从骨传导到屏幕发声!浅析智能手机的听筒设计

CFan2018-11-13 10:30产品 标签:听筒 扬声器 设计 手机

和笔记本相比,智能手机属于一种更精密且轻巧的移动设备,它们内部可以用“寸土寸金”来形容。因此,智能手机内置的发声单元,往往较笔记本还要复杂许多。首先,就是除了“扬声器”之外,智能手机还需一个名为“听筒”的发声单元,而它则是影响通话质量的关键所在。

手机听筒的样式之谜

手机听筒存在的意义,就是让我们在通话时可以听清楚对方的声音,为了保护隐私,听筒传出的声音是具备指向性的,而且音量不大,在吵杂的环境下必须贴近耳朵。问题来了,为什么位于屏幕顶部的听筒开孔都是长条形状呢?做成圆形或缩小成一个小孔不成吗?

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哪怕刘海屏会限制听筒开孔,但听筒的形状至少也是略长的椭圆形

作为一个对音量大小要求不太苛刻的发声单元,手机听筒往往也是为了手机瘦身而做出最大牺牲的所在。它的体积还没有小拇指甲盖大,真的只有一丢丢。为了提升防水能力,这个部件需要加强密封性,所以需要较大的开孔面积才能确保声音的有效传递。

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至于为何不做成圆形,是因为从大众审美的角度来看,长条状的听筒外观可以节省屏幕空间,左右排列的前置摄像头和光线/距离传感器可以组成对称的美学效果,让整机看起来更加协调。

全面屏时代的听筒困局

问题又来了,如今全面屏手机当道,大家都在追求更高的屏占比,无论是“刘海”还是“美人尖”,都是急需被设计师攻克的存在。为了让手机的“脑门”不再留有一道醒目的听筒开孔,智能手机们已经做出了不少的尝试。

骨传导的屏幕发声

夏普在2014年推出的AQUOS Crystal首次实现了“全面屏”设计(可惜夏普当年是以“无边框”加以宣传),它彻底干掉了手机的“额头”,没有给听筒留下任何开孔。

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问题是,手机最本质的工作就是通话,没了听筒如何听到对方声音,必须使用耳机或外放免提吗?

夏普AQUOS Crystal的解决方案是一种类似“骨传导”的声学技术,它内置了一块特殊的压电陶瓷激励器单元,通过振动的方式将整块屏幕变成了一个“大听筒”,想听清楚通话一方的声音,需要将屏幕与耳朵或下巴紧密贴合,让声波与头颅骨发声振动并直接传到内耳外淋巴,从而绕过外耳和中耳的传输转换成“声音”。

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至此,“屏幕发声”概念正式进入智能手机的舞台。

来自框架传递的声音

2016年,小米发布了MIX系列,智能手机正式进入“全面屏时代”。这款产品采用了和AQUOS Crystal类似的三面无边框设计,同样没有为听筒开孔,同样使用压电陶瓷单元激励器作为发声单元,但MIX的声音传递却又与AQUOS Crystal有着极大的差异

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简单来说,小米MIX主打“悬臂梁压电陶瓷声学系统”。其中,悬臂梁是一种机械传动结构,我们可以将它理解成类似打字机的传动原理,压电陶瓷发出模拟音频后通过“振动臂”打击手机中框,实际的发声单元是整个手机的中框框架。

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与AQUOS Crystal的骨传导必须与耳朵或下巴接触才能听到最大音量不同,小米MIX的悬臂梁压电陶瓷声学系统无需与身体接触,只需靠近耳朵就能听清中框震动转化的声音。但是,这种声学系统的尴尬是声音存在失真,而且由于中框震动没有指向性,手机正面与背面的音量是相同的。这意味着,在安静的环境下,你和对面的陌生人都能听到来电声音,不利于个人隐私的保护。

愈加成熟的屏幕发声

通过AQUOS Crystal,我们可以了解屏幕发声的基本原理:通过激励器驱动前方的屏幕及结构,以屏幕作为振动体产生声波,最终传送到人耳。但是,AQUOS Crystal和小米MIX都存在声音传递方面的局限性,那有没有更完美的解决方案?

答案是有,那就是从“激励器”的单元介质上入手。

vivo最新推出的NEX是一款拥有91.24%屏占比的偏概念手机,并主打全新的全屏幕发声技术。

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与AQUOS Crystal/小米MIX不同的是,vivo NEX将激励器从“压电陶瓷单元”换成了“微振动单元”,它也常被称为“线性振动器”,工作原理与线性马达相似,是利用电场跟磁场交互作用而产生力场。

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虽然vivo NEX号称“屏幕发声”,但实际体验中其整个机身都是“听筒”,不止是屏幕表面,将耳朵放在手机边框和后盖上也能听到声音,只是距离手机屏幕顶端越近音量越大,而声音也会随着耳朵和手机表面的距离而逐渐衰减。同时,vivo NEX声音失真率要比压电陶瓷单元激励器好很多,在吵杂的环境下也不影响通话质量,而距离较远的陌生人也听不清我们通话的内容,对隐私的保护反而要优于传统听筒。

可见,“屏幕发声”已经趋于成熟,已经为智能手机实现接近100%屏占比,不给听筒开孔的设计做好了准备。只是,这类技术总存在更高的用料成本以及设计难度偏高的问题,对非旗舰定位的手机而言,又该如何解决听筒必须居中开孔的尴尬呢?

微缝式开孔和导管式听筒

早在2014年,索尼就认识到居中开孔的听筒会影响观瞻,所以为当年主打的Xperia Z2准备了对称式隐藏听筒设计。

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可惜,索尼历代Xperia Z系列旗舰都主打防水,原本听筒声音就小,这次改用微缝式开孔后的声音更小。因此,继Xperia Z2之后,其后续产品又改回了传统的居中条形听筒设计。

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2017年,小米推出的MIX2算是给微缝式听筒设定了标杆,这款产品为了解决家族前辈悬臂梁压电陶瓷声学系统的种种缺陷,改用了微缝式开孔和导管式听筒设计,将发声位置隐藏在手机屏幕顶部。

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实际上,小米MIX2的导管式微型听筒与索尼Xperia Z2没什么差别,只是小米为MIX2准备了特殊的导音结构,从而让声音可以从扬声器单元传输到顶部位置。为了解决导管式微型听筒开孔面积小、传输距离变长、声音传递存在拐角可能带来的声音衰减问题,MIX2搭载了一个50mW功率的听筒,比起传统听筒的20mW功率要大不少,用更大的音量弥补了声音衰减的隐患。

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至今,导管式微型听筒已经成为了很多全面屏手机的标配,也为屏占比的不断提升奠定了坚实的基础。