電磁激勵(lì)器屏幕發(fā)聲系統(tǒng)的數(shù)理模型

耿 麗 屈 勝

(1南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院 南通 226002)

(2上海諾基亞貝爾股份有限公司 南京 210000)

0 引言

隨著手機(jī)、Pad等電子消費(fèi)產(chǎn)品外觀造型越來越輕薄，基于全面屏設(shè)計(jì)的產(chǎn)品也越來越普及，隨之而來對傳統(tǒng)揚(yáng)聲器也提出了更高要求。但是，輕薄化的揚(yáng)聲器在音質(zhì)、工藝、可靠性等方面存在諸多問題。因此，解決全面屏產(chǎn)品聲學(xué)痛點(diǎn)有兩條路徑，一條是基于常規(guī)揚(yáng)聲器的設(shè)計(jì)，采用更好的振膜、更合理的腔體來實(shí)現(xiàn)更好的音質(zhì)；另一條是基于平板振動(dòng)原理，采用屏幕振動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)發(fā)聲(事實(shí)上也可以采用中框振動(dòng)的方式，但一般統(tǒng)稱為屏幕發(fā)聲)。

手機(jī)上首次運(yùn)用屏幕發(fā)聲技術(shù)的是小米MIX(2016年11月發(fā)布)，它采用壓電陶瓷(PZT)與懸臂梁結(jié)構(gòu)，將壓電單元粘貼在懸臂上，壓電單元的振動(dòng)通過懸臂傳導(dǎo)至中框，從而使中框振動(dòng)發(fā)聲。而第一款基于電磁激勵(lì)器(Electromagnetic actuator,EMA)技術(shù)的屏幕發(fā)聲手機(jī)是VIVO NEX(2018年6月發(fā)布)，它通過在受話器(Receiver,RCV)位置處粘貼EMA，直接帶動(dòng)中框振動(dòng)發(fā)聲。兩款手機(jī)內(nèi)部的屏幕發(fā)聲組件如圖1所示。

圖1 兩款屏幕發(fā)聲手機(jī)Fig.1 Two kinds of mobile phone adopting screen sound technology

PZT小巧輕薄，但需要高壓驅(qū)動(dòng)且對低頻信號響應(yīng)不足。從用戶體驗(yàn)效果看，基于PZT的屏幕發(fā)聲手機(jī)普遍存在聲音尖、音質(zhì)差的缺陷，因此業(yè)界多傾向于EMA方案，相應(yīng)的手機(jī)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 EMA屏幕發(fā)聲系統(tǒng)框圖Fig.2 System architecture of EMA screen sound

EMA單體為“動(dòng)磁式”原理，通常由密閉鐵殼、音圈、彈簧和帶磁性的質(zhì)量塊等部件組成，其中質(zhì)量塊與彈簧構(gòu)成復(fù)合振子。將EMA通過膠水或螺釘固定于手機(jī)屏幕下方，對音圈輸入交流電信號，則音圈產(chǎn)生交變磁場并與磁性質(zhì)量塊相互作用，引起復(fù)合振子振動(dòng)，復(fù)合振子再帶動(dòng)屏幕、中框、外殼等部件振動(dòng)，從而推動(dòng)空氣發(fā)出聲音，故稱為“屏幕發(fā)聲”。

本文主要分析EMA屏幕發(fā)聲方案的技術(shù)原理，通過平板彎曲振動(dòng)、平板聲輻射、EMA陣列驅(qū)動(dòng)等模型，推導(dǎo)出EMA屏幕發(fā)聲原理及簡化的力電類比模型與某手機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)；最后簡要?dú)w納EMA屏幕發(fā)聲方案設(shè)計(jì)指南以及進(jìn)一步的研究方向。

1 平板振動(dòng)

1.1 四邊簡支平板的自由振動(dòng)

