当前，移动设备的扬声器和触觉发生器存在几个问题。
首先是部件本身的问题。智好手机的扬声器和相应手指触摸虚拟按键的系统可能已经相对较小了，但它们仍旧限定了移动设备的薄度。这些小部件很薄弱，曾把手机摔到地上过的人可能都深有体会。而且它们须要在外壳上开口，湿气或尘屑都可以通过这个开口进入设备内部。
其次，我们感知它们发生发火声音的办法也有问题。扬声器常日位于设备的侧面或背面。声音本该来自眼睛看到的屏幕上的图像，但耳朵却觉得它来自其他地方。这种感知的不和谐影响了设备的沉浸式体验。
如果能够利用显示面板产生声音和触摸相应，就可以一次性办理这些问题。现在，一种轻薄的压电转换器已可实现这一操作。它将在2024年年底用于手机、条记本电脑和可穿着设备。
本日的扬声器
传统扬声器的事情事理是让电流流过线圈产生磁场，磁场使令与扬声器纸盆相连的磁铁运动，纸盆运动形成空气位移产生声波。扬声器线圈和纸盆的尺寸不能太小，且必须足够宽和足够长，才能形成适量体积的空气位移。其小活动部件的装置精度限定了扬声器的机器耐久性。
手机中的触觉发生器常日是线性共振致动器，它们在电气和机器方面与扬声器类似，但经由了优化，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，移动设备的屏幕可以产生声音和触觉。屏幕是一个均匀、平坦、半柔性的平面——如果用指甲轻小扣击，可以听到它的振动。将平坦的半柔性表面变成扬声器的技能可以追溯到高保真的早期。
在20世纪50年代，用户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，并把活塞固定在墙壁或储物柜的壁板上；墙壁或壁板会像扬声器纸盆那样振动，产生气压波，并被我们感知为声音。这在现在仍旧是一个体致的想法，紧张是由于它是一个无法预测结果的动手项目。事实证明，只要找到得当的平面，将驱动装置安装在得当的位置，并供应适当的供电，它就像制作非常精细的小提琴一样大略。
最近，一些平板电视开拓商利用类似的事理，将大尺寸电视屏幕变成了扬声器。他们利用大功率转换器，以音频频率振动全体显示面板。这种做法的结果便是只有轻薄显示屏，而没有扬声器。根据评论家的说法，中频和高频的保真度非常好（如果想要低频，那么额外须要一个低音炮）。声音彷佛确实来自屏幕上的图像。但是这些系统价格昂贵，并且须要高升压放大器，花费的功率较高，因此，它们须要缩小后才能适用于移动设备。
压电转换器登场
要在较小的设备中完成这项事情，须要压电转换器。它们由眇小的单晶体组成，如石英或某些陶瓷，并带有两个电极。当在电极之间施加电压时，材料会发生物理波折。
这种波折被称为“逆压电效应”。1880年，物理学家皮埃尔•居里和雅克•居里不雅观察到，当某些晶体受到机器力时，晶体的表面之间会涌现电压，他们称之为“压电效应”（piezoelectric effect，个中piezo是希腊语，意思是“按压”）。这种效应源自晶体中自有的电偶极子和晶体分子中的机器应力之间的相互浸染。粗略地说，波折晶体会导致偶极子排列产生体电场。
一年后，居里兄弟证明逆向也是成立的：如果在这些晶体的表面之间施加电压，偶极子为了与电场保持同等，就会波折晶体。后来压电材料的研究范围也扩展到了陶瓷。
因此，施加互换电压，压电转换器可产生相称大的振动力。这些振动可以很慢，就像触觉反馈所须要的那种，也可以非常快，达到或超过最高音响频率。虽然用陶瓷材料产生这种效果须要相对较高的电压（40伏或更高），但须要的电流很小，因此功耗也很低，远低于当前移动设备扬声器的功率。
利用压电转换器产生声音并不是一个新想法。事实上，几十年来，烟雾报警器一贯都是利用压电转换器产生令人难以忍受的尖叫声的。
当然，从烟雾报警器发出尖叫声到产生全方位的高质量音响，运用压电材料还有很长的路要走。要在手持设备中运用它，还存在诸多寻衅。比如，须要一种放大器来大幅提升电池所能供应的电压，既要高效节能，又要噪声小，担保音响质量。音频旗子暗记在发送给转换器之前，也须要进行一些预处理，改动转换器和振动显示面板的特性。
驱动转换器
但是，我们所在的新思国际（Synaptics）公司认为，自己已经办理了这些寻衅。我们开拓了一款芯片，它集成了低噪、高压升压放大器和数字旗子暗记处理器，该芯片位于设备的主板上，可驱动附在显示器背面的陶瓷压电转换器。这确实会占用空间，但从另一方面来说，它肃清了动圈扬声器。这些放大器-转换器的确切位置和数量取决于设备的机器设计和须要的音响模式：一组就足以取代智好手机的听筒功能，第二组可以取代手机扬声器功能。这是比较范例的配置。
估量我们的芯片将在2024年底运用于智好手机、可穿着设备和条记本电脑。
摆脱传统的磁性线圈扬声器有很多直接好处。比较动态扬声器或线性共振致动器几毫米的厚度，压电转换器材料只须要1毫米的外壳厚度，这有可能制作出新一代更轻薄的手持设备。这种转换器还可以产生最佳微型动态扬声器的音质和响度。几家公司正在制造这种微型动态扬声器，包括TDK；其他公司尚未公开宣告。
在外壳内部，转换器与显示面板粘合在一起，因此外壳不须要开口，可防止湿气或灰尘进入内部。
最主要的是，转换器在屏幕的前面产生声波。这意味着声音朝向用户，而非背向用户或倾向一侧。发声屏幕在大屏电视上取得的成功证明这确实能够供应更加沉浸的体验。在你看到霸王龙仰头吼叫时，你的大脑会将声源定位在这个巨兽的图像上，而不是阁下的某个地方。
本日的许多手持设备确实试图通过所谓的生理声学处理来纠正这一问题，利用算法来改变扬声器发生发火声波的振幅和相位，仿照声波从不同方向进入耳朵的觉得，这是非常繁芜的事情。这些算法的成功取决于周围环境，并且额外的处理周期会花费设备大量的电池能量。直接在显示屏上发生发火声音是一个非常大略的办理方案。
至于触摸相应，利用产生声音的同一个压电转换器来产生触摸相应，不须要单独的驱动电子元件和电机来振动显示屏。
双向事情
其余，请记住压电效应是双向事情的。因此当用户触摸显示面板时，不仅传统的触摸传感器可以确定触摸位置，压电转换器还可以分辨按压力度。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领域。
它也提出了一个有趣的可能性，坦率地说，这种可能性尚未被充分探索。当触摸乃至相称大的环境噪声使显示面板波折时，它也会使转换器波折，从而产生电压。我们可以将这种电旗子暗记网络起来为设备电池充电，网络一些能量，可能会延长两次充电的韶光间隔。
因此，如果你的下一部手机更轻薄、电池寿命更长、声音更具沉浸感，那么要感谢压电技能，是它肃清了设备中传统的扬声器和基于电机的触觉发生器，并将声音移到正前方，这正是声音该当发出的地方。
作者：Vineet Ganju
