。這些振動可以很慢（觸覺反饋所需的振動），也可以非?？?，達到最高音頻頻率或更高。雖然用陶瓷材料產(chǎn)生這種效果需要相對較高的電壓（40 伏或更高），但它需要的電流非常少，因此功率也很小，遠低于當今移動設備揚聲器所使用的功率。

使用壓電換能器來產(chǎn)生聲音并不是一個新想法。事實上，幾十年來，它們一直被用來產(chǎn)生令人難以忍受的煙霧警報器的尖叫聲。

當然，使用壓電元件產(chǎn)生全方位的高質(zhì)量音頻距離發(fā)出煙霧警報器的尖叫聲還有很長的路要走。使其在手持設備中工作存在許多挑戰(zhàn)。需要一種放大器能夠提高電池提供的電壓，以高效率節(jié)省能源，并以最小的噪音保持音頻質(zhì)量。并且音頻信號在發(fā)送到換能器之前需要進行一些預處理，以校正換能器的特性以及換能器將振動的顯示面板。

驅(qū)動傳感器

但Synaptics認為我們已經(jīng)應對了這些挑戰(zhàn)。我們開發(fā)了一種芯片，它集成了低噪聲、高壓升壓放大器和數(shù)字信號處理器，該處理器位于設備主板上并驅(qū)動連接到顯示器背面的陶瓷壓電傳感器。這確實占用了空間，但話又說回來，它消除了動圈揚聲器。這些放大器-換能器組的確切位置和數(shù)量取決于設備的機械設計和所需的音頻模式——一組足以取代智能手機中的手持接收器功能，但還需要第二組來取代智能手機中的手持接收器功能。揚聲器功能。該配置將是更典型的配置。

我們預計到 2024 年底我們的芯片將應用于智能手機、可穿戴設備和筆記本電腦。

傳統(tǒng)的揚聲器模塊位于計算機或移動設備的其他組件中，占用了寶貴的空間。相反，當薄壓電傳感器振動顯示器以產(chǎn)生聲波和觸覺效果時，該空間就被釋放用于其他用途

放棄傳統(tǒng)磁線圈揚聲器的直接好處有很多。壓電換能器材料僅需要一毫米的外殼厚度，而動態(tài)揚聲器或線性諧振執(zhí)行器需要幾毫米的外殼厚度，從而使新一代更薄的手持設備成為可能。然而，這種換能器可以產(chǎn)生最好的微型動態(tài)揚聲器的音質(zhì)和響度。它們由包括TDK在內(nèi)的幾家公司制造；其他尚未公開宣布。

由于傳感器粘合在外殼內(nèi)的顯示面板上，因此不需要任何可能讓濕氣或污垢進入內(nèi)部的開口。

最重要的是，傳感器從顯示器前面產(chǎn)生聲波。這意味著聲音是針對用戶的，而不是遠離用戶或偏向側(cè)面。正如大屏幕電視中發(fā)聲顯示器的成功所證明的那樣，這實際上確實提供了更加身臨其境的體驗。當你看到霸王龍仰起頭咆哮時，你的大腦會將聲音的來源定位在野獸的圖像上，而不是側(cè)面的某個地方。

當今的許多手持設備確實試圖通過所謂的心理聲學處理來糾正這個問題，使用一種算法來改變來自揚聲器的聲波的幅度和相位，模仿你的耳朵作為聲音所做的一些非常復雜的事情波從不同方向進入它們。這些算法的成功取決于周圍環(huán)境，額外的處理器周期會消耗設備電池的大量能量。讓聲音在顯示器上物理產(chǎn)生是一個簡單得多的解決方案。

至于觸覺反饋，使用相同的產(chǎn)生聲音的壓電傳感器來產(chǎn)生觸覺反饋，無需單獨的驅(qū)動器電子設備和電機來搖動顯示器。

雙向效應

另外，請記住壓電效應是雙向的。因此，當您觸摸顯示面板時，傳統(tǒng)的觸摸傳感器不僅可以確定您觸摸的位置，而且壓電傳感器還可以判斷您按壓的力度。這為交互式用戶界面和沉浸式觸摸屏游戲開辟了一個全新的反饋領(lǐng)域。

它還提出了一個有趣的可能性，坦率地說，尚未得到徹底探索。當觸摸或什至相當大的環(huán)境噪音彎曲顯示面板時，它也會彎曲傳感器，從而產(chǎn)生電壓?？梢允占撾娦盘杹頌樵O備的電池充電，提供一定程度的能量收集，從而可以延長充電之間的時間。

因此，如果您的下一部手機更薄、電池壽命更長、聲音更身臨其境，那么壓電技術(shù)可以從您的設備中消除傳統(tǒng)揚聲器和基于電機的觸覺發(fā)生器，并將聲音移至其所屬的位置。

審核編輯 黃宇