手機(jī)屏幕寬度通常為60～80 mm，長度為120～160 mm，厚度為0.8～1 mm。因此，可以將手機(jī)屏幕近似看成一塊薄板，其厚度方向應(yīng)力為常數(shù)，以簡化板振動(dòng)方程的推導(dǎo)。因?yàn)槠聊粸榫匦?，所以取直角坐?biāo)系，則自由振動(dòng)狀態(tài)下的平板方程如下[1]：

其中，ξ(t,x,y)表示板上任一點(diǎn)(x,y)在時(shí)刻t的位移，又稱“撓度”；D為板的彎曲剛度(Bending stiff-ness)；M為平板單位面積質(zhì)量；?4為四階微分算子，又稱“雙調(diào)和算子”。

令ξ(t,x,y)=ξ(t)W(x,y)代入式(1)，其中ξ(t)僅與時(shí)間相關(guān)，W(x,y)為振形函數(shù)，有

再令ξ(t)=Cej(ωt+φ)(其中C為系數(shù)，ω為角頻率，φ為初相位)代入式(2)，有

式(3)就是平板自由振動(dòng)狀態(tài)下，角頻率ω所應(yīng)滿足的條件。由于W(x,y)取決于平板的固有屬性，因此對應(yīng)的ω也稱“本征頻率”。

考察手機(jī)屏幕的裝配，常采用四邊粘膠的方式貼裝在中框支架上，除邊框外，屏幕大部分區(qū)域與機(jī)殼內(nèi)部電路板留有一定間隙，整個(gè)屏幕接近四邊簡支方式(如圖2所示)。簡單起見，假設(shè)所裝配的中框?yàn)橐粺o限大障板，取坐標(biāo)系如圖3所示，則可將振形函數(shù)取為[2]

其中，Lx、Ly表示屏幕長寬；(x,y)表示屏幕上任一點(diǎn)坐標(biāo)；m,n=1,2,···為振形函數(shù)在x、y軸方向的模態(tài)序數(shù)。

將式(4)代入式(3)，可得

式(5)表示矩形平板每一種振形Wmn(x,y)對應(yīng)一個(gè)本征頻率ωmn；式(6)則表示板上任一點(diǎn)的總撓度是每一種振形下的撓度疊加，其中系數(shù)Cmn和φmn由平板的初始條件決定。

圖3 裝配在無限大障板上的四邊簡支矩形平板Fig.3 Rectangular panel screen simply supported in an infinite baffle

代入手機(jī)屏幕玻璃參數(shù)，密度ρ=2700 kg/m3、楊氏模量E=55 GPa、泊松比σ=0.2、厚度h=0.8 mm、長Lx=160 mm、寬Ly=80 mm。則各本征頻率為fmn=ωmn/2π≈65.3(m2+4n2)Hz，其中m=n=1對應(yīng)屏幕最低本征頻率fmin=f11≈326 Hz。

圖4是將某EMA置于某屏幕頂部的模態(tài)仿真結(jié)果(取1～6階)。由于EMA單體本身可視為彈簧振子，所以屏幕振動(dòng)的總模態(tài)中不僅包含屏幕自身的振動(dòng)模態(tài)，還包含EMA單體的振動(dòng)模態(tài)(縱坐標(biāo)表示位移，顏色越深表明位移越大)。

一個(gè)不容忽視的問題是本征頻率的分布密度。由式(5)可知，增大屏幕尺寸、降低屏幕彎曲剛度、降低屏幕厚度(減小屏幕質(zhì)量)都可有效降低最低本征頻率。一方面有助于把屏幕本征頻率向低端擴(kuò)展以提高屏幕對低頻振動(dòng)的響應(yīng)能力，另一方面也有助于增加中高頻的分布密度，使EMA屏幕發(fā)聲的頻響曲線范圍更寬也更平滑[3]。但如果屏幕長寬比恰為整數(shù)倍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)本征頻率的“簡并化”現(xiàn)象[1]，如Lx=2Ly時(shí)有ω42=ω23，表明(4,2)模態(tài)和(2,3)模態(tài)的本征頻率是同一個(gè)值。顯然，簡并化現(xiàn)象越嚴(yán)重，頻率特性就越不均勻，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免。

