спикер в телефоне что это

Динамик в экране смартфона. Как работают технологии Huawei Acoustic Display и Samsung Sound on Display

Предупреждение: будьте осторожны, данная статья может вызвать когнитивный диссонанс и заставить вас по-другому взглянуть на мир. Во время ее прочтения вы столкнетесь с проблемами философского характера.

Если вас это не испугало, тогда приступим к нашей теме!

Желание производителей убрать все «лишнее» с лицевой стороны смартфона, оставив только один дисплей, порождает много интересных технологий. Вначале появились подэкранные датчики освещения и приближения. Затем подэкранные сканеры отпечатков пальцев стали вытеснять классические (емкостные) датчики.

В какой-то момент, желая избавиться от рамок, Xiaomi начала экспериментировать с разговорным динамиком и установила на Xiaomi Mi Mix пьезокерамический излучатель. Идея оказалась провальной и другие компании продолжили искать возможность избавиться от решетки динамика в верхней рамке смартфона.

И вот, в 2019 году на рынок вышел флагман Huawei P30 Pro без классического разговорного динамика, но с хорошим качеством звука. Технология, используемая в этом смартфоне, получила название Huawei Acoustic Display. Работала она превосходно и Huawei продолжила использовать ее в новых флагманах (например, в линейке Huawei P40).

У других компаний есть похожие разработки: Sound On Display от Samsung и Crystal Sound OLED от компании LG (к примеру, смартфон LG G8 ThinQ). Но каким бы ни было маркетинговое название, принцип их работы один и тот же.

Так откуда берется звук во время телефонных разговоров, если на смартфоне нет разговорного динамика? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вначале вспомнить, что вообще такое звук, откуда он возникает и почему мы его слышим.

Это очень важно понимать, чтобы затем не возникало неверных представлений и ассоциаций, ведущих к заблуждениям, которые сегодня сплошь и рядом встречаются среди практически всех «техноблогеров», включая популярные ресурсы.

Что такое звук, откуда он возникает и почему мы его слышим?

Вы, вероятно, много раз слышали о том, что звук — это что-то вроде волн, возникающих на воде. И даже видели схематическое представление звуковой волны:

Но как представить такую волну в реальности? С водой все понятно — мы все много раз видели, как волны то поднимаются, то опускаются. А что поднимается и опускается в случае со звуком? На самом деле, ничего! И вообще, когда мы говорим о звуке, здесь нет ничего, что напоминало бы движение «вверх-вниз», как на схеме чуть выше.

Звук возникает только тогда, когда есть какая-то вибрация или движение. Хлопнули в ладоши — услышали звук. Струна завибрировала — снова слышим звук. Лопнул шарик и опять звук! Если есть звук, значит, где-то что-то вибрировало или двигалось.

Любое вещество (дерево, метал, воздух) состоит из молекул. Да, воздух — это не пустота, как может показаться некоторым, а газ, состоящий из множества химических элементов. Так вот, чтобы услышать звук, наличие вещества — обязательное условие. Без него звука не будет. Например, на луне (и вообще в космосе) практически нет воздуха. Соответственно, сколько бы вы ни кричали, человек, стоящий рядом с вами, ничего не услышит.

А как же взрывы космических кораблей в голливудских фильмах, от которых сотрясаются стены кинотеатра? На самом деле, это такой же художественный вымысел, как и сами космические корабли, путешествующие со скоростью света.

Но, вернемся к звуку. Мы уже поняли, что для появления звука что-то должно прийти в движение внутри какой-то среды (например, воды).

А теперь представьте, что в воздухе между динамиком смартфона (хлопающими руками или любым другим источником звука) и вашим ухом находится бесчисленное количество молекул. Для удобства изобразим их такими слоями:

Итак, внутри динамика что-то движется (об этом чуть позже) и это механическое движение толкает первый слой воздуха (частицы, находящиеся прямо возле динамика):

Еще проще представить себе эту картину в виде ряда металлических шариков, находящихся на расстоянии сантиметра друг от друга. Когда мы толкаем первый шарик, он катится сантиметр и ударяется о второй шарик, а сам останавливается. Второй шарик, получивший импульс, начинает катиться и ударяет третий шарик, тот — четвертый и так далее. То есть, первый шарик остается примерно на том же месте, где и был, но сам импульс прошелся по всей длине и последний шарик также сдвинулся с места.

