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【技术帖】浅谈屏幕发声: 从SONY 4K OLED TV A1到vivo NEX新旗舰

(2018-7-18 13:53)

2017年1月,SONY发布4K OLED TV, 型号A1。其中的一项卖点就是屏幕发声 (acoustic surface),简单来说,即让面板震动发出声波。




此外,再利用对画面和声音的分析做到画面人物和声音的位置统一,营造出音画合一的体验。不仅如此,A1电视背板内还隐藏了低音炮,可以为用户带来清晰通透的中高频及震感澎湃的低频,让A1的音效更加丰富有层次。


Sony BRAVIA


2018年6月,vivo发布NEX,开启vivo全新的高端旗舰产品系列,也是vivo APEX全面屏概念机的商业版。



vivo NEX 以全屏幕发声技术替代传统听筒,通过微振动单元驱动整块屏幕发声。无刘海、无开孔、升降式前摄,优秀的ID设计引发无数关注和讨论。




这两家公司所发布的产品中,不约而同地出现了“屏幕发声”技术。那么,什么是屏幕发声呢?其原理就是通过一个激励器(actuator),驱动前方的屏幕及结构,以屏幕作为振动体,借由振动产生声波,然后传送到人耳。整体结构可用下图示意:



首先我们来看激励器。目前手机上的屏幕发声激励器主要有两种:压电陶瓷单元激励器微振动单元激励器。分别说明如下:


压电陶瓷单元激励器


在夏普AQUOS Crystal手机上首先使用,不过当时宣传的是骨传导技术,小米MIX才让“屏幕发声”真正进入到大众的视野。



多层压电陶瓷片附着在金属薄片,称作振动膜。给振动膜加交替变化的电压,会随着电压的变化而不停的上下弯曲驱动负载结构振动发声。



小米MIX 压电陶瓷单元采用悬臂梁固定安装


微振动单元激励器


微振动单元,也可以叫做线性振动器,其原理跟线性马达接近,是利用电场跟磁场交互作用而产生力场。


vivo NEX 中的微振动单元


我们以vivo NEX为例,NEX中的微振动单元,从尺寸上看,它跟常规的听筒差不多,比压电陶瓷单元会厚不少。贴合的位置也是中框上面,并没有直接贴在屏幕背面。


大家更关心的是,这两种激励器单元在性能上有什么差别,音质上跟传统的听筒相比如何呢?


我们来对比下器件(单体测试是有一定条件的,本文不对此展开讨论)的频响曲线:


某型号压电陶瓷激励器


某型号微振动单元


某型号常规听筒


可以发现,压电陶瓷激励器的低频表现比较差。而微振动单元,从器件看,语音范围内的频响范围是比较均衡平坦的,甚至接近常规听筒的表现,这让屏幕发声设计是可能获得良好的听感。


而压电陶瓷激励器,低频的不足还需要单体技术的提升,比如叠层技术、烧结工艺等方面进行提升,在此就不详述。


分析完激励器单元,我们再来看整机结构。激励器之所以没有被称为“听筒”或“受话器”,因为从这个名字上,我们就可以了解到,它起到的是激励其他结构,从而产生振动实现发声的功能。那么它是如何跟其他结构配合的呢?

安装示意图


vivo NEX 拆解图


NEX的贴合方式,实际上是贴在中框上面(而非屏幕)。


微振动单元激励中框,带动屏幕(及其他结构)振动,从而产生声信号。那么,声信号的表现又如何呢?


要研究清楚这样的技术细节,必须在实际手机上demo验证,所以我们也做了demo分析,硬件驱动IC采用与vivo NEX 方案相同的艾为 无电感型 Smart K 系列同一型号产品,激励器位置放在靠近顶部中间位置。



整机测试


在HATS上面,按照标准手持方式,获得整机的频响曲线:


测试setup

整机频响


通过分析整机频响,你是不是有发现什么了?频率响应曲线远没有单体测试那么平滑,但整机的频响带宽分布比较均衡,所以整体音质上高低音表现还是比较均衡的。但是相比单体的频响,整机的频响细节上很不平坦,出现了很多的drop和peak,而这些都会严重影响语音的整体清晰度。