圖4 某EMA驅(qū)動(dòng)某屏幕振動(dòng)的模態(tài)仿真結(jié)果(1～6階)Fig.4 Mode simulation of EMA driving screen vibration(1st～6th order)

1.2 四邊簡支平板的受迫振動(dòng)

在平板上施加一個(gè)動(dòng)力載荷q(t,x,y)=q(x,y)ejωt，則式(1)改寫為

將q(t,x,y)展開成Wmn(x,y)的級數(shù)，

設(shè)動(dòng)力載荷由N個(gè)點(diǎn)力構(gòu)成，相當(dāng)于N個(gè)EMA驅(qū)動(dòng)器在平板不同位置施加驅(qū)動(dòng)力，則有

其中，δ(x-xi,y-yi)= δ(x-xi)δ(y-yi)為狄拉克函數(shù)(Dirac function)。

將式(10)代入式(9)可得

其中，fmn(t)=fmnejωt表示對應(yīng)(m,n)階振形函數(shù)的模態(tài)力。通常，EMA驅(qū)動(dòng)力均勻分布于單體與屏幕的接觸區(qū)域，并非點(diǎn)力，式(10)原則上應(yīng)采用階躍函數(shù)ε(x,y)做疊加，但根據(jù)積分中值定理，對區(qū)域的積分等于區(qū)域某點(diǎn)函數(shù)值乘以區(qū)域的度量，故采用更為簡潔的點(diǎn)力描述。

將式(6)、(8)代入式(7)，可得

其中，

其中，ξmn_H(t)、ξmn_P(t)分別表示齊次解與特解，而式(6)中的ξmn(t)就是此處的ξmn_H(t)。

另外由式(11)可知，模態(tài)力與驅(qū)動(dòng)力之間可通過振形函數(shù)關(guān)聯(lián)。若令R=m×n，并將模態(tài)力的模值fmn、振形函數(shù)Wmn按照本征頻率ωmn從低到高的模態(tài)順序排列，則有(忽略系數(shù)4/LxLy及ejωt項(xiàng))

式(16)表明，由驅(qū)動(dòng)力向量Q通過振形函數(shù)矩陣G可以產(chǎn)生模態(tài)力向量F。反之，已知模態(tài)力向量F和振形函數(shù)矩陣G，亦可反推驅(qū)動(dòng)力向量Q。

一種比較簡單的情況是R=N時(shí)(G為方陣)，若滿足rank(G)=rank(G,F)=N(此時(shí)G可逆)，則Q可直接表示為

當(dāng)R＞N時(shí)(模態(tài)力向量維數(shù)通常要大于驅(qū)動(dòng)力向量維數(shù))，G非方陣不可求逆。但若滿足rank(G)=rank(G,F)=N(即G列滿秩)，則Q可表示為

式(18)表明， 在給定F的情況下， 只要滿足rank(G)=rank(G,F)=N，則Q有唯一解，且不難驗(yàn)證，式(17)就是式(18)在G可逆情況下的特例。

第二種情況是rank(G)=rank(G,F)＜N，此時(shí)Q有無窮多個(gè)解。

第三種情況是rank(G)?=rank(G,F)，此時(shí)Q無解。但無論Q是無解還是有無窮多個(gè)解，實(shí)際上都可以求Q的最小二乘解[4]

其中，G+是G的Moore-Penrose逆，I是單位陣，Y是任意R維列向量，Q0稱為Q的極小最小二乘解。

因此，若給定一個(gè)驅(qū)動(dòng)力向量Q，要求屏幕必須激發(fā)出某個(gè)特定的模態(tài)力向量F，則需要通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)力的位置實(shí)現(xiàn)，即改變振形函數(shù)矩陣G。由此，按照某種規(guī)則設(shè)定驅(qū)動(dòng)力位置是應(yīng)用EMA屏幕發(fā)聲方案的一項(xiàng)重要技術(shù)，論文第3節(jié)將做進(jìn)一步探討。