Ровно то же происходит и со звуком. Ничего не переносится в воздухе, те частицы воздуха, что находились возле динамика, там и остались, вызвав возмущение рядом находящихся частиц.

Получается, в воздухе создаются перепады давления. Между одними слоями практически нет пространства (то есть, давление возрастает), а между другими, наоборот, появляется много пространства и давление падает. К примеру, на следующей картинке между слоями 1 и 2, а также 3 и 4 возникает высокое давление, а между слоями 2 и 3 — низкое (между остальными слоями — обычное атмосферное давление):

Чем сильнее вы хлопните в ладоши, тем сильнее одни частицы воздуха ударятся о другие и между ними образуется повышенное давление. А значит, звук будет громче.

Чтобы отобразить это изменение давления на бумаге, как раз и используют те самые привычные нам «волны». Если частички воздуха находятся слишком близко друг к другу, то есть, создается высокое давление, условная волна идет вверх. Если же давление между частицами воздуха падает, волна опускается вниз. Вот так просто!

Получается, мы можем легко представить изображенную выше картинку в виде следующей волны:

Вначале давление высокое — волна рисуется вверх, затем давление низкое — волна идет вниз, затем снова высокое, после чего не происходит никакого изменения и волна затухает.

Это давление воздуха доходит до нашего уха и частицы воздуха, что находились внутри слухового прохода, с соответствующей силой ударяют в барабан из тонкой кожи. Вернее, в барабанную перепонку. Отсюда и пошло название этого органа, так как перепонка служит именно «барабаном», в который бьют частицы воздуха с определенной силой.

Эта перепонка передает движение через слуховые косточки в улитку, заполненную жидкостью. А уже внутри улитки движение жидкости превращается в электрические сигналы благодаря специальным волоскам. Эти электрические импульсы наш мозг и интерпретирует как звук:

Вот и весь секрет! И на этом моменте у многих может возникнуть известный философский вопрос — а существует ли звук на самом деле? Ведь, все электрические сигналы в мозгу, возникшие от определенных перепадов давления в воздухе — это не более, чем субъективное переживание. Получается, виолончель в реальности не создает никакого звука, ее струны лишь возмущают рядом находящиеся частички воздуха, а те толкают следующие. Простое движение.

Если бы на необитаемом острове упало дерево, раздался бы там характерный звук? Мы ведь понимаем, что на острове дерево реально изменит свое положение. Оно оставит след на земле, сломает какие-то ветки. Все это произойдет вне зависимости от наличия человека рядом. Но звук? Он-то будет? Нет. Все это происходит в полной тишине, словно в космосе.

На этом моменте кто-то может возразить, ведь, если мы установим камеру и запишем падающее дерево, звук на видео будет! И животные в лесу испугаются падающего дерева. Так и есть. Но, опять-таки, звук — это не объективно существующее явление. В реальности есть только движение молекул, изменение давления воздуха. И это движение не сопровождается звуком. Просто люди и животные так «настроены», чтобы эти перепады давления красиво звучали в голове. Хотя, далеко не все животные слышат так, как мы. У некоторых и вовсе нет ушей в привычном понимании. Они улавливают колебания воздуха, используя другие механизмы. Камера также записывает не звук, а именно безмолвные колебания воздуха.

И еще одно маленькое отступление. Скорость распространения звука зависит от среды. Чем ближе молекулы расположены друг к другу, тем выше скорость звука. В воздухе молекулы находятся гораздо дальше друг от друга, чем молекулы воды, но в твердых телах притяжение между молекулами сильнее и они находятся еще ближе друг к другу:

Соответственно, скорость распространения звука в твердых телах будет самой быстрой, в воде — чуть медленней, а воздухе — самой медленной.

Но вернемся к динамикам!

Как работает классический динамик на смартфоне?

Как мы уже разобрались, для того чтобы смартфон издавал звук, что-то внутри него должно вибрировать или двигаться. На самом деле, так оно и есть. Внутри смартфона установлен динамик. И вы ошиблись, если представили себе что-то вроде динамика наушников:

В действительности динамик смартфона выглядит как прямоугольная металлическая коробочка. Разговорный динамик — маленькая коробочка, основной динамик — покрупнее:

Эта коробочка состоит из нескольких деталей, среди которых нас интересуют лишь 3 основные: диафрагма, катушка и магнит.

