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科普:转子马达、X轴和Z轴线性马达有啥差别?

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科普:转子马达、X轴和Z轴线性马达有啥差别?
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如果你关注近期发布的Android旗舰手机,不难发现新品大都开始主打一项名为“横向线性马达”或“X轴线性马达”的设计。同时,微博上也曾展开过一轮“嗡嗡嗡”对“哒哒哒”的论战,为何马达的振动方式和效果会有云泥之别?我们有必要追求更高品质的振动马达吗?

手机是如何振动的

在过去的很长一段时间,振动是手机身上最不起眼的一项功能,它的主要作用就是在喧闹环境或手机处于静音时给你提个醒——咦?来电/信息了,没听到,幸亏设置振动了!

此外,在智能手机刚刚崛起的时代,很多用户对虚拟键盘深感不适,需要在点击屏幕内键盘图标的同时来下振动反馈的补偿,才能给人一种按准了的踏实感。

那么,手机是如何产生振动的呢?

答案就在一颗小小的马达身上。早期的功能机/智能手机都采用了一种名为“转子马达”的元器件,它的造型好似四驱车上传统马达的“迷你版”,利用电磁感应,用电流导致的磁场驱动转子旋转而产生振动。

随后,在标准转子马达的基础上还衍生出了圆形(又称币型或扁平式)转子马达,它的样式和小号纽扣电池相似,更加适合追求纤薄化设计的智能手机,而且振动时的噪音更低。

可惜,无论是标准的还是圆形的,转子马达的运行机都制决定它们不会带来太过友好的体验——这类马达依靠质量不均匀的配重来实现震动,存在启动慢、刹车慢(触发振动反馈时有明显的滞后感)、振感松散不集中且缺乏方向感等缺陷,让手机在振动时的感觉总是“拖泥带水”,并发出“嗡嗡嗡”的声响。

今年年初随着小米10系列手机的发布,小米集团副总裁,红米Redmi品牌总经理卢伟冰曾在微博上掀起了有关手机马达的讨论,用“你要哒哒哒,我偏嗡嗡嗡”来调侃竞品所装配的扁平式马达。

于是,一种比转子马达更先进的“线性马达”重新取得了更广泛普通用户的关注。

线性马达横空出世

线性马达在振动起来会发出“嘚嘚嘚”或“哒哒哒”的更清脆响声,这是它与转子马达在声音上的不同。而两类马达最大的差异,其实还是表现在振动的体验之上。

类似打桩机的原理

线性马达的运行原理和打桩机相似,它内部由定子和动子构成。其中,定子包含线圈和FPC,动子则由质量块和磁铁构成。

标准线性马达的内部构

通电的线圈在磁场中受到洛伦兹力作用,带着动子沿固定方向往复运动产生振感,是一种能将电能直接转换成直线运动机械能而无需通过中间任何转换装置的新型马达。

和转子马达相比,线性马达最大的特性就是振动拥有方向感,而且其控制芯片可以输出高达10V的峰值电压,在高压的驱动下可进一步缩短启停时间、提高振动强度。

线性马达的控制芯片通常内置多种振动波形,还能搭配音频解码器,实现音频随振。此外,线性马达的振动频率和波形均可编程,开发人员能根据使用场景,让马达做出不同方向、时间和强度的振动反馈。

线性马达的分类

和转子马达一样,线性马达也衍生出了多种形态,而在智能手机领域最常见的就是“Z轴线性马达”(又称圆形或纵向线性马达)和“X轴线性马达”(又称方形或横向线性马达),两类线性马达的差别主要在于振动幅度和方向感。

其中,“Z轴线性马达”的模样和圆形转子马达差不多,但它充分利用了手机的厚度空间,也就是更“厚实”,内部的动子可以在垂直的Z轴方向运动,也就是能带来上下方向的震动感,并发出“嘚嘚嘚”的声音。

可惜,智能手机的厚度普遍不足9mm,如果再算上屏幕面板和保护玻璃,留给Z轴线性马达的高度空间其实也非常有限。虽然它的振动幅度和方向感远超转子马达,但距离完美还有一步之遥。

“X轴线性马达”的造型呈长条或方块形,内部的动子可以在上下左右四个方向运动,可以做到更长的行程,加速时间更长且能被控制。没错,2020年上市的旗舰手机几乎都会主打这种类型的马达,并以发出“哒哒哒”的声响为荣(表1)。

线性马达强弱对比

当新品都用上X轴线性马达之后,大家的振动体验难道就都一样了?在手机摄像头领域有一句至理名言,说“底大一级压死人”。在线性马达领域,同样可以根据身板大小论英雄。

X轴线性马达之所以比更好,除了它们的运行机理有别以外,前者还沾了体型更大的光。

同理,X轴线性马达也存在大小之别,OEM厂商需要根据手机内部空间大小、成本和需求定制不同规格和大小的X轴线性马达,最大的与最小的体积之间可能相差一倍!