2 屏幕聲輻射

2.1 輻射聲壓

如圖3所示，P(r,φ,θ)為遠(yuǎn)場某觀察點(diǎn)，dσ=(σcosφσ,σsinφσ,0)為平板上某面元，由Rayleigh積分可知，dσ在P(r,φ,θ)點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓為[1]

其中，dσ表示面元dσ的面積，uσ表示面元dσ的振動(dòng)速度幅值，R為面元到觀察點(diǎn)的距離，ρ0為空氣密度，k=ω/c0為波數(shù)，ω為面元振動(dòng)角頻率，c0為聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度。由于是遠(yuǎn)場，分母中的R近似用觀察點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離r來代替，但指數(shù)中的R須考慮相位影響。由幾何關(guān)系知，

再考慮到面元坐標(biāo)dσ=(σcosφσ,σsinφσ,0)Δ=(x,y,0),代入式(21)中可得

其中，α=kLxsinθcosφ，β=kLysinθsinφ，再代入式(20)中可得

面元dσ的振動(dòng)速度幅值uσ用振形函數(shù)表達(dá)如下：

其中，umn表示平板在(m,n)模態(tài)下的振動(dòng)速度幅值。再將式(24)代入式(23)并對整個(gè)平板做積分，可得平板在任意(m,n)模態(tài)下對觀察點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓：

2.2 模態(tài)輻射效率

為研究各模態(tài)的輻射效率，即各模態(tài)輻射阻的相對關(guān)系，對式(25)做進(jìn)一步處理，定義各模態(tài)輻射聲強(qiáng)Imn(r,φ,θ)為

則平板向半空間輻射的總功率PWmn為

平板的輻射阻Rmn定義為

其中,

其物理意義是對平板上各點(diǎn)速度求均方根值，即平板在(m,n)模態(tài)下的等效活塞振動(dòng)速度。

最后，將Rmn對空氣介質(zhì)和平板面積進(jìn)行歸一化，可得輻射效率Smn為

對式(29)進(jìn)一步處理，將(m,n)按照(奇，奇)、(奇，偶)、(偶，奇)、(偶，偶)四種狀態(tài)分類并假設(shè)波數(shù)比γ=k/ψmn?1，則可將Smn表示為(m,n)、γ、外形比Lx/Ly的函數(shù)并繪制曲線。

圖5 若干條件下的輻射效率Fig.5 Radiation efficiency under some different conditions

圖5引自文獻(xiàn)[5]，橫坐標(biāo)為波數(shù)比γ，縱坐標(biāo)為輻射效率Smn?？傮w而言[6]，(奇，奇)模態(tài)的輻射效率最高，而(偶，偶)模態(tài)最低，(奇，偶)或(偶，奇)模態(tài)的輻射效率居中；在(奇，奇)模態(tài)中，低階模態(tài)的輻射效率要高于高階模態(tài)；另外，大外形比的輻射效率要高于小外形比，但手機(jī)屏幕的外形比由整機(jī)造型決定而不能更改，所以在設(shè)計(jì)EMA屏幕發(fā)聲方案時(shí)通常不考慮外形比。

3 EMA屏幕發(fā)聲模型

3.1 建模與頻響仿真

現(xiàn)在考察如何設(shè)定驅(qū)動(dòng)點(diǎn)力的位置。如前所述，平板(奇，奇)模態(tài)的輻射效率最高，且模態(tài)序數(shù)越小(按ωmn的大小排序)輻射效率越高。因此，提高EMA屏幕發(fā)聲的響度，尤其是低頻響度，應(yīng)盡量激發(fā)平板振動(dòng)的低階(奇，奇)模態(tài)。

