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(dòng)設備揚聲器和觸覺(jué)發(fā)生器存在幾個(gè)問(wèn)題。

第一個(gè)是組件本身。智能手機中的揚聲器以及觸摸虛擬按鈕時(shí)提供手指反饋的系統可能相對較小，但它們仍然足夠大，足以限制我們的移動(dòng)設備的厚度。這些小部件也很脆弱，如果您的手機掉落過(guò)，您可能會(huì )了解到這一點(diǎn)。它們需要在外殼上有開(kāi)口，以允許水分或碎片進(jìn)入。

然后我們感知它們發(fā)出的聲音的方式就存在問(wèn)題。揚聲器通常位于我們設備的側面或背面。聲音應該來(lái)自我們眼睛在屏幕上看到的圖像，但我們的耳朵知道它來(lái)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(jué)反饋的來(lái)源，我們就可以立即解決所有這些問(wèn)題?，F在可以實(shí)現這一點(diǎn)的技術(shù)是一種薄壓電換能器。到今年年底，它將進(jìn)入手機、筆記本電腦和可穿戴設備領(lǐng)域。

傳統揚聲器的工作原理是讓電流流過(guò)線(xiàn)圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)，移動(dòng)附著(zhù)在揚聲器錐體上的磁鐵，進(jìn)而置換空氣以產(chǎn)生聲波。揚聲器的尺寸不能小于線(xiàn)圈和錐體尺寸所允許的尺寸，線(xiàn)圈和錐體必須足夠寬和長(cháng)，以排出合理的空氣量。其機械耐用性受到其小型移動(dòng)部件的組裝精度的限制。

手機中的觸覺(jué)發(fā)生器通常是線(xiàn)性諧振執行器，其電氣和機械結構類(lèi)似于揚聲器，但經(jīng)過(guò)優(yōu)化可在固體中產(chǎn)生低頻振動(dòng)，而不是在空氣中產(chǎn)生聲波。

用壓電傳感器取代傳統揚聲器將使設備變得更薄

事實(shí)證明，聲音和觸覺(jué)生成都可以從移動(dòng)設備的顯示屏中產(chǎn)生。顯示屏是一個(gè)均勻、平坦、半柔性的表面——如果你用指甲敲擊它，你可以聽(tīng)到它的振動(dòng)。將平坦的半柔性表面轉變?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(mǎi)揚聲器中將電力轉化為運動(dòng)的部分——線(xiàn)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(huì )像揚聲器錐體一樣振動(dòng)，產(chǎn)生我們感知為聲音的氣壓波。這個(gè)想法仍然很新穎，主要是因為它是一個(gè)自己動(dòng)手的項目，結果不可預測。事實(shí)證明，找到合適的表面、將驅動(dòng)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(jiǎn)單。

最近，一些平板電視開(kāi)發(fā)商利用類(lèi)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(dòng)整個(gè)顯示面板。這帶來(lái)了好處：薄顯示屏，沒(méi)有揚聲器。根據評論家的說(shuō)法，中頻和高頻的保真度很高（如果您想要低頻，則需要一個(gè)輔助低音炮）。聲音似乎確實(shí)來(lái)自屏幕上的圖像。但這些系統價(jià)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(dòng)設備。

進(jìn)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(gè)電極。當您在電極上施加電壓時(shí)，材料會(huì )發(fā)生物理彎曲。

這種彎曲稱(chēng)為逆壓電效應。1880年，物理學(xué)家皮埃爾·居里和雅克·居里觀(guān)察到，當某些晶體受到機械力時(shí)，晶體的兩面之間會(huì )出現電壓；他們稱(chēng)之為壓電效應（piezo在希臘語(yǔ)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(shuō)，彎曲晶體會(huì )導致偶極子對齊，從而產(chǎn)生體電場(chǎng)。

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(chǎng)對齊時(shí)會(huì )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(dòng)顯示器本身以產(chǎn)生聲波時(shí)，聲音似乎直接來(lái)自屏幕上的圖像，這是一種更加真實(shí)的效果

因此，通過(guò)施加交流電壓，可以使傳感器以相當大的力振動(dòng)。這些振動(dòng)可以很慢（觸覺(jué)反饋所需的振動(dòng)），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(dòng)設備揚聲器所使用的功率。

使用壓電換能器來(lái)產(chǎn)生聲音并不是一個(gè)新想法。事實(shí)上，幾十年來(lái)，它們一直被用來(lái)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(cháng)的路要走。使其在手持設備中工作存在許多挑戰。需要一種放大器能夠提高電池提供的電壓，以高效率節省能源，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(jìn)行一些預處理，以校正換能器的特性以及換能器將振動(dòng)的顯示面板。

驅動(dòng)傳感器

但Synaptics認為我們已經(jīng)應對了這些挑戰。我們開(kāi)發(fā)了一種芯片，它集成了低噪聲、高壓升壓放大器和數字信號處理器，該處理器位于設備主板上并驅動(dòng)連接到顯示器背面的陶瓷壓電傳感器。這確實(shí)占用了空間，但話(huà)又說(shuō)回來(lái)，它消除了動(dòng)圈揚聲器。這些放大器-換能器組的確切位置和數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(lái)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。

傳統的揚聲器模塊位于計算機或移動(dòng)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(dòng)顯示器以產(chǎn)生聲波和觸覺(jué)效果時(shí)，該空間就被釋放用于其他用途

放棄傳統磁線(xiàn)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(dòng)態(tài)揚聲器或線(xiàn)性諧振執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(dòng)態(tài)揚聲器的音質(zhì)和響度。它們由包括TDK在內的幾家公司制造；其他尚未公開(kāi)宣布。

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

最重要的是，傳感器從顯示器前面產(chǎn)生聲波。這意味著(zhù)聲音是針對用戶(hù)的，而不是遠離用戶(hù)或偏向側面。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(shí)際上確實(shí)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(shí)，你的大腦會(huì )將聲音的來(lái)源定位在野獸的圖像上，而不是側面的某個(gè)地方。

當今的許多手持設備確實(shí)試圖通過(guò)所謂的心理聲學(xué)處理來(lái)糾正這個(gè)問(wèn)題，使用一種算法來(lái)改變來(lái)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(jìn)入它們。這些算法的成功取決于周?chē)h(huán)境，額外的處理器周期會(huì )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(gè)簡(jiǎn)單得多的解決方案。

至于觸覺(jué)反饋，使用相同的產(chǎn)生聲音的壓電傳感器來(lái)產(chǎn)生觸覺(jué)反饋，無(wú)需單獨的驅動(dòng)器電子設備和電機來(lái)?yè)u動(dòng)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(shí)，傳統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(hù)界面和沉浸式觸摸屏游戲開(kāi)辟了一個(gè)全新的反饋領(lǐng)域。

它還提出了一個(gè)有趣的可能性，坦率地說(shuō)，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(shí)，它也會(huì )彎曲傳感器，從而產(chǎn)生電壓?？梢允占撾娦盘杹?lái)為設備的電池充電，提供一定程度的能量收集，從而可以延長(cháng)充電之間的時(shí)間。

因此，如果您的下一部手機更薄、電池壽命更長(cháng)、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揚聲器和基于電機的觸覺(jué)發(fā)生器，并將聲音移至其所屬的位置。