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根據國際電氣電子工程師學會（IEEE），包括手機在內的移動設備話筒（揚聲器和觸覺發生器）存在幾個問題。
首先是組件本身。智能手機中的揚聲器和當你觸摸虛擬按鈕時向你手指提供反饋的系統可能相對較小，但它們本身已經足夠大，足以讓我們的移動設備無法變得更薄。這些小部件也很脆弱，如果手機摔過，可能會深有感受。并且，它們需要在外殼上開口，這些開口容易導入濕氣或碎屑，讓手機產生潛在故障。
這樣，我們感知聲音的方式就有問題了。揚聲器通常位于手機側面或背面，聲音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。這種感知上的不協調和復雜化限制了我們沉浸在體驗中的能力。
如果使用顯示面板本身作為聲音和觸覺反饋的來源，就可以一次性解決所有這些問題。這項技術現在已經出現了——即薄型壓電傳感器，將在2024年年底進入手機、筆記本電腦和可穿戴設備領域。
今日的揚聲器
傳統揚聲器的工作原理是，讓電流流過線圈產生一個磁場，移動連接在揚聲器錐體上的磁鐵，進而移動空氣產生聲波。揚聲器不能小于線圈和錐體的尺寸，線圈和錐體必須足夠寬和足夠長，以排出合理體積的空氣，其機械耐久性受限于其小型活動部件的裝配精度。
手機中的觸覺發生器通常是線性共振致動器，在電氣和機械方面類似于揚聲器，但經過優化，可以在固體中產生低頻振動，而不是在空氣中產生聲波。
事實證明，聲音和觸覺的產生都可以從移動設備的顯示屏上獲得。顯示器是一個均勻、平坦、半柔性的表面——如果你用指甲輕輕敲擊它，可以聽到它的振動。將平坦的半柔性表面變成揚聲器的技術可以追溯到早期的高保真技術。
在20世紀50年代，你可以只購買揚聲器中把電能轉化為運動的那部分——線圈和活塞——然后把活塞固定在墻上或櫥柜的面板上。然后，墻壁或面板振動——就像揚聲器錐體一樣——產生我們感知為聲音的氣壓波。這個想法仍然是一個新奇的想法，主要是因為這是一個自己動手的項目，只是結果無法預測。找到正確的表面，將驅動器安裝在正確的位置，并正確地為其供電，結果證明這與制作一把真正意義的小提琴一樣簡單。
最近，一些平板電視開發商利用類似的原理將大尺寸電視屏幕變成了揚聲器。他們使用強大的換能器以音頻振動整個顯示面板。這樣形成的輕薄顯示屏沒有揚聲器，中頻和高頻的保真度非常好（如果您想要低頻，將需要一個輔助低音炮）。聲音似乎確實來自屏幕上的圖像。但是這些系統價格昂貴，并且需要消耗相當大功率的高壓放大器，因此需要縮小它們的體積才能安裝到移動設備中。
進入壓電領域
要在較小的設備中完成這項工作，需要壓電傳感器。這些由微小單晶組成，如石英或某些陶瓷，并附有兩個電極。當在電極上施加電壓時，材料會發生物理彎曲。
這種彎曲被稱為逆壓電效應。1880年，物理學家皮埃爾（Pierre）和雅克·居里（Jacques Curie）觀察到，當某些晶體受到機械力時，晶體表面之間會出現電壓——壓電效應。這種效應是由于晶體中的自然電偶極子和晶體分子中的機械應力之間的相互作用形成的。簡單地說，彎曲晶體會導致偶極排列，從而產生一個大電場。
一年后，居里夫婦證明反過來也是正確的：如果在這些晶體的表面之間施加電壓，偶極子就會在與磁場對齊時彎曲晶體。壓電材料的研究隨后擴展到了包括陶瓷在內的其他領域。
因此，通過施加交流電壓，可以使換能器以相當大的力振動。這些振動可以很慢——觸覺反饋所需的那種——也可以很快，達到最高音頻頻率或更高。雖然用陶瓷材料產生這種效果需要相對較高的電壓（40V或更高），但它需要的電流很小，因此功耗也很低，遠低于當今移動設備揚聲器所用的功耗。
使用壓電換能器產生聲音并不是一個新想法。事實上，幾十年來，它們一直被用來產生煙霧報警器令人難以忍受的尖叫聲。
當然，使用壓電材料產生全方位的高質量音頻距離制造煙霧報警器還有很長的路要走。讓它在手持設備中工作存在許多挑戰。需要一種能夠提高電池所能提供的電壓的放大器，以高效率節省能量，并以最小的噪聲保持音頻質量。在將音頻信號發送到傳感器之前，需要對其進行一些預處理，以校正傳感器和傳感器會振動的顯示面板的特性。
驅動傳感器
Synaptics已經找到了應對了這些挑戰的方法，開發了一種集成低噪聲、高壓升壓放大器和數字信號處理器的芯片，該芯片位于設備主板上，驅動附著在顯示器背面的陶瓷壓電傳感器。這確實會占用空間，但消除了體積更大的動圈揚聲器。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，但還需要第二組來取代揚聲器功能。該配置將是更典型的配置。預計到2024年底，智能手機、可穿戴設備和筆記本電腦中將出現這類芯片。
擺脫傳統的磁性線圈揚聲器的直接好處有很多。與動態揚聲器或線性共振致動器的幾毫米厚度相比，壓電換能器材料只需要1毫米的外殼厚度，從而使新一代更薄手持設備成為可能。但是，這種換能器可以產生最佳微型動態揚聲器的音質和響度。目前，包括TDK在內的幾家公司制造了相關產品，其他公司尚未公開宣布。
由于傳感器與外殼內的顯示面板粘合在一起，它們不需要可能讓濕氣或灰塵進入內部的開口。最重要的是，換能器從顯示器的前面產生聲波，這意味著聲音指向用戶，而不是遠離用戶或偏離到一側。正如聲音生成顯示器在大屏幕電視上的成功所證明的那樣，這確實提供了更身臨其境的體驗。這樣，當你看到霸王龍向后仰著頭吼叫時，你的大腦會將聲音的來源定位在這頭霸王龍的圖像上，而不是旁邊的某個地方。
今天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一問題，使用一種算法來改變揚聲器發出的聲波振幅和相位，模仿聲波從不同方向進入耳朵時耳朵所做的一些非常復雜的事情。這些算法的成功取決于周圍環境，額外的處理器周期會從設備的電池中消耗大量能量，讓聲音在顯示器上產生一個簡單得多的解決方案。
至于觸覺反饋，如果使用產生聲音的相同壓電換能器來產生觸覺反饋，就消除了對單獨的驅動電子設備和電機來振動顯示器的需要。
沉浸式雙向體驗
請記住，壓電效應是雙向的。當觸摸顯示面板時，不僅傳統的觸摸傳感器可以確定觸摸的位置，而且壓電傳感器可以告訴你按壓的力度。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域。
該技術也提出了一個有趣的可能性，雖然尚在探索和實踐中。當觸摸或相當大的環境噪聲使顯示面板彎曲時，面板也會使傳感器彎曲，從而產生電壓。這種電信號可以被收集來為設備的電池充電，提供一定程度的能量收集，可延長手機電池充電后的使用時間。
如果你的下一部手機更薄，電池壽命更長，聲音更具沉浸感，那么感謝壓電技術從你的設備中消除了傳統的揚聲器和基于電機的觸覺發生器，并讓聲音回歸到了它應該在的地方。（編譯：產通數造；來源：IEEE）
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