給定F，即可由式(17)～(19)求解所需的Q，但須先確定G。簡單起見，設(shè)G為可逆方陣。先考慮只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)力q1的情況，顯然此時(shí)只有一個(gè)模態(tài)力f1，并且滿足q1=G-1f1(G-1退化為一個(gè)數(shù)，用h1表示)。對于固定的f1，若h1越小則表明所需的q1越小，也即驅(qū)動(dòng)力到模態(tài)力的耦合效率越高。如(1,1)模態(tài)，將q1置于中點(diǎn)(Lx/2,Ly/2)時(shí)h1=1，表明其耦合效率為100%；但若將q1置于平板邊沿，則h1=∞，耦合效率為0，即平板邊沿對于(1,1)模態(tài)是節(jié)線(Node line)；對(2,2)模態(tài)，將q1置于(Lx/2,Ly/2)時(shí)h1=∞，耦合效率為0，但將q1置于(Lx/4,Ly/4)或(3Lx/4,3Ly/4)時(shí)h1=1，耦合效率為100%?？梢?，某個(gè)特定位置對激發(fā)某個(gè)特定模態(tài)力的效率最高，而對其他模態(tài)力的激發(fā)效率可能是最差的。因此，當(dāng)用N個(gè)驅(qū)動(dòng)力去激勵(lì)N個(gè)模態(tài)力的時(shí)候，須綜合考慮單個(gè)驅(qū)動(dòng)力激勵(lì)各模態(tài)力的效率以及所有驅(qū)動(dòng)力激勵(lì)所有模態(tài)力的總效率，不妨將G-1寫為如下形式：

其中，hlr的下標(biāo)l表示模態(tài)力序號，r表示驅(qū)動(dòng)力序號，并且由此可得

其中，ηr表示由第r個(gè)驅(qū)動(dòng)力耦合出全部模態(tài)力的總效率，因此提高ηr等價(jià)于最小化Ωr。但一般并不對Ωr最小化，而是改為最小化因?yàn)閔lr代表由驅(qū)動(dòng)力qr生成模態(tài)力fl的轉(zhuǎn)化效率，要求轉(zhuǎn)換效率高(即hlr要小)的同時(shí)，也希望qr生成各模態(tài)力f1、f2、···、fN的轉(zhuǎn)化效率盡量接近，不要出現(xiàn)有的效率極高、有的效率極低的情況，因此用最小化平方和的算法更為合適。再考慮到全部N個(gè)驅(qū)動(dòng)力，則優(yōu)化方程可用式(33)表示：

至此，本文建立了EMA驅(qū)動(dòng)力與平板振動(dòng)模態(tài)之間的聯(lián)系，并且找到了求解轉(zhuǎn)化效率最高的最優(yōu)位置方法。文獻(xiàn)[7]基于式(33)，分別對N=3、4、5、6、7、8的情況，根據(jù)所設(shè)定的F，得到相應(yīng)的最優(yōu)G。

對聲輻射的仿真一般可以采用等效線路或有限元兩種方法。等效線路通常基于力電類比，把力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為電學(xué)模型。手機(jī)通常只有一個(gè)EMA，可視為點(diǎn)力源，而屏幕作為拾振系統(tǒng)，系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 EMA屏幕發(fā)聲系統(tǒng)的等效力學(xué)模型Fig.6 Equivalent mechanical model of EMA screen sound system

圖6中，Km為勁度系數(shù)，Mm為振子質(zhì)量，M為屏幕質(zhì)量，Rm為屏幕的阻力系數(shù)，Km表示屏幕與中框之間的膠水，Q表示驅(qū)動(dòng)力，可通過式(16)轉(zhuǎn)化為模態(tài)力F。將圖6轉(zhuǎn)化為電學(xué)線路，如圖7所示。

圖7 力電類比圖(導(dǎo)納型)Fig.7 Mechanic-electric analogy circuit(admittance type)

