二合一：OLED 屏幕還支持基于像素的聲音

目前的大多數(shù)顯示器仍然需要外部條形音箱或多聲道揚(yáng)聲器，這會(huì)增加體積并帶來(lái)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，尤其是在汽車(chē)內(nèi)部等緊湊環(huán)境中，很難集成多個(gè)揚(yáng)聲器。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員專(zhuān)注于將先進(jìn)的聲音功能直接集成到 OLED 面板中，OLED 面板以其纖薄、靈活的外形而聞名。雖然公司已經(jīng)探索將激勵(lì)器連接到電視背面或?qū)?OLED 彎曲到揚(yáng)聲器周?chē)?，但這些方法仍然依賴(lài)于笨重的硬件，并且在準(zhǔn)確定位聲音方面面臨挑戰(zhàn)。

核心問(wèn)題是傳統(tǒng)的激勵(lì)器相對(duì)較大且較重，因此很難在不干擾或損害 OLED 的薄型設(shè)計(jì)的情況下部署多個(gè)單元。此外，多個(gè)揚(yáng)聲器之間的聲音串?dāng)_導(dǎo)致無(wú)法精確控制局部音頻。

韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué) （POSTECH） 的一個(gè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)在 OLED 顯示器框架中嵌入超薄壓電勵(lì)磁器來(lái)克服這些挑戰(zhàn)。這些壓電激勵(lì)器的排列方式類(lèi)似于像素，可在不占用外部空間的情況下將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音振動(dòng)。同樣值得注意的是，它們與 OLED 面板的薄型完全兼容（圖 1）。

1. 振動(dòng)定位壓電面板揚(yáng)聲器的概念：（a） 配置本地化、發(fā)聲的平板壓電揚(yáng)聲器。（b） 示意圖顯示了在僅外邊緣有框架的模型中，以及在激勵(lì)器的每個(gè)區(qū)域由框架隔開(kāi)的模型中，當(dāng)聲音信號(hào)施加到一個(gè)激勵(lì)器時(shí)振膜的振動(dòng)和聲音的產(chǎn)生。（c） 兩種壓電揚(yáng)聲器型號(hào)的圖片：沒(méi)有和有隔離聲音振動(dòng)的內(nèi)框。

因此，每個(gè)像素都可以充當(dāng)獨(dú)立的聲源，從而實(shí)現(xiàn)基于像素的本地聲音技術(shù)。研究人員還開(kāi)發(fā)了一種消除聲音串?dāng)_的方法，確保來(lái)自顯示器不同區(qū)域的多個(gè)聲音不會(huì)相互干擾——這在以前在多聲道設(shè)置中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

振動(dòng)定位方法

激勵(lì)器之間的聲音串?dāng)_和頻率響應(yīng)不均勻等問(wèn)題通常會(huì)影響音頻質(zhì)量。為了解決這些問(wèn)題，研究人員探索了基于框架的聲音振動(dòng)隔離策略，以定位表面振動(dòng)并減少多個(gè)激勵(lì)器之間的干擾。

與專(zhuān)注于高聲壓級(jí) （SPL） 和低總諧波失真 （THD） 的傳統(tǒng)工作不同，他們的研究并非旨在提高絕對(duì)揚(yáng)聲器性能。相反，它通過(guò)結(jié)構(gòu)修改專(zhuān)注于振動(dòng)定位和頻率響應(yīng)一致性。

他們引入了由比振膜更硬的材料制成的隔振框架，例如顯示面板，以分隔激振器之間的區(qū)域。這種設(shè)計(jì)將振動(dòng)限制在每個(gè)激振器的目標(biāo)區(qū)域，有效地防止了干擾（圖 2）。

浦泰克2. 有和沒(méi)有隔振框架的揚(yáng)聲器響應(yīng)：（a） 單元元件的 Chladni 模式，沒(méi)有框架模型，有不同頻率的框架模型。（b） 9 個(gè)激勵(lì)器的軸上響應(yīng)。（c） 共享單個(gè)振膜的激勵(lì)器陣列的 THD，比較信號(hào)施加元件不同位置的有框架和無(wú)框架的情況。

面板揚(yáng)聲器是通過(guò)將市售的鋯鈦酸鉛 （PZT） 元件連接到振膜上而構(gòu)建的。每個(gè) PZT 元件由三層結(jié)構(gòu)組成：底部電極、PZT 材料和頂部電極。該揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)中添加了框架，一個(gè)模型僅支持外邊緣，另一個(gè)模型具有隔離每個(gè)激勵(lì)器區(qū)域的框架，以定位聲音的振動(dòng)。他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化為 3×3 陣列配置。

由施加到單個(gè)激勵(lì)器的信號(hào)產(chǎn)生的波在振膜上傳播，導(dǎo)致表面振動(dòng)。雖然這些振動(dòng)通常會(huì)擴(kuò)散到振膜上，但框架設(shè)計(jì)將每個(gè)激振器的振動(dòng)限制在其指定區(qū)域，從而減少干擾和失真。

