【doc】压电陶瓷发声元件原理
压电陶瓷发声元件原理
屯昀瓷发声
元件原理
盛建呜宋文龙
1880年,居里兄弟发现物质的压电性.当时A们 所知均压电材料仪碗于水晶,酒石酸钾钠等几种单晶 体.由于单晶体产量低,难于加工成任意形状,不能适 碰多种用遮特性的需要,未能广泛应用,A们期望发现 一
种具有压电的新材料.医此,压电陶瓷便应运而 生了.
图2(a),(h),其中图(b)中妁,:可用电阻丝自制, 暂定功率为3,10w,不同衰减量的1,1阻值见
2 所示.
例5:手头已有一只10VA,1?,S00mm低音扬声 L甩组噩骨架阿圈1
图3
豁细雠
匪4
器和一台12W,18Q
高保真扩音机,现
拟自制两分额音
箱,盅如何配接?
配接方法——
可以再购2只
gVA,80,85,--,80
mm的高音扬声器,
按图3所示电路配
接.这样配接能使
阻抗匹配,功率分
配合理,同时可改
善高音放声的指向
性(两只高音扬声
器拉开距离装在音
箱上部).连接时必
须保证两只高音扬
声器同相连接.
一
,压电陶瓷发声元件原理和结构
在无对称中心的晶体上施加压力,张力或切向力 时,会发生与应力成比的介质极化,同时在晶体的 两端面上将出现正负电荷(正压电效应).反之,当在 晶体上施如电场引起极化时,耵产生与电场强度成比 的变形或机械应力(逆压电效应).这两种正逆效应 统称为压电效应.压电陶瓷发声元件(俗称蜂鸣片)属 国体无机材料陶瓷.它是把必要成份的原料进行琨台, 成型和高温烧结,由粉粒之间的国稆反应和烧结过程 而获得的微细晶粒不规则集台而成的多晶体.医此, 烧结状态的铁电陶瓷不表现出压电效应.但是当在铁 电陶瓷上施加强电场进行极化处理对,则其陶瓷的各 十晶粒的自发扳化方向将平均地取向于电场方向,西 而具有近似于单晶的极性并呈现出明显的压电效应. 压电陶瓷发声元件输出声压的高低取决于驱动复合振 衰减量(as)l2345l67I8I910——__.一?——— 90衰减量(功率)2087506O鹄l
5.6
———————
五(O)O.目1.62.383.引4
一—————
五z(n)6S81191410『83.7
例4:一台优质扩音机要配一个3分额音箱.现已 有5VA,8O,200mm橡皮边扬声器~]3VA,16Q,80mm
高音扬声器各一只,拟再配一只高音和一只中音扬声 器,或者两只中音扬声器,不知哪一种方式较好? 配接方法——由于高音比中音的波长短,指向性 更尖锐,故从改善音箱指向性角度考虑,通常应再配一 只高音和一只中音扬声器,配接电路及数据如图4所 示.高音扬声器的安装注意事项同例3.
例5:有5VA,8O,200mm橡皮边扬声器和2vA, 8Q,50mm高音扬声器各一H,敢组成两分额音箱,该 如何配接?
配接方法——一般2ooTnm橡皮扬声器的故音额 率上陧为3.5klqz左右,而50mm高音扬声器的谐振 频率为SkI{z左右,两者频响衔接不佳,会使,c附近 的额晌盐线出现凹谷,声压大为下降,听起来明显缺乏 28(284)
图5
嫌
高
动昀力昀大小它和声共鸣器,驱动电路一起组成 电芦器佴(蜂鸣器),发出音响.我们希望在可听音响 范I薹有最悦耳的响声.根据对^耳的测试发现,^耳 对频率杀3ktIz左右的音响最为敏感.因此,人们通 常将压自陶瓷发声元件的谐振额率
在3klIz左
右但是由于这些颊率较低,难用一片压电陶瓷片 制作,闺北.一般采用如图1舶双膜片结构. 当在压电陶瓷发声元件上施加交变电压时,压电 陶瓷茛声元件便会产生挠盐振动,其振动基波的谐振 颏辜为:
t/YoJ
r,,=『r=:i
式中,C为振动片固定方式常数;{为厚度;r为半径;
属振动片和压电陶瓷片合成密 为扬氏模量;a为金
度.
自上式可知,当材斜一定时,压电陶瓷发声元件 的额率与其总厚度成正比,与半径平方成反比.压电 陶瓷发声元件的谐振频率和复合振动片直径的关系如 图2所示.从图中得知其额率随复合振动片直径的增 加成指势凿线下降.
构成发声元件的盘属振动片的大小可由上式确 定.当匹电陶瓷发声元件用作传声时,要求其工作额 率在0.3,5kYlz,额率过高,声音昕起来会感到刺耳, 使^救不舒服.为了降低发声元件的谐振额率,可 增大金属振动片的直径或诫小复合振动片的厚度.不 过,这样会谴发声元件的机械强度降低,给生产和使用 带来许多府烦.因此,通常采用如图3的异彤振动片, 既高的机械强度,又使发声元件的谐振频率较低. 压电陶瓷发声元件中的压电陶瓷片的大小是根据 阻抗的要求来确定的.其压电陶瓷片的直径d与金属 蛊属《酣\!!
f\
舯
振动片的直
径D的比值
与谐振阻抗
的关系如图
4所示由图
可知,对于
基波振动来
说,d/D的
比值越接近
1,谐振电阻
越小.如果
希望得蓟较
低的阻抗
值,那么必
须使压电陶
瓷片的直径
接近于金属
振动片的直
径,两者曲
比值应大于0.7.
=,蜂呜器的原理与结构
由压电陶瓷发声元件,声冥鸣器和驱动电路所组 成的压电陶瓷蜂鸣器,能产生音响效果而被人们广泛 应用.压电陶瓷发声元件圈定有3种方法,即波节圆 固定法,周边固定法和中心固定法.固定方式不屈,其 振动频率和阻抗特性及振动强度也不同.在波节圆固 定时,压电陶瓷发声元件处于自由振动状态,因而阻抗 最小,压电羯瓷发声元件构成的自激振荡电路,使电路 简化,成本低廉.在阁边固定时,事实上周边并没有完 垒固定,而且被固定的部分略有振动,故阻抗最大,频
率较低,具有
较宽频域,可
输出各种音色
的声音,多用
子电子音乐器
件.中心固定
,咀抗较小,
毵率最低和有
较高的音响,
多用于压电
扬声器中.为
了使压电陶瓷
发声元件所产
生的声音有足
够大的音响,
'
娟必须经过放图5
大.由于压电陶瓷发声元件本身具有尖锐的额响特 性,因此,需要利用共鸣效应加以改善.利用共鸣器 进行音量放大是最常用和最方便的一种.压电陶瓷发 声元件能蹦简单电路驱动发声,其驱动方式有两种:一 是自欷振荡驱动方式.这是用压电陶瓷发声元件自 身的谐振频率激励而发声.压电陶瓷发声元件在谐撮 点附近具有较低的噩抗,因此其声压的大小由输入电 流的大小来决定,属于电流驱动型.主要用于要求太 声压的地方,此种方式正弦波驱动最为有效.=是 他激振荡驱动方式.这是利甩外加信号额率澈励发声, 如用多谐振荡器,间歇振荡器等来驱动.采用这种方 式发出的声压较低,适用于发出具有各种音色的音响.
在这种方式中,压电陶瓷发声元件一般工作在谐振点 艮外的额率.因此,输八阻抗较大,输入电流较