其中，Gm=1/Rm、GM=1/RM分別表示質(zhì)量塊和屏幕的力導(dǎo)，v表示屏幕振動(dòng)速度，F(xiàn)表示模態(tài)力。文獻(xiàn)[8-9]采用阻抗型力電類比，建立了平板振動(dòng)的等效線路模型。但文獻(xiàn)中的F是物理驅(qū)動(dòng)力，且直接把屏幕振動(dòng)視為點(diǎn)力驅(qū)動(dòng)力下的活塞振動(dòng)，這不符合實(shí)際物理過程，應(yīng)改為模態(tài)力，把屏幕振動(dòng)視為模態(tài)力驅(qū)動(dòng)下的等效活塞振動(dòng)，等效活塞振動(dòng)速度及其輻射聲壓分別用式(24)和式(25)描述。

盡管可根據(jù)所需激發(fā)的模態(tài)力來設(shè)置EMA的位置，但用戶在接聽電話過程中會(huì)不自覺地將耳朵靠近RCV位置，因此不妨設(shè)EMA(單體尺寸12 mm×6 mm)橫置于屏幕中軸線且中心點(diǎn)距離屏幕上邊沿8 mm處，然后逐漸增加屏幕尺寸，但保持整機(jī)單位尺寸質(zhì)量不變(0.025 kg/寸)。圖8(a)為頻響仿真結(jié)果，圖8(b)為某6寸屏實(shí)測頻響。

圖8 不同尺寸屏幕的FR仿真與實(shí)測Fig.8 Simulation and measurement FR curves of different screen dimension

實(shí)測與仿真FR曲線包絡(luò)接近(FR絕對值由于仿真和實(shí)測的距離設(shè)置不同而有些上下移動(dòng))，各模態(tài)本征頻率隨屏幕尺寸增大均有所減小，符合式(5)，且由于屏幕順性增加，低頻段FR幅度略有提升。

3.2 EMA屏幕發(fā)聲整機(jī)測報(bào)

為驗(yàn)證整機(jī)通話效果，將某常規(guī)手機(jī)改造為EMA屏幕發(fā)聲手機(jī)，采用Head公司ACQUA系統(tǒng)對其進(jìn)行窄帶語音通話測試(基于3GPP TS26.131/132國際標(biāo)準(zhǔn)[10])。

首先選擇最佳位置。為提高低頻頻響，應(yīng)激發(fā)低階振動(dòng)模態(tài)；考慮到輻射效率，應(yīng)選擇(奇，奇)模態(tài)。故選定(1,1)模態(tài)，其最佳貼合位置是水平與垂直中軸線的交點(diǎn)。但受制于手機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要對理論最佳位置進(jìn)行調(diào)整。對該款手機(jī)頂部(靠近前攝)、底部(Speaker Box的位置)等位置進(jìn)行驗(yàn)證后，最終選定底部橫貼方式，如圖9所示。

圖9 整機(jī)內(nèi)部照片及ACQUA測試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.9 Mobile phone internal structure and ACQUA test system photograph

圖10(a)～(d)四個(gè)指標(biāo)分別是最大響度值((-10±3)dB為合格)、單頻點(diǎn)掃幅失真(在淡藍(lán)色Limit線以上)、等功率掃頻失真(在淡藍(lán)色Limit線以上)和TMOS(一般≥ 2.8判為合格)，文獻(xiàn)[11]對這些指標(biāo)有詳細(xì)描述。測試結(jié)果表明該機(jī)型滿足3GPP TS26.131/132規(guī)范要求，并且實(shí)測其主觀聽感也接近常規(guī)RCV。

理論已證明，在不同位置貼裝EMA會(huì)有不一樣的結(jié)果。同時(shí)實(shí)驗(yàn)也表明，受制于手機(jī)內(nèi)部堆疊，部分機(jī)型的通話效果并不十分理想。以某手機(jī)互調(diào)失真(Inter-modulation distortion,IMD)測試為例，對比RCV的結(jié)果，如圖11所示。

