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):
Молекулы первого слоя движутся ко второму слою, толкают его и возвращаются на место. Второй слой, получивший удар, толкает третий, тот — четвертый и так далее, до тех пор, пока сила не угаснет или последний слой не попадет кому-то в уши.
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 наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!