Принцип работы очень простой. Внутри коробочки жестко закреплен магнит, а диафрагма может двигаться вперед-назад, тем самым расталкивая молекулы воздуха вокруг себя.

Катушка приклеена к диафрагме. И когда ток проходит через эту катушку, возникает магнитное поле. То есть, катушка превращается в электромагнит. Если ток протекает по часовой стрелке, полярность катушки и неподвижного магнита совпадает, соответственно, катушка отталкивается, двигая приклеенную диафрагму вперед. Когда ток протекает против часовой стрелки, полярность меняется и оба магнита (катушка и магнит) притягиваются, то есть, диафрагма движется в обратную сторону.

Вспомните, как отталкиваются два магнита, если вы прикладываете их одинаковыми полюсами и как они притягиваются, если прикладывать их разными полюсами. Здесь ровно то же. Просто один магнит имеет постоянные полюса, а в качестве второго магнита используется катушка и протекающее по ней электричество, создавая тем самым магнитное поле.

Когда пластинка внутри динамика движется вперед, она толкает частицы воздуха и он сжимается, возникает повышенное давление. А когда пластинка движется назад, она наоборот втягивает частицы и давление падает, воздух получается разреженным. Давление воздуха постоянно колеблется (происходит то сжатие, то разрежение):

Чем больше за одну секунду будет проходить этих колебаний (сжатого и разреженного воздуха), чем выше будет звук (волна получится короткой), чем меньше колебаний, то есть, чем они реже, тем он будет ниже (волна получится длинной). Громкость звука будет зависеть от напряжения, поданного на катушку. Чем сильнее напряжение, тем сильнее пластина будет толкать частицы воздуха, а те, в свою очередь, сильнее будут ударять в нашу барабанную перепонку.

Как работает динамик в экране смартфона?

Важно понимать, что технология Acoustic Display или Sound On Display — это не динамик, спрятанный под экраном. В таком случае, качество звука было бы просто отвратительным, как если бы вы закрыли пальцем отверстие основного динамика.

Здесь принцип работы ровно тот же, что и в классическом динамике, только вместо движущейся пластинки (мембраны) используется стекло смартфона.

Давайте посмотрим, как выглядит этот динамик в реальности:

Магнит намертво приклеен к дисплею с обратной стороны. А катушка в металлическом корпусе размещается над ним сверху и прикручена к металлической раме смартфона. В собранном виде это выглядит так:

Получается, когда ток подается на катушку, магнит и катушка должны либо притягиваться, либо отталкиваться друг от друга. Но так как катушка не может сдвинуться с места (ведь она жестко зафиксирована на металлической раме смартфона), вибрировать начинает магнит, приклеенный к дисплею, соответственно, вибрирует весь дисплей.

Таким образом, роль диафрагмы выполняет сам экран, именно он движется вперед-назад, создавая сжатие и разрежение воздуха. Соответственно, экран не перекрывает звук от динамика, он сам становится динамиком:

Звук получается чистым и громким. В отличие от классического динамика, вам не нужно прикладывать ухо непосредственно к маленькой решетке разговорного динамика. Здесь звучит значительная часть экрана (самый громкий звук исходит непосредственно из той области, где размещен вибрирующий магнит).

В шумном месте слышимость такого динамика гораздо выше, чем классического. Вибрации от стекла передаются на кости черепа и возникает эффект под названием костная проводимость звука.

Более того, если такой смартфон положить на стол стеклом вниз, вибрации от него будут передаваться столу и сам стол превратится в большой динамик. Можно, к примеру, положить смартфон в метре от себя и затем прекрасно слышать собеседника, приложив ухо к столу.

Естественно, увидеть вибрацию стекла невозможно, но почувствовать ее — вполне реально. Во время разговора по телефону, стекло ощутимо вибрирует и чем ближе к магниту — тем сильнее. Ничего подобного не происходит при использовании классического динамика.

В целом, это действительно очень интересная и полезная технология, которая в будущем может полностью вытеснить привычные разговорные динамики.

