触摸屏界面在汽车应用中的普及，导致了视觉信息过载，这对行车安全产生了严重影响。触觉反馈技术被视为改善用户体验、减轻用户与触摸屏交互时认知负荷的一种途径。
hap2U的触觉技术（近期已被Vibra Nova收购）基于压电致动器产生的超声波传播。这些致动器产生的振动降低了用户手指与触觉显示屏玻璃表面之间的摩擦系数。 这一现象被称为“主动润滑”，因为在超声波振动的作用下，指尖的接触面积1,2会减小，从而降低了摩擦系数。由于人体对摩擦变化的敏感度极高，通过启用或停用超声波振动来控制与面板表面的接触，从而实现摩擦调制，进而产生逼真的触觉感受。
为了优化系统的激励并简化控制，采用了如图1所示的显示器全局共振方案。
在此背景下，采用激光多普勒振动测量法来评估机械系统的性能，因为该方法能够测量板表面振动振幅。对于汽车应用，需要在-40至85°C的整个温度范围内表征超声波的传播特性，因为显示器必须在此温度范围内保持稳定运行。
材料表征
对于超声波传播系统而言，其声学特性对于实现不受温度影响的均匀且恒定的触觉感知至关重要。当今的显示器属于多层机械系统。在这些层中，存在许多随温度变化而改变其力学性能的塑料和粘合剂材料。
此外，由于hap2U/Vibra Nova的工作频率范围属于超声波频段，文献中很少能找到此类材料在该频率范围内的性能数据。因此，hap2U/Vibra Nova开发了一套专有技术，用于在超声波频率下及不同温度条件下对系统进行表征。
为此，将系统置于气候试验箱内，使其暴露于不同的温度环境中。图2展示了一个仅用于高温测量的简单示例。此外，还使用商用气候试验箱进行了高温和低温条件下的测试。 采用Polytec 三维扫描振动计来测量显示屏整个表面产生的振动。Polytec 激光器能够测量亚纳米级范围内的极微小振动，甚至可以通过玻璃或有机玻璃壁进行测量（如图2所示）。
通过激活压电元件产生超声振动，从而在显示屏中产生弯曲波。通过测量系统对这种激励的响应，可获得如图3所示的振动图。
图3中的振动图对应于一款声学性能优良的显示屏，在该显示屏上，触觉技术可在最佳条件下实现。为了确定系统行为是否适合波的传播，需在不同温度下对显示屏的声学性能进行评估。
需要考虑的主要参数之一是显示器的阻尼。阻尼由衰减系数来描述。为了估算该衰减系数，通过显示器表面的压电元件产生一个脉冲，并使用激光振动计测量样品整个表面的位移。
衰减系数描述了振动振幅随距离变化的衰减情况。该值越高，振动振幅随距离源头的增加而衰减得越快。
图4展示了两种不同类型显示器在室温和85°C下的特性曲线示例。显示器1（蓝色曲线）在室温下就表现出比显示器2（红色曲线）更高的阻尼，且在较高温度下阻尼值进一步升高（见蓝色虚线曲线）。
此外，阻尼值还取决于激励频率。在85°C时，测得最大阻尼值出现在50–60 kHz之间。另一方面，显示屏1号在室温下的阻尼值较低，且该值随温度变化保持恒定，仅随激励频率略有变化。
鉴于这两种系统的特性，图2在汽车应用中的触觉兼容性方面表现最佳。
扫描激光振动测量法是一种高效的方法，可用于表征触觉显示器的声学参数，尤其是其在温度和频率范围内的阻尼参数。这对开发能够满足汽车规格要求、在整个宽温度范围内均表现优异的显示器至关重要。
参考文献
1. Wiertlewski, M., Fenton Friesen, R. & Colgate, J. E. 部分挤压膜悬浮可调节指尖摩擦力。《美国国家科学院院刊》 113, 9210–9215 (2016)。
2. Vezzoli, E. 等. 通过超声振动降低摩擦：第 1 部分：间歇接触建模。《1412》, 1–13 (2017)。
