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【技術帖】淺談屏幕發聲: 從SONY 4K OLED TV A1到vivo NEX新旗艦

(2018/7/18 13:53)

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




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一,營造出音畫合一的體驗。不僅如此,A1電視背板內還隱藏了低音炮,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發布NEX,開啟vivo全新的高端旗艦產品系列,也是vivo APEX全面屏概念機的商業版。



vivo NEX 以全屏幕發聲技術替代傳統聽筒,通過微振動單元驅動整塊屏幕發聲。無劉海、無開孔、升降式前攝,優秀的ID設計引發無數關注和討論。




這兩家公司所發布的產品中,不約而同地出現了“屏幕發聲”技術。那么,什么是屏幕發聲呢?其原理就是通過一個激勵器(actuator),驅動前方的屏幕及結構,以屏幕作為振動體,借由振動產生聲波,然后傳送到人耳。整體結構可用下圖示意:



首先我們來看激勵器。目前手機上的屏幕發聲激勵器主要有兩種:壓電陶瓷單元激勵器微振動單元激勵器。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,小米MIX才讓“屏幕發聲”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動負載結構振動發聲。



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。


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


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


某型號常規聽筒


可以發現,壓電陶瓷激勵器的低頻表現比較差。而微振動單元,從器件看,語音范圍內的頻響范圍是比較均衡平坦的,甚至接近常規聽筒的表現,這讓屏幕發聲設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的提升,比如疊層技術、燒結工藝等方面進行提升,在此就不詳述。


分析完激勵器單元,我們再來看整機結構。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構,從而產生振動實現發聲的功能。那么它是如何跟其他結構配合的呢?

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(及其他結構)振動,從而產生聲信號。那么,聲信號的表現又如何呢?


要研究清楚這樣的技術細節,必須在實際手機上demo驗證,所以我們也做了demo分析,硬件驅動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,你是不是有發現什么了?頻率響應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,所以整體音質上高低音表現還是比較均衡的。但是相比單體的頻響,整機的頻響細節上很不平坦,出現了很多的drop和peak,而這些都會嚴重影響語音的整體清晰度。


物理結構上,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雜的原因相關,這還需要手機廠商和產業鏈同行投入更多的資源去研究和優化。


通過語音增強算法,我們可以對頻響做一些補償,音質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,都是按照傳統受話器的單體特點及應用設計來開發的,所以針對微振動單元這種特殊的單體和屏幕發聲的應用,其實沒有做過專門的設計優化,因此,細節上面很難調出特別理想的效果。


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,屏幕發聲的設計,echo的主要路徑必然會發生改變。


屏幕發聲的回聲路徑


Microphone拾取到的原始回聲信號會非常大,因為整個手機結構都在發聲,這會影響echo處理,甚至是雙mic降噪的性能。而這些方面,都應該是屏幕發聲手機在設計時應該要考慮的。


在談完激勵器、機構以及量測數據后,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,設計時就需要選擇較少周邊零器件且高壓驅動的激勵器驅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,艾為針對屏幕發聲的需求,提供了以下一套完整的解決方案。


艾為屏幕發聲方案



首先是軟件。我們推出adaptive crack sound control機制。根據屏幕發聲激勵器的特性,建立模型,自適應處理語音信號中可能會使屏幕發出雜音的信號,再將處理后的信號通過AW87339功放芯片放大輸出,驅動激勵單元振動發聲,使屏幕發聲更清晰干凈、音量更大、調試更簡單。并且對應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),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,屏幕發聲的驅動IC是需要具備適當的高壓的。但10v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在屏幕發聲上面也并不適用。


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


艾為Smart K系列音頻功放產品 AW87339,采用Do-ChargePump技術,可升壓至8.5v,芯片面積只有5.4mm2,應用電路無需電感,既節省系統成本,又節省布板空間,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:



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: [email protected]

100mW/step 精準控制

2倍高壓DO-Charge Pump,效率90%

關斷電流:0.1uA

優異的pop-click抑制

高PSRR:[email protected]

1.8V 邏輯I2C控制接口

纖小的2.58mm×2.11mm CSP-18封裝

應用電路無需大電感,布板面積小


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


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-5樓 caiqing07104 發表于 2018/9/12 20:47 回復
感謝樓主分享, 技術貼!
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