Алексей, главный редактор Deep-Review (alexeysalo@gmail.com)

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии.

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?

Источник

Разбор спикерфона: что внутри и как это работает

Спикерфон — частый обитатель конференц-залов, рабочих столов руководителей и импровизированных переговорных. Небольшие спикерфоны берут с собой в поездки, а также используют в автомобиле и не отказывают себе в конференциях по телефону. Они разнятся своими формами и размерами, функционалом и набором интерфейсов. Неизменной остается только их цель — обеспечить комфорт общения в режиме громкой связи без гарнитур, микрофонных пультов и прочих устройств.

Эту статью я публиковал ранее, получил хороший фидбек от читателей и хочу поделиться результатом проделанной работы. Под катом будет много фотографий железа, технической информации и как ее применить на практике.

В каком случае следует использовать спикерфон?

Тут все просто: использовать гарнитуру — это идеальное решение, капсюль микрофона расположен максимально близко к источнику звука, а динамик находится непосредственно на ухе. Таким образом факторы помещения и окружения практически не оказывают влияния, благодаря чему сохраняется высокое качество звука.

Если в конференции должны участвовать несколько человек, то придется выдумать способ все подзвучить. Вариантов несколько:

Спикерфон — это самый простой и доступный вариант. Тем более, что у меня есть очень хороший экземпляр для исследования, который я с удовольствием разберу и покажу что к чему.

Вообще, технически это не просто спикерфон, а конференц-телефон, т.к. его можно использовать без ПК.

Итак, перед нами Spider от Phoenix Audio.

Купол из сетки скрывает микрофонный массив и динамик. Устройство имеет внушительную массу и подошву из вспененного материала, благодаря чему он твердо стоит на поверхности и не производит лишних звуков при перемещениях по столу и нажатиях клавиш.

Из круглого корпуса выделяется клавиатура с монохромным дисплеем. Клавиатура закрыта неким прорезиненным материалом, сквозь который просвечивают символы-обозначения клавиш.

На дне спикерфона имеется специальная полость, в которой находится панель интерфейсов спикерфона, а также это пространство предусмотрено для организации кабелей. Также подключенный спикерфон можно установить над технологическим отверстием в столешнице.

Спикерфон оснащен интерфейсом Ethernet для автономной работы SIP-клиента и microUSB для использования вместе с ПК, а также разъемом для подключения дополнительной акустической системы и Link Down. Большинство из нас знакомы с основными из них и используют их в повседневной жизни, тем не менее, один из них точно требует пояснения. Это Link Down, который позволяет соединить несколько спикерфонов в цепь простым кабелем UTP. Полученный массив спикерфонов работает согласованно, как единое устройство, и может охватить конференц-зал площадью до 100м².

Подводные камни

Как известно из школьного курса физики, уровень звукового давления снижается при удалении от его источника. Падение происходит логарифмически, и вычислить его можно при помощи уравнения:

где r₁ и r₂ — расстояние до источника звука в начальной и конечной точках.

Вот, к примеру, спокойная речь на дистанции 20 см, выше порога слышимости на 60 дБ.

Отдалившись от спикерфона более чем на 4 м, уровень звукового давления снижается до фонового шума офиса. Это значительно усложняет задачу электроники по захвату и обработке звука, а также повышает требования к усилению звука и применению специальных алгоритмов обработки.

Что же там внутри?

«Паук» разобран, и можно рассмотреть всю электронику детально. Всю работу выполняют 3 основных узла: массив микрофонов, материнская плата и плата усилителя мощности звука.

Массив микрофонов формирует лучи захвата звука. Система анализирует окружающую среду и включает микрофоны таким образом, чтобы лучше усиливать только голос и только с того направления, откуда он поступает.

В спикерфоне применяются направленные электретные микрофонные капсюли с эффективным углом работы около 130⁰. Направленные во все стороны капсюли имеют некоторый нахлест в углах снятия звука(около 40⁰): это позволяет формировать точные лучи захвата звука, вычитая и суммируя сигналы с разных капсюлей.

На этой плате также расположена световая индикация работы устройства, операционные усилители и система согласования с главным процессором.

