什么是屏幕發(fā)聲呢？壓電陶瓷單元激勵(lì)器和微振動(dòng)單元激勵(lì)器的分別

2017年1月，SONY發(fā)布4K OLED TV, 型號(hào)A1。其中的一項(xiàng)賣點(diǎn)就是屏幕發(fā)聲 (acoustic surface)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，即讓面板震動(dòng)發(fā)出聲波。

此外，再利用對(duì)畫面和聲音的分析做到畫面人物和聲音的位置統(tǒng)一，營(yíng)造出音畫合一的體驗(yàn)。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(lái)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(jī)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(guò)微振動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)整塊屏幕發(fā)聲。無(wú)劉海、無(wú)開孔、升降式前攝，優(yōu)秀的ID設(shè)計(jì)引發(fā)無(wú)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(guò)一個(gè)激勵(lì)器(actuator)，驅(qū)動(dòng)前方的屏幕及結(jié)構(gòu)，以屏幕作為振動(dòng)體，借由振動(dòng)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(lái)看激勵(lì)器。目前手機(jī)上的屏幕發(fā)聲激勵(lì)器主要有兩種：壓電陶瓷單元激勵(lì)器和微振動(dòng)單元激勵(lì)器分別說(shuō)明如下：

壓電陶瓷單元激勵(lì)器

在夏普AQUOS Crystal手機(jī)上首先使用，不過(guò)當(dāng)時(shí)宣傳的是骨傳導(dǎo)技術(shù)，小米MIX才讓“屏幕發(fā)聲”真正進(jìn)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(dòng)膜。給振動(dòng)膜加交替變化的電壓，會(huì)隨著電壓的變化而不停的上下彎曲驅(qū)動(dòng)負(fù)載結(jié)構(gòu)振動(dòng)發(fā)聲。

小米MIX 壓電陶瓷單元采用懸臂梁固定安裝

微振動(dòng)單元激勵(lì)器

微振動(dòng)單元，也可以叫做線性振動(dòng)器，其原理跟線性馬達(dá)接近，是利用電場(chǎng)跟磁場(chǎng)交互作用而產(chǎn)生力場(chǎng)。

vivo NEX 中的微振動(dòng)單元

我們以vivo NEX為例，NEX中的微振動(dòng)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(huì)厚不少。貼合的位置也是中框上面，并沒(méi)有直接貼在屏幕背面。

大家更關(guān)心的是，這兩種激勵(lì)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(lái)對(duì)比下器件（單體測(cè)試是有一定條件的，本文不對(duì)此展開討論）的頻響曲線：

某型號(hào)壓電陶瓷激勵(lì)器

某型號(hào)微振動(dòng)單元

某型號(hào)常規(guī)聽筒

可以發(fā)現(xiàn)，壓電陶瓷激勵(lì)器的低頻表現(xiàn)比較差。而微振動(dòng)單元，從器件看，語(yǔ)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(jì)是可能獲得良好的聽感。

而壓電陶瓷激勵(lì)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(jìn)行提升，在此就不詳述。

分析完激勵(lì)器單元，我們?cè)賮?lái)看整機(jī)結(jié)構(gòu)。激勵(lì)器之所以沒(méi)有被稱為“聽筒”或“受話器”，因?yàn)閺倪@個(gè)名字上，我們就可以了解到，它起到的是激勵(lì)其他結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生振動(dòng)實(shí)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(shí)際上是貼在中框上面（而非屏幕）。

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

要研究清楚這樣的技術(shù)細(xì)節(jié)，必須在實(shí)際手機(jī)上demo驗(yàn)證，所以我們也做了demo分析，硬件驅(qū)動(dòng)IC采用與vivo NEX 方案相同的艾為無(wú)電感型 Smart K系列同一型號(hào)產(chǎn)品，激勵(lì)器位置放在靠近頂部中間位置。

整機(jī)測(cè)試

在HATS上面，按照標(biāo)準(zhǔn)手持方式，獲得整機(jī)的頻響曲線：

測(cè)試setup

整機(jī)頻響

通過(guò)分析整機(jī)頻響，你是不是有發(fā)現(xiàn)什么了？頻率響應(yīng)曲線遠(yuǎn)沒(méi)有單體測(cè)試那么平滑，但整機(jī)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(jī)的頻響細(xì)節(jié)上很不平坦，出現(xiàn)了很多的drop和peak，而這些都會(huì)嚴(yán)重影響語(yǔ)音的整體清晰度。

物理結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致頻響的不平坦性，主要和整機(jī)的尺寸、配重、激勵(lì)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(jī)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(guò)語(yǔ)音增強(qiáng)算法，我們可以對(duì)頻響做一些補(bǔ)償，音質(zhì)和響度都會(huì)獲得一定程度的提升。但是目前的語(yǔ)音增強(qiáng)算法，都是按照傳統(tǒng)受話器的單體特點(diǎn)及應(yīng)用設(shè)計(jì)來(lái)開發(fā)的，所以針對(duì)微振動(dòng)單元這種特殊的單體和屏幕發(fā)聲的應(yīng)用，其實(shí)沒(méi)有做過(guò)專門的設(shè)計(jì)優(yōu)化，因此，細(xì)節(jié)上面很難調(diào)出特別理想的效果。

典型來(lái)講就是音量和雜音控制很難同時(shí)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(gè)例子，屏幕發(fā)聲的設(shè)計(jì)，echo的主要路徑必然會(huì)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(hào)會(huì)非常大，因?yàn)檎麄€(gè)手機(jī)結(jié)構(gòu)都在發(fā)聲，這會(huì)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(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該要考慮的。

在談完激勵(lì)器、機(jī)構(gòu)以及量測(cè)數(shù)據(jù)后，接下來(lái)，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(jī)上方，設(shè)計(jì)時(shí)就需要選擇較少周邊零器件且高壓驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)器驅(qū)動(dòng)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(duì)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(jī)制。根據(jù)屏幕發(fā)聲激勵(lì)器的特性，建立模型，自適應(yīng)處理語(yǔ)音信號(hào)中可能會(huì)使屏幕發(fā)出雜音的信號(hào)，再將處理后的信號(hào)通過(guò)AW87339功放芯片放大輸出，驅(qū)動(dòng)激勵(lì)單元振動(dòng)發(fā)聲，使屏幕發(fā)聲更清晰干凈、音量更大、調(diào)試更簡(jiǎn)單。并且對(duì)應(yīng)的客觀指標(biāo)也會(huì)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(tái)的輸出能力最多會(huì)到100mw，對(duì)于微振動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)能力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的（8歐姆，1w額定功率）。

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

由此可得，屏幕發(fā)聲的驅(qū)動(dòng)IC是需要具備適當(dāng)?shù)母邏旱摹５?0v左右的Smart PA又會(huì)有些性能過(guò)剩。除了電壓性能過(guò)剩，同時(shí)，Smart PA 的振幅控制和溫度保護(hù)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(jī)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(wú)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(shí)又保留了適當(dāng)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(diǎn)擊查看大圖

輸出電壓高達(dá)8.5V

低失真：0.02% @1W 8Ω

Triple-Level Triple-Rate (TLTR) AGC

喇叭保護(hù)功率可配: 0.5W~1.5W@8ohm

100mW/step 精準(zhǔn)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(wú)需大電感，布板面積小

綜上所述，在手機(jī)集成越來(lái)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(gè)趨勢(shì)。在此趨勢(shì)之下，艾為也將大力發(fā)展自身優(yōu)勢(shì)，聆聽市場(chǎng)需求、分析市場(chǎng)走向，持續(xù)創(chuàng)新研發(fā)，從而滿足客戶的需求。