当前移动设备的扬声器与触觉生成器存在诸多问题。首要问题是组件本身。智能手机中的扬声器以及当你触摸虚拟按钮时提供触感反馈的系统虽相对小巧，但仍然限制了移动设备可以达到的纤薄程度。这些微小部件也十分脆弱，如果你曾不慎摔落手机，可能深有体会。它们需要在机壳上开孔，而这些开口可能会让水分或杂物进入。
其次，我们感知声音的方式存在问题。扬声器通常位于设备的侧面或背面，声音应源自屏幕上眼睛看到的图像，但耳朵却能分辨出声音来自别处。这种感知上的不协调限制了我们沉浸在体验中的能力。
如果能让显示屏自身成为声音和触觉反馈的来源，所有这些问题就能迎刃而解。如今，这一技术已经实现，即采用超薄压电换能器。预计今年底，它将被应用到手机、笔记本电脑和可穿戴设备中。
传统扬声器的工作原理是通过电流流经线圈产生磁场，使连接在扬声器锥体上的磁铁移动，进而推动空气产生声波。扬声器的大小受限于线圈和锥体的尺寸，它们必须足够宽大以推动合理体积的空气。其机械耐久性受到组装小型活动部件精度的限制。
手持设备中的触觉生成器通常是线性谐振致动器，电气和机械特性类似扬声器，但优化用于在固体中产生低频振动，而非空气中的声波。
用压电换能器替换传统扬声器将使设备变得更薄。
事实证明，移动设备的显示屏可以同时产生声音和触觉效果。显示屏是一个均匀、平坦且具有一定柔韧性的表面——轻敲指甲会听到它的振动。将平面柔性表面转化为扬声器的技术可以追溯到高保真音响的早期年代。
20世纪50年代，你可以只购买将电能转化为运动的部分——线圈和活塞，并将其固定在墙上或柜子面板上。然后，墙或面板就像扬声器锥体一样振动，创造出我们感知为声音的空气压力波。这个想法当时仍属新奇，主要是因为它是一项DIY项目，结果难以预测。找到合适的表面，正确安装驱动器并适当供电，难度几乎等同于制作一把出色的的小提琴。
近年来，一些平板电视开发者已利用类似原理，将大型电视屏幕变成扬声器。他们使用强大的换能器使整个显示面板在音频频率下振动。这实现了目标：薄型显示器，无需额外的扬声器。据评论家称，在中高频段的音质出色（如果想要低频，还需要附加次低音扬声器）。声音确实似乎直接来自屏幕上的图像。但这些系统成本高昂，需要高电压放大器，消耗大量电力，因此需要缩小尺寸才能适应移动设备。
压电效应登场
要在小型设备中实现这一功能，你需要压电换能器。它们由微小的单晶组成，如石英或某些陶瓷，附着两个电极。当在电极间施加电压时，材料会发生物理弯曲。
这种弯曲被称为逆压电效应。1880年，物理学家皮埃尔·居里和雅克·居里发现，当特定晶体受到机械力作用时，晶体两面之间会出现电压；他们称之为压电效应（“piezo”在希腊语中意为“挤压”）。这种效应源于晶体分子内部自然电偶极子与机械应力之间的相互作用。大致来说，弯曲晶体会使偶极子排列，从而产生体积电场。
一年后，居里兄弟展示了反向也是成立的：当在这些晶体的两面施加电压时，偶极子会试图与电场对齐，从而使晶体弯曲。随后，对压电材料的研究扩展到了包括陶瓷。
当压电换能器振动显示屏自身来产生声波时，声音似乎直接从屏幕上的图像发出，效果更加逼真。詹姆斯·普罗沃斯特
因此，通过施加交变电压，你可以使换能器产生相当大的振动力。这些振动可以慢速进行，用于触觉反馈，也可以非常快速，达到最高音频频率甚至更高。尽管使用陶瓷材料需要相对较高的电压（40伏以上），但所需电流很小，因此功率需求也很小——远低于当今移动设备扬声器的功率。
利用压电换能器产生声音并非新概念。事实上，数十年前它们已被用于制造烟雾报警器刺耳的尖叫声。
当然，使用压电效应来产生全范围的高质量音频，与制造烟雾报警器的尖叫声相去甚远。在手持设备中实现这一目标面临诸多挑战。需要一个能够高效提升电池提供的电压、噪声最小以保持音频质量的放大器。此外，音频信号在发送给换能器之前需要预处理，以纠正换能器和换能器将要震动的显示屏的特性。
驱动换能器
但我们Synaptics公司认为，我们已经克服了这些挑战。我们开发了一款芯片，其中集成了低噪声、高压升压放大器和数字信号处理器，该芯片安装在设备的主要主板上，驱动贴在显示屏背面的陶瓷压电换能器。这确实占用了空间，但也消除了动态扬声器。确切的放置位置和换能器数量取决于设备的机械设计和期望的音频模式——一组足以替代智能手机的手持接收器功能，但如果还需要替代免提电话功能，则需要第二组。后者将是更常见的配置。
我们期待到2024年底，这款芯片能在智能手机、可穿戴设备和笔记本电脑中得到应用。
传统的扬声器模块占据计算机或移动设备中的宝贵空间。相比之下，当超薄压电换能器振动显示屏产生声波和触觉效果时，这部分空间可用于其他用途。詹姆斯·普罗沃斯特
摆脱传统电磁线圈扬声器的直接影响众多。压电换能器材料仅需1毫米的外壳厚度，而动态扬声器或线性谐振致动器则需要几毫米，这开启了新一代更薄的便携式设备。然而，这些换能器可以产生与最佳微型动态扬声器相当的声音质量和响度。几家公司在生产此类换能器，包括TDK；还有一些尚未公开宣布。
由于换能器粘合在机壳内的显示屏上，不需要任何开口，防止了水分或灰尘进入。
最重要的是，换能器从前部显示屏产生声波。这意味着声音朝向用户，而不是远离用户或偏向一侧。正如在大型屏电视中成功应用的发声显示屏所展示的那样，这确实提供了更沉浸式的体验。当你看到霸王龙仰天长啸时，你的大脑会将声音定位在野兽的形象上，而不是旁边的某个地方。
许多现代手持设备尝试通过心理声学处理来解决这个问题，使用算法改变来自不同方向进入耳朵的声波的振幅和相位，模拟耳朵进行的一些非常复杂的操作。这些算法的成功依赖于环境，而且额外的处理器周期会明显消耗设备电池的能量。让声音从显示屏上物理产生是一种更简单的解决方案。
至于触觉反馈，利用产生声音的相同压电换能器来产生触觉反馈，消除了对单独驱动电子设备和振动显示屏的电机的需求。
双向互动
另外，请记住，压电效应是双向的。所以当你触摸显示屏时，不仅常规的触摸传感器可以确定触摸的位置，压电换能器还能检测到按压的力度。这开辟了一个全新的交互式用户界面和沉浸式触控游戏反馈领域。
这也引发了一个有趣的可能性，坦白说，目前还没有充分探索。当触摸，甚至是相当大声的环境噪音使显示屏弯曲时，也会使换能器弯曲，产生电压。这个电信号可以收集起来为设备电池充电，提供一定程度的能量收集，延长两次充电之间的使用时间。
因此，如果你的下一部手机更薄，电池寿命更长，声音更具沉浸感，感谢压电效应让你的设备淘汰了传统扬声器和电机驱动的触觉发生器，将声音放在了它应该在的地方。