頻率響應(yīng)均勻性和 THD 的測(cè)試結(jié)果

他們將實(shí)驗(yàn)測(cè)量和有限元法 （FEM） 仿真相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)增加框架高度和寬度，以及使用具有不同聲阻抗的振膜材料，可以顯著提高頻率響應(yīng)均勻性并降低 THD。這些增強(qiáng)功能簡(jiǎn)化了揚(yáng)聲器響應(yīng)補(bǔ)償，確保了可靠、高質(zhì)量的聲音輸出。

使用 Chladni 模式，他們驗(yàn)證了振膜表面的無(wú)串?dāng)_振動(dòng)，證實(shí)了框架在隔離激勵(lì)器方面的有效性。如果沒(méi)有框架，振膜會(huì)根據(jù)勵(lì)磁機(jī)位置顯示可變頻率響應(yīng)。使用框架，每個(gè)激振器都在自己定義的部分內(nèi)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)局部振動(dòng)和一致的頻率響應(yīng)。這種頻率響應(yīng)均勻性簡(jiǎn)化了補(bǔ)償過(guò)程，減少了對(duì)復(fù)雜的 DSP、分頻和濾波調(diào)整的需求。

[Chladni 模式以 Ernst Chladni 的名字命名，他是 18 世紀(jì)末/19 世紀(jì)初的物理學(xué)家，專(zhuān)門(mén)研究聲學(xué)，并完成了我們?nèi)匀灰蕾?lài)的許多開(kāi)創(chuàng)性工作。當(dāng)平面以特定頻率振動(dòng)時(shí)，這些同名圖案是在平坦的表面上形成的。

直到最近，這些圖案都是通過(guò)在感興趣的表面上撒上沙子或其他細(xì)小材料來(lái)可視化的，然后這些材料從波腹（振動(dòng)最大的點(diǎn)）移開(kāi)并積聚在節(jié)點(diǎn)（振動(dòng)最小的點(diǎn)）。當(dāng)然，現(xiàn)在它通常是通過(guò)基于計(jì)算機(jī)的建模來(lái)完成的，但這個(gè)名稱(chēng)仍然用于視覺(jué)表示——在許多情況下，仍然使用真正的沙子。

他們建模并構(gòu)建了具有各種框架寬度和高度的單元，以確定尺寸的影響以及對(duì)元件截面之間聲阻抗的影響。圖 3 顯示了他們的眾多示例之一。

3. Chladni 模式和 FEM 結(jié)果顯示了當(dāng)施加不同頻率時(shí)壓電揚(yáng)聲器的激勵(lì)器陣列上的振動(dòng)。（a） 僅在外邊緣有框架的揚(yáng)聲器。（b） 揚(yáng)聲器，其中元素的每個(gè)區(qū)域都由一個(gè)框架隔開(kāi)。（c） 播放歌曲時(shí)連接到 OLED 面板的壓電面板揚(yáng)聲器。

結(jié)論

框架有效地將表面振動(dòng)限制在指定區(qū)域，防止傳播到相鄰區(qū)域并增強(qiáng)頻率響應(yīng)均勻性，從而減少了標(biāo)準(zhǔn)偏差并簡(jiǎn)化了響應(yīng)補(bǔ)償過(guò)程。此外，增加幀的高度和寬度提高了頻率響應(yīng)的均勻性，并在更寬的頻率范圍內(nèi)降低了 THD，從而實(shí)現(xiàn)了更清晰、更準(zhǔn)確的聲音再現(xiàn)。

與振膜材料具有較大聲阻抗對(duì)比的框架在振動(dòng)限制和揚(yáng)聲器整體性能方面表現(xiàn)出卓越的性能。

最后，他們制造了一個(gè)逼真的 13 英寸。具有集成局部聲音的 OLED 顯示屏和長(zhǎng)期可靠性測(cè)試證實(shí)，制造的揚(yáng)聲器保持了穩(wěn)定的性能，隨著輸入電壓和距離的變化，顯示出一致且可預(yù)測(cè)的 SPL 變化。

這些發(fā)現(xiàn)突出了基于框架的設(shè)計(jì)在顯著提高壓電面板揚(yáng)聲器和汽車(chē)應(yīng)用的音質(zhì)和耐用性方面的潛力。他們指出，這種基于幀的振動(dòng)定位通過(guò)將振動(dòng)限制在特定區(qū)域內(nèi)來(lái)緩解串?dāng)_問(wèn)題，從而確保精確的聲音定位。這種方法特別適用于儀表板集成的 OLED 揚(yáng)聲器和多區(qū)域車(chē)載音響系統(tǒng)，其中空間優(yōu)化的音頻是必不可少的。