圖11中，橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示聲壓。對EMA/RCV分別輸入400 Hz和1100 Hz雙音信號，調(diào)整輸入信號功率，使EMA/RCV分別在400 Hz和1100 Hz上的聲壓近似相等?？梢?，EMA屏幕發(fā)聲有大量高次諧波及互調(diào)失真，并且由于這些諧波與互調(diào)正好落在人耳較為敏感的中高頻段，所以會(huì)對用戶主觀聽感產(chǎn)生嚴(yán)重影響。圖12表明在整個(gè)音頻頻段，EMA屏幕發(fā)聲的非線性都遠(yuǎn)超RCV。

互調(diào)失真與屏幕阻尼相關(guān)，增大屏幕的阻尼系數(shù)有助于降低失真。以常規(guī)RCV的振膜制作工藝為例，業(yè)界一般采用復(fù)合膜，通過在膜中添加一層或多層不同性質(zhì)的材料，再配合一定形狀的模頭花紋，就可有效控制RCV的非線性失真。對于屏幕來說，可采用多層結(jié)構(gòu)，層與層之間填充不同配方的膠水或其他有機(jī)材料，在保證屏幕輕薄與硬度的情況下，獲得所需阻尼值。

圖10 基于3GPP TS26.131/132的窄帶語音通話測試結(jié)果Fig.10 Narrow band voice call test results based on 3GPP TS26.131/132

圖11 EMA屏幕發(fā)聲與RCV的IMD對比測試Fig.11 IMD contrast between EMA screen sounding and RCV

圖12 EMA屏幕發(fā)聲與RCV在音頻頻段的IMD對比測試Fig.12 IMD contrast between EMA screen sounding and RCV over voice band

4 結(jié)論

本文從平板彎曲振動(dòng)理論出發(fā)，通過振形函數(shù)矩陣G建立了EMA驅(qū)動(dòng)力向量Q與模態(tài)力向量F之間的聯(lián)系；然后分析了平板在不同振動(dòng)模態(tài)下的聲波輻射效率問題，指出低階(奇，奇)模態(tài)的輻射效率要高于其他模態(tài)；之后基于最小二乘原理，分析了在給定所需F的情況下如何求解最佳的G以及如何由給定的F和最佳的G來反推Q。最后，再利用力電類比把EMA驅(qū)動(dòng)屏幕振動(dòng)建模為不同模態(tài)下的等效活塞運(yùn)動(dòng)，并基于3GPP TS26.131/132國際規(guī)范進(jìn)行了實(shí)際語音通話測試。

(1)增大屏幕尺寸，降低屏幕玻璃彎曲剛度，有助于把本征頻率向低端延伸，同時(shí)可提高中高頻的模態(tài)密度，使頻響曲線更為平滑。但要避免屏幕長寬比接近整數(shù)倍關(guān)系，防止出現(xiàn)簡并化現(xiàn)象。

(2)優(yōu)先激發(fā)屏幕振動(dòng)的低階(奇，奇)模態(tài)，可增加低頻聲波輻射，提升用戶體驗(yàn)效果。

(3)給定所需模態(tài)力后，通過優(yōu)化振形函數(shù)矩陣，使驅(qū)動(dòng)陣列中的單元效率更高，并且各單元間的驅(qū)動(dòng)效率更加均衡，該方法可用于平板電腦等采用驅(qū)動(dòng)陣列的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

根據(jù)上述理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，EMA屏幕發(fā)聲已經(jīng)可以滿足手機(jī)語音通話需求，但在非線性失真上與RCV尚有差距，其互調(diào)失真對用戶體驗(yàn)的影響較大。另外，將EMA屏幕發(fā)聲用于喇叭外放，在使用場景上屬于遠(yuǎn)場聲波輻射，但如果應(yīng)用于手持通話場景，屬于近場輻射。一些文獻(xiàn)[12-14]指出，平板彎曲振動(dòng)的相位近似無規(guī)則，其遠(yuǎn)場輻射基本無方向性。但手持通話方式屬于近場輻射，且由于人頭相關(guān)傳遞函數(shù)的影響，其聲波輻射在近場存在一定的方向性。對于非線性失真和近場輻射這兩個(gè)問題，尚需學(xué)界和工業(yè)界做進(jìn)一步研究。