Тут происходит первичное выравнивание громкости входного сигнала: на каждый микрофон приходится сдвоенный операционный усилитель, который через систему обратной связи повышает амплитуду слабого сигнала и снижает слишком громкие звуки до заданного уровня, т.е. меняет чувствительность каждого микрофона в отдельности. Далее мы выясним, для чего это нужно.

Массив микрофонов целиком обернут силиконовым чехлом, где каждому капсюлю выделено отдельное посадочное место. Чтобы микровибрации от динамика и шорохи от касания корпуса устройства, которые возникают при работе с ним, не вызывали шума и дребезжания в захватываемом звуке.

Далее звук попадает на материнскую плату для оцифровки, обработки и передачи собеседнику.

Сердцем “Паука” выступает чип израильской компании AudioCodes, управляющий всеми процессами, периферийными устройствами и интерфейсами в аппарате. Также в составе этого чипа трудится процессор цифровой обработки звука (Digital Signal Processor, далее DSP).

DSP делит спектр полученного звука на отдельные участки и обрабатывает их параллельно, удаляя все то, что отличается от человеческого голоса. В отличие от обычных конгресс-систем программная часть в DSP — это главная часть спикерфона, и реализует она следующие алгоритмы обработки звука:

Адаптивный фильтр анализирует звук в помещении и подавляет равномерно распределенный статический шум, например — шум от кондиционера, звуки с улицы или шелест кулера ноутбука. Принцип действия схож с человеческим ухом: поначалу в шумной обстановке общаться довольно сложно, однако после адаптации влияние раздражителей снижается. Разница лишь в том, что DSP делает это практически мгновенно, чем избавляет нас от необходимости привыкать.

Однако есть ситуации, в которых спикерфоны буквально сходят с ума, и причина этому — системы антипрослушки, которые очень любят наши спецслужбы.

Эти системы трудятся на оконных рамах для заполнения комнаты случайным шумом, неслышным человеческому уху. В этом случае адаптивный фильтр попросту не успевает приспособиться к быстро меняющимся условиям и только ухудшает ситуацию.

Подавление эха. В данном случае мы рассмотрим эхо как возврат собственного голоса собеседнику. Микрофон улавливает то, что воспроизводит динамик, и собеседник слышит сам себя, что весьма нешуточно раздражает 🙂

Таким образом, реплика собеседника существует в двух видах: оригинал, воспроизводимый динамиком, и эхо-копия, полученная с микрофона. Исходя из того, что процессор “знает” какой сигнал он направлял на динамик, остается только вычесть одно из другого. После вычитания могут быть слышны щелчки и прерывания звука, так как эти аудиодорожки все же отличаются из-за геометрических свойств помещения и потому после этой процедуры применяют дополнительный адаптивный фильтр, удаляющий остатки вычитания. За годы развития цифрового аудио было придумано множество решений данной проблемы, алгоритмы которых трепетно оберегаются производителями и патентными бюро. Потому программная часть DSP — наиболее важная и ценная составляющая всего девайса, где аппаратная часть вторична.

В центре, под куполом, располагается 10-ваттный динамик американской фирмы Arelle Labs, который также дополнительно развязан от корпуса устройства демпфирующими прокладками.

Система звукоусиления построена на высокоэффективной, малошумной интегральной микросхеме, работающей в классе D, что обеспечивает высокую эффективность усиления звука при малых габаритах. Питание усилителя, как и сам усилитель, расположены на отдельной плате под динамиком.

Так устроен спикерфон — аппарат громкой связи, который является одним из самых частых элементов в переговорных комнатах (или на столе руководителя какой-нибудь компании). Основная особенность — это сохранение качества звука при общении вне зависимосоти от акустических недостатков среды, в которой он работает. При этом, разделанный мной «паук» может быть включен в сеть из 15 таких спикерфонов.

Чтобы написать статью, я углубился в доклад Джозефа Мараша, генерального директора американской Phoenix Audio Technologies, в котором он весьма детально рассказывает о важности качества звука в конференц-залах и нюансах применения режимов громкой связи.

Ранее я препарировал 2 PTZ-камеры разных поколений и выяснил, что изменилось за 10 лет прогресса. Потому добавляю к статье опрос: какой девайс разобрать следующим?

Источник