物理结构上,导致频响的不平坦性,主要和整机的尺寸、配重、激励器贴合方式、周边零部件的共振等非常复杂的原因相关,这还需要手机厂商和产业链同行投入更多的资源去研究和优化。


通过语音增强算法,我们可以对频响做一些补偿,音质和响度都会获得一定程度的提升。但是目前的语音增强算法,都是按照传统受话器的单体特点及应用设计来开发的,所以针对微振动单元这种特殊的单体和屏幕发声的应用,其实没有做过专门的设计优化,因此,细节上面很难调出特别理想的效果。


典型来讲就是音量和杂音控制很难同时兼顾,更难兼顾的还有低频失真、回声、double talk等性能之间的均衡。


举个例子,屏幕发声的设计,echo的主要路径必然会发生改变。


屏幕发声的回声路径


Microphone拾取到的原始回声信号会非常大,因为整个手机结构都在发声,这会影响echo处理,甚至是双mic降噪的性能。而这些方面,都应该是屏幕发声手机在设计时应该要考虑的。


在谈完激励器、机构以及量测数据后,接下来,我们开始探讨PCB面积的需求。由于需要放置更多功能(前摄、闪光灯、face ID)在手机上方,设计时就需要选择较少周边零器件且高压驱动的激励器驱动器才能让出更多的PCB面积给其他元器件使用。


基于以上的探讨根据,艾为针对屏幕发声的需求,提供了以下一套完整的解决方案。


艾为屏幕发声方案



首先是软件。我们推出adaptive crack sound control机制。根据屏幕发声激励器的特性,建立模型,自适应处理语音信号中可能会使屏幕发出杂音的信号,再将处理后的信号通过AW87339功放芯片放大输出,驱动激励单元振动发声,使屏幕发声更清晰干净、音量更大、调试更简单。并且对应的客观指标也会更好、频响更平坦、低频失真更小、echo更线性、AEC处理更干净。


在硬件功放选型方面由于常规的受话器一般是32欧姆,20mw,平台的输出能力最多会到100mw,对于微振动单元的驱动能力是远远不够的(8欧姆,1w额定功率)。


另外,对于手持接收响度方面,目前的微振动单元在额定功率下,相比同尺寸的受话器,灵敏度会低几个dB,除了语音算法可补偿一定的响度外(但是语音算法补偿增益的方式,增加到一定程度后,对响度的贡献就非常有限,反而会降低音质),还可以通过瞬时电信号超功率的方式来提升响度。实际上语音信号的峰值因子是很大的,比如RMS2.83v时,实际的peak电压可以到6v多,实际上并没有超器件的额定功率。


由此可得,屏幕发声的驱动IC是需要具备适当的高压的。但10v左右的Smart PA又会有些性能过剩。除了电压性能过剩,同时,Smart PA 的振幅控制和温度保护等技术在屏幕发声上面也并不适用。


而且Smart PA一般采用boost升压技术,额外需要一颗大电感,不仅增加了系统成本,并且增加了手机上寸土寸金的布板面积。


艾为Smart K系列音频功放产品 AW87339,采用Do-ChargePump技术,可升压至8.5v,芯片面积只有5.4mm2,应用电路无需电感,既节省系统成本,又节省布板空间,性能上完全可胜任同时又保留了适当余量空间。


因此,硬件部分,我们推出AW87339系列,其主要特性如下:



输出电压高达8.5V

低失真:0.02% @1W 8Ω

Triple-Level Triple-Rate (TLTR) AGC

喇叭保护功率可配: 0.5W~1.5W@8ohm

100mW/step 精准控制

2倍高压DO-Charge Pump,效率90%

关断电流:0.1uA

优异的pop-click抑制

高PSRR:-75dB@217Hz

1.8V 逻辑I2C控制接口

纤小的2.58mm×2.11mm CSP-18封装

应用电路无需大电感,布板面积小


综上所述,在手机集成越来越多功能、内部空间却有限的状况下,让元器件能够缩小、多任务、甚至是“变形”即将成为一个趋势。在此趋势之下,艾为也将大力发展自身优势,聆听市场需求、分析市场走向,持续创新研发,从而满足客户的需求。


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