二合一：OLED 屏幕還支持基于像素的聲音

目前的大多數顯示器仍然需要外部條形音箱或多聲道揚聲器，這會增加體積并帶來設計挑戰，尤其是在汽車內部等緊湊環境中，很難集成多個揚聲器。

為了解決這個問題，研究人員專注于將先進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。雖然公司已經探索將激勵器連接到電視背面或將 OLED 彎曲到揚聲器周圍，但這些方法仍然依賴于笨重的硬件，并且在準確定位聲音方面面臨挑戰。

核心問題是傳統的激勵器相對較大且較重，因此很難在不干擾或損害 OLED 的薄型設計的情況下部署多個單元。此外，多個揚聲器之間的聲音串擾導致無法精確控制局部音頻。

韓國浦項科技大學 （POSTECH） 的一個團隊通過在 OLED 顯示器框架中嵌入超薄壓電勵磁器來克服這些挑戰。這些壓電激勵器的排列方式類似于像素，可在不占用外部空間的情況下將電信號轉換為聲音振動。同樣值得注意的是，它們與 OLED 面板的薄型完全兼容（圖 1）。

1. 振動定位壓電面板揚聲器的概念：（a） 配置本地化、發聲的平板壓電揚聲器。（b） 示意圖顯示了在僅外邊緣有框架的模型中，以及在激勵器的每個區域由框架隔開的模型中，當聲音信號施加到一個激勵器時振膜的振動和聲音的產生。（c） 兩種壓電揚聲器型號的圖片：沒有和有隔離聲音振動的內框。

因此，每個像素都可以充當獨立的聲源，從而實現基于像素的本地聲音技術。研究人員還開發了一種消除聲音串擾的方法，確保來自顯示器不同區域的多個聲音不會相互干擾——這在以前在多聲道設置中是無法實現的。

振動定位方法

激勵器之間的聲音串擾和頻率響應不均勻等問題通常會影響音頻質量。為了解決這些問題，研究人員探索了基于框架的聲音振動隔離策略，以定位表面振動并減少多個激勵器之間的干擾。

與專注于高聲壓級 （SPL） 和低總諧波失真 （THD） 的傳統工作不同，他們的研究并非旨在提高絕對揚聲器性能。相反，它通過結構修改專注于振動定位和頻率響應一致性。

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域。這種設計將振動限制在每個激振器的目標區域，有效地防止了干擾（圖 2）。

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

面板揚聲器是通過將市售的鋯鈦酸鉛 （PZT） 元件連接到振膜上而構建的。每個 PZT 元件由三層結構組成：底部電極、PZT 材料和頂部電極。該揚聲器結構中添加了框架，一個模型僅支持外邊緣，另一個模型具有隔離每個激勵器區域的框架，以定位聲音的振動。他們的實驗設計標準化為 3×3 陣列配置。

由施加到單個激勵器的信號產生的波在振膜上傳播，導致表面振動。雖然這些振動通常會擴散到振膜上，但框架設計將每個激振器的振動限制在其指定區域，從而減少干擾和失真。

頻率響應均勻性和 THD 的測試結果

他們將實驗測量和有限元法 （FEM） 仿真相結合，發現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均勻性并降低 THD。這些增強功能簡化了揚聲器響應補償，確保了可靠、高質量的聲音輸出。

使用 Chladni 模式，他們驗證了振膜表面的無串擾振動，證實了框架在隔離激勵器方面的有效性。如果沒有框架，振膜會根據勵磁機位置顯示可變頻率響應。使用框架，每個激振器都在自己定義的部分內運行，實現局部振動和一致的頻率響應。這種頻率響應均勻性簡化了補償過程，減少了對復雜的 DSP、分頻和濾波調整的需求。

[Chladni 模式以 Ernst Chladni 的名字命名，他是 18 世紀末/19 世紀初的物理學家，專門研究聲學，并完成了我們仍然依賴的許多開創性工作。當平面以特定頻率振動時，這些同名圖案是在平坦的表面上形成的。

直到最近，這些圖案都是通過在感興趣的表面上撒上沙子或其他細小材料來可視化的，然后這些材料從波腹（振動最大的點）移開并積聚在節點（振動最小的點）。當然，現在它通常是通過基于計算機的建模來完成的，但這個名稱仍然用于視覺表示——在許多情況下，仍然使用真正的沙子。

他們建模并構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 結果顯示了當施加不同頻率時壓電揚聲器的激勵器陣列上的振動。（a） 僅在外邊緣有框架的揚聲器。（b） 揚聲器，其中元素的每個區域都由一個框架隔開。（c） 播放歌曲時連接到 OLED 面板的壓電面板揚聲器。

結論

框架有效地將表面振動限制在指定區域，防止傳播到相鄰區域并增強頻率響應均勻性，從而減少了標準偏差并簡化了響應補償過程。此外，增加幀的高度和寬度提高了頻率響應的均勻性，并在更寬的頻率范圍內降低了 THD，從而實現了更清晰、更準確的聲音再現。

與振膜材料具有較大聲阻抗對比的框架在振動限制和揚聲器整體性能方面表現出卓越的性能。

最后，他們制造了一個逼真的 13 英寸。具有集成局部聲音的 OLED 顯示屏和長期可靠性測試證實，制造的揚聲器保持了穩定的性能，隨著輸入電壓和距離的變化，顯示出一致且可預測的 SPL 變化。

這些發現突出了基于框架的設計在顯著提高壓電面板揚聲器和汽車應用的音質和耐用性方面的潛力。他們指出，這種基于幀的振動定位通過將振動限制在特定區域內來緩解串擾問題，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 揚聲器和多區域車載音響系統，其中空間優化的音頻是必不可少的。