本图来自网络收集,大小仅供参考

此外,启停时间和振动强度也是衡量马达性能的重要指标。

小米科技创始人雷军曾在微博上发文对比了小米10和其他手机马达之间的参数差异,前者的启/停时间均为4ms,峰值振动量高达3.1Gpp(表2),基于此才能实现清脆的、类似机械键盘的回馈感,短促而有力。

线性马达真的是必须吗

在X轴线性马达的应用上,苹果无疑最有发言权,早在iPhone 6时代就引入了名为“Taptic Engine”的横向线性马达,而马达的尺寸也在iPhone 7时代实现了飞跃。在Android手机中,魅族应该是最早跟进该技术的品牌,2018年上市的魅族15就主打名为mEngine的横向线性马达,2019年上市的魅族16s Pro更是升级到了第三代mEngine 3.0触感引擎,虽然马达尺寸不如同期的iPhone,但却代表了Android领域的最优振感。

随后,更多的Android手机开始引入线性马达,只是绝大多数产品出于成本的顾虑都是Z轴线性马达,代表产品有小米9、华为P30、三星Galaxy S10等。而真正武装X轴线性马达的机器,则以Galaxy S20、小米9 Pro、小米10系列、vivo NEX 3、iQOO 3、OPPO Find X2、realme X50 Pro、华为Mate 30 Pro等极少数的新老旗舰为主。

那么,为啥被苹果iPhone用烂的技术至今仍是Android手机中的“少数派”?作为普通消费者,我们真的需要这种更大尺寸的马达吗?

首先,我们还是先来看看X轴线性马达具备哪些“杀手级”的卖点。

模拟物理按键手感

我们现在都知道,苹果自iPhone 7开始就取消了实体按键设计,只在屏幕下方保留了Home键的样式。但是,由于Taptic Engine可以完美模拟出下压Home键时方向朝下的“咯噔”两段式力反馈,很多iPhone 7用户在长时间的使用手机过程中,竟然都没有发现这个“秘密”。

vivo NEX3为了实现“瀑布屏”设计而取消了实体电源和音量键,在机身右侧添加了3个隐藏压感键。但是,得益于机身内部七个传感器组成的压力传感器阵列配合X轴线性马达,当你用手指按下压感键时,可以感到一种“真的按下去了”的震动反馈。可以模拟出实体按键的按下和弹起瞬间的真实触感,算是X轴线性马达的杀手锏功能之一。

提升人机交互体验

早前上市的iQOO 3利用X轴线性马达带来了机械键盘模式,输入法敲字时可以模拟类茶轴、类青轴、类红轴的听感与触觉。小米10系列还将X轴线性马达与人机交互深度结合,比如在闹钟设定时可以模拟出齿轮转动的触感,来电时的振动也能根据铃声节奏加以变化,在录音按钮、通知栏开关、相机拍照键等功能操作按键下则提供更短适中的两下震动反馈。这种更细腻的物理反馈,可以给人一种“用了就回不去”的感觉。

实现更真实游戏振感

通过对游戏中各种枪声、车辆声等各种游戏音效的识别,X轴线性马达还能根据不同场景(如开门、跳跃、碰撞)、不同武器、驾驶的不同车辆给予不同的震动效果反馈,也就是我们常听到的“游戏4D震感”,通过给手指足够直接的物理反馈,能让用户在玩游戏时体会到拳拳到肉的真实感。

尚处优化进行时

和苹果相比,Android生态碎片化现象严重,配备线性马达的手机很少,用上X轴线性马达的机器更少,而且这些手机用的马达型号还不一样。

这意味着,Android系统本身难以对这种高端马达进行足够的优化,它能在系统交互中反馈出怎样的效果,完全取决于手机厂商自身的研发实力,以及对振动的理解。

同理,所谓的“4D振感”,也仅限指定的少数指定游戏,并不具备通用性。如果你本身对于触感交互就不敏感,或习惯出于省电的目的而直接关闭振动功能,马达到底是转子还是线性也毫无意义可言。

此外,与真实的触感相比,在相同价位的智能手机之间,更多的消费者还是更加看重性能、拍照和续航等更加直观的特色,短时间内X轴线性马达还不足以成为影响胜局的关键。

拯救者电竞手机内置双X轴线性马达,类似的双马达设计也许会成为未来高端手机的趋势

现在只能说,随着全面屏方案越加激进(如瀑布屏),取消物理按键,通过屏幕进行交互有望成为主流。在这种大环境下,更真实的震动反馈无疑可以加分不少,在同等级产品中博得头筹。

原文/电脑爱好者

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