什么是屏幕發(fā)聲呢？壓電陶瓷單元激勵器和微振動單元激勵器的分別

2017年1月，SONY發(fā)布4K OLED TV, 型號A1。其中的一項賣點就是屏幕發(fā)聲 (acoustic surface)，簡單來說，即讓面板震動發(fā)出聲波。

此外，再利用對畫面和聲音的分析做到畫面人物和聲音的位置統(tǒng)一，營造出音畫合一的體驗。不僅如此，A1電視背板內(nèi)還隱藏了低音炮，可以為用戶帶來清晰通透的中高頻及震感澎湃的低頻，讓A1的音效更加豐富有層次。

Sony BRAVIA

2018年6月，vivo發(fā)布NEX，開啟vivo全新的高端旗艦產(chǎn)品系列，也是vivo APEX全面屏概念機的商業(yè)版。

vivoNEX 以全屏幕發(fā)聲技術(shù)替代傳統(tǒng)聽筒，通過微振動單元驅(qū)動整塊屏幕發(fā)聲。無劉海、無開孔、升降式前攝，優(yōu)秀的ID設(shè)計引發(fā)無數(shù)關(guān)注和討論。

這兩家公司所發(fā)布的產(chǎn)品中，不約而同地出現(xiàn)了“屏幕發(fā)聲”技術(shù)。那么，什么是屏幕發(fā)聲呢？其原理就是通過一個激勵器(actuator)，驅(qū)動前方的屏幕及結(jié)構(gòu)，以屏幕作為振動體，借由振動產(chǎn)生聲波，然后傳送到人耳。整體結(jié)構(gòu)可用下圖示意：

首先我們來看激勵器。目前手機上的屏幕發(fā)聲激勵器主要有兩種：壓電陶瓷單元激勵器和微振動單元激勵器分別說明如下：

壓電陶瓷單元激勵器

在夏普AQUOS Crystal手機上首先使用，不過當時宣傳的是骨傳導技術(shù)，小米MIX才讓“屏幕發(fā)聲”真正進入到大眾的視野。

多層壓電陶瓷片附著在金屬薄片，稱作振動膜。給振動膜加交替變化的電壓，會隨著電壓的變化而不停的上下彎曲驅(qū)動負載結(jié)構(gòu)振動發(fā)聲。

小米MIX 壓電陶瓷單元采用懸臂梁固定安裝

微振動單元激勵器

微振動單元，也可以叫做線性振動器，其原理跟線性馬達接近，是利用電場跟磁場交互作用而產(chǎn)生力場。

vivo NEX 中的微振動單元

我們以vivo NEX為例，NEX中的微振動單元，從尺寸上看，它跟常規(guī)的聽筒差不多，比壓電陶瓷單元會厚不少。貼合的位置也是中框上面，并沒有直接貼在屏幕背面。

大家更關(guān)心的是，這兩種激勵器單元在性能上有什么差別，音質(zhì)上跟傳統(tǒng)的聽筒相比如何呢？

我們來對比下器件（單體測試是有一定條件的，本文不對此展開討論）的頻響曲線：

某型號壓電陶瓷激勵器

某型號微振動單元

某型號常規(guī)聽筒

可以發(fā)現(xiàn)，壓電陶瓷激勵器的低頻表現(xiàn)比較差。而微振動單元，從器件看，語音范圍內(nèi)的頻響范圍是比較均衡平坦的，甚至接近常規(guī)聽筒的表現(xiàn)，這讓屏幕發(fā)聲設(shè)計是可能獲得良好的聽感。

而壓電陶瓷激勵器，低頻的不足還需要單體技術(shù)的提升，比如疊層技術(shù)、燒結(jié)工藝等方面進行提升，在此就不詳述。

分析完激勵器單元，我們再來看整機結(jié)構(gòu)。激勵器之所以沒有被稱為“聽筒”或“受話器”，因為從這個名字上，我們就可以了解到，它起到的是激勵其他結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生振動實現(xiàn)發(fā)聲的功能。那么它是如何跟其他結(jié)構(gòu)配合的呢？

安裝示意圖

vivo NEX 拆解圖

NEX的貼合方式，實際上是貼在中框上面（而非屏幕）。

微振動單元激勵中框，帶動屏幕（及其他結(jié)構(gòu)）振動，從而產(chǎn)生聲信號。那么，聲信號的表現(xiàn)又如何呢？

要研究清楚這樣的技術(shù)細節(jié)，必須在實際手機上demo驗證，所以我們也做了demo分析，硬件驅(qū)動IC采用與vivo NEX 方案相同的艾為無電感型 Smart K系列同一型號產(chǎn)品，激勵器位置放在靠近頂部中間位置。

整機測試

在HATS上面，按照標準手持方式，獲得整機的頻響曲線：

測試setup

整機頻響

通過分析整機頻響，你是不是有發(fā)現(xiàn)什么了？頻率響應(yīng)曲線遠沒有單體測試那么平滑，但整機的頻響帶寬分布比較均衡，所以整體音質(zhì)上高低音表現(xiàn)還是比較均衡的。但是相比單體的頻響，整機的頻響細節(jié)上很不平坦，出現(xiàn)了很多的drop和peak，而這些都會嚴重影響語音的整體清晰度。

