多媒体设备正朝着轻薄化、全面屏方向发展,全新的屏幕结构设计大大缩小传统音箱的空间,让声音反射和缓冲次数减少,进而导致音质变差。本课题提出的定向屏幕扬声器方案,是将屏幕声场技术与声频定向原理相结合,利用压电薄膜超声换能器实现屏幕兼具显示器与扬声器的双重功能,为便携式电子设备的沉浸式“音画一体”功能和家用多媒体设备的分区应用实现提供可行方案。首先,本文基于压电薄膜超声换能器基本原理,根据声频定向基本理论和具体应用场景,通过对比传统压电换能器结构,提出了适用于本课题应用需求的多层圆形压电薄膜结构为阵元结构并对其进行声学特性的理论分析。然后,以全透明为首要标准,为各功能层选择对应材料。以电击穿为重点考察指标,确定压电层材料为聚偏氟乙稀(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)。以高电-声转换效率为牵引,确定上下电极材料分别为氧化铟锡(Indium Tin Oxides,ITO)和钼(Mo)。其余的辅助性材料层以匹配压电层和电极层需求为主,结合现有成熟工艺进行选择。再采用选定材料参数确定单阵元的几何结构参数,包括:各材料层厚度、阵元半径。从声压级和指向性等声学性能以及实际的应用需求进行考虑,确定了换能器阵列排布的几何参数,包括:阵元间距、排列方式。就所确定模型采用多物理场仿真软件对其主要特性进行仿真分析,内容包括:频响、指向性和声场等。换能器的工作频率由频响曲线确认为40kHz,声压级最大可达107dB。指向性和声场仿真均在工作频率下进行,指向性角在±30°范围内,声场具有明显主瓣,并伴有幅值远小于主瓣的旁瓣。三项换能器关键指标均符合需求,完成方案的可行性验证。最后试制样品并进行测试,测试项目相较于仿真增加了一致性与可听声测试。频响、指向性的测试结果符合设计指标。可听声解调测试中,单频信号解调声压级均在60dB以上,但音频信号无法解调,通过声场测试与仿真对比,主要原因可能是由主瓣范围较窄。玻璃基压电薄膜超声换能器进一步优化后,作为屏幕扬声器、“音画一体”解决方案具有可行性和独特优势。