未來影音電子設備與手機等可攜式裝置的顯示面板，仍以大尺寸、薄型化為設計主流。為滿足薄型化的發展趨勢，搭配的電聲元件勢必也將朝薄型化發展，應運而生的薄型喇叭，即是近年來電聲市場的新興產品。靜電式喇叭具有薄型化的優勢，但喇叭的音質受限於振膜的有效振動面積，雖可加大振膜尺寸以獲得低音域的改善，但對於筆記型電腦及手機等行動裝置而言，為達產品薄型化要求，可用來裝置喇叭的空間有限，一般將發聲喇叭配置於螢幕兩側或下方不顯眼的位置，或採用更小的喇叭，難免減損聲音的品質，導致靜電式喇叭低頻響應不佳。在筆記型電腦及手機行動裝置中，有很大的面積比例用於顯示面板，如果能發展出可置放於顯示面板前的透明喇叭，將可更有效利用空間，裝置更大尺寸的顯示面板及喇叭，兼顧面板大小及音質的需求。
平面透明喇叭的設計須考慮光學、振動與聲學等問題。工研院材化所在開發的過程中，透過建立以下分析技術能力來評估透明喇叭的性能，包括由幾何光學分析透明開孔電極板的光穿透率及霧度；以結構振動分析，調整結構達到較佳的低頻聲壓輸出；並以喇叭結構、靜電力、預張力、音場耦合分析技術，進行聲場模擬，直接輸出聲壓位準頻響應曲線。這些分析方法有助於比較出較佳的設計，減少在實驗上的成本，而設計出低霧度且有良好低頻聲壓輸出的透明喇叭。
靜電式喇叭的工作原理
靜電式（或稱駐極體式）喇叭使用超薄的駐極體振膜，透過外加驅動電壓對振膜產生吸引或排斥作用，推動振膜產生聲音，如圖二所示。由於駐極體振膜受外加電場作用，不可與外加電極碰觸以免損失駐電量，甚至被電極吸附，因此在振膜與電極之間必須以絕緣的隔間材料隔開，如圖三所示。
圖二、靜電式喇叭的工作原理
光穿透率與霧度的考量
透明喇叭結構中的電極板必須開孔，方能讓振膜發出的聲音有效傳遞出去。為達到足夠的聲壓輸出，孔洞必須具有一定比例以上的開孔率。然而，孔洞的存在會使斜向入射的光線偏折，造成透明度下降及霧度上升。因此，我們分析孔洞的幾何形狀對透明喇叭光穿透率及霧度的影響。模擬的結果如圖四所示。雖然總穿透率(Total Transmission)隨入射角增加並不會下降很快，但是直接穿透率（Direct Transmission，穿透後仍維持原入射方向而未散射的光線比率）卻大幅下降。也就是斜向入射時，雖然大多數的光線可通過開孔電極板，但光線的方向會被改變，因此造成霧狀不透明的外觀。同樣的現象也可由霧度的變化看出，開孔電極板在入射角愈大時，霧度愈大。
不同孔洞的形狀也會造成不同的穿透角度分布，圖六比較圓形及方形孔洞的結果，模擬和實驗皆一致顯示出圓孔散射成一個圓錐形分布，而方孔的散射光角度集中在一個特定角度。因此，如圖六(b)所示，將開孔電極板放在螢幕前，斜向觀察螢幕上的影像，可發現通過方孔的影像會有清楚的重影，而通過圓孔的影像雖然也有重影，但較模糊。就降低重影的問題來說，圓孔比方孔合適。如果考慮霧度的大小，圖七的模擬結果顯示，相同開孔率的方孔和圓孔霧度十分接近。
圖七、相同開孔率的圓孔和方孔開孔電極板的霧度比較
靜電式喇叭結構振動分析
我們根據振動分析的結果設計隔間材間距，儘可能在低霧度的情況下，使整體喇叭結構在頻率20~20 KHz範圍內，只出現振膜共振，而無開孔電極板的共振，以免妨礙聲音的輸出，並且又能夠達到良好的低頻響應。此結構振動分析考慮：(1)振膜駐電荷對上下電極板的感應靜電吸力；(2)外加電壓驅動力；(3)振膜的預張力。給定電極板材料性質、厚度及開孔率，並依上述估計開孔後電極板剛性之折減，調整隔間材間距，求出電極板的振動位移頻率曲線，如圖十四所示。振膜振動經由隔間材傳遞至電極板，因此出現兩個共振峰值。其中出現於低頻的共振峰為剛性較低的振膜產生，高頻的共振峰則由剛性較高的電極板而來。由結果可知，當隔間材間距越大，電極板的共振峰越往低頻移動，振動位移也明顯較高，因此必須調整隔間材間距，確保電極板的共振頻率大於20 KHz…以上內容為重點摘錄，如欲詳細全文請見原文
作者：陳春弟、邱佑宗、葉吉田/工研院材化所；張祐嘉/密西根大學
★本文節錄自「工業材料雜誌288期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=9015