物理結(jié)構(gòu)上，導致頻響的不平坦性，主要和整機的尺寸、配重、激勵器貼合方式、周邊零部件的共振等非常復(fù)雜的原因相關(guān)，這還需要手機廠商和產(chǎn)業(yè)鏈同行投入更多的資源去研究和優(yōu)化。

通過語音增強算法，我們可以對頻響做一些補償，音質(zhì)和響度都會獲得一定程度的提升。但是目前的語音增強算法，都是按照傳統(tǒng)受話器的單體特點及應(yīng)用設(shè)計來開發(fā)的，所以針對微振動單元這種特殊的單體和屏幕發(fā)聲的應(yīng)用，其實沒有做過專門的設(shè)計優(yōu)化，因此，細節(jié)上面很難調(diào)出特別理想的效果。

典型來講就是音量和雜音控制很難同時兼顧，更難兼顧的還有低頻失真、回聲、double talk等性能之間的均衡。

舉個例子，屏幕發(fā)聲的設(shè)計，echo的主要路徑必然會發(fā)生改變。

屏幕發(fā)聲的回聲路徑

Microphone拾取到的原始回聲信號會非常大，因為整個手機結(jié)構(gòu)都在發(fā)聲，這會影響echo處理，甚至是雙mic降噪的性能。而這些方面，都應(yīng)該是屏幕發(fā)聲手機在設(shè)計時應(yīng)該要考慮的。

在談完激勵器、機構(gòu)以及量測數(shù)據(jù)后，接下來，我們開始探討PCB面積的需求。由于需要放置更多功能（前攝、閃光燈、face ID）在手機上方，設(shè)計時就需要選擇較少周邊零器件且高壓驅(qū)動的激勵器驅(qū)動器才能讓出更多的PCB面積給其他元器件使用。

基于以上的探討根據(jù)，艾為針對屏幕發(fā)聲的需求，提供了以下一套完整的解決方案。

艾為屏幕發(fā)聲方案

首先是軟件。我們推出adaptive crack sound control機制。根據(jù)屏幕發(fā)聲激勵器的特性，建立模型，自適應(yīng)處理語音信號中可能會使屏幕發(fā)出雜音的信號，再將處理后的信號通過AW87339功放芯片放大輸出，驅(qū)動激勵單元振動發(fā)聲，使屏幕發(fā)聲更清晰干凈、音量更大、調(diào)試更簡單。并且對應(yīng)的客觀指標也會更好、頻響更平坦、低頻失真更小、echo更線性、AEC處理更干凈。

在硬件功放選型方面，由于常規(guī)的受話器一般是32歐姆，20mw，平臺的輸出能力最多會到100mw，對于微振動單元的驅(qū)動能力是遠遠不夠的（8歐姆，1w額定功率）。

另外，對于手持接收響度方面，目前的微振動單元在額定功率下，相比同尺寸的受話器，靈敏度會低幾個dB，除了語音算法可補償一定的響度外（但是語音算法補償增益的方式，增加到一定程度后，對響度的貢獻就非常有限，反而會降低音質(zhì)），還可以通過瞬時電信號超功率的方式來提升響度。實際上語音信號的峰值因子是很大的，比如RMS2.83v時，實際的peak電壓可以到6v多，實際上并沒有超器件的額定功率。

由此可得，屏幕發(fā)聲的驅(qū)動IC是需要具備適當?shù)母邏旱摹５?0v左右的Smart PA又會有些性能過剩。除了電壓性能過剩，同時，Smart PA 的振幅控制和溫度保護等技術(shù)在屏幕發(fā)聲上面也并不適用。

而且Smart PA一般采用boost升壓技術(shù)，額外需要一顆大電感，不僅增加了系統(tǒng)成本，并且增加了手機上寸土寸金的布板面積。

艾為Smart K系列音頻功放產(chǎn)品AW87339，采用Do-ChargePump技術(shù)，可升壓至8.5v，芯片面積只有5.4mm2，應(yīng)用電路無需電感，既節(jié)省系統(tǒng)成本，又節(jié)省布板空間，性能上完全可勝任同時又保留了適當余量空間。

因此，硬件部分，我們推出AW87339系列，其主要特性如下：

△點擊查看大圖

輸出電壓高達8.5V

低失真：0.02% @1W 8Ω

Triple-Level Triple-Rate (TLTR) AGC

喇叭保護功率可配: 0.5W~1.5W@8ohm

100mW/step 精準控制

2倍高壓DO-Charge Pump，效率90%

關(guān)斷電流：0.1uA

優(yōu)異的pop-click抑制

高PSRR：-75dB@217Hz

1.8V 邏輯I2C控制接口

纖小的2.58mm×2.11mm CSP-18封裝

應(yīng)用電路無需大電感，布板面積小

綜上所述，在手機集成越來越多功能、內(nèi)部空間卻有限的狀況下，讓元器件能夠縮小、多任務(wù)、甚至是“變形”即將成為一個趨勢。在此趨勢之下，艾為也將大力發(fā)展自身優(yōu)勢，聆聽市場需求、分析市場走向，持續(xù)創(chuàng)新研發(fā)，從而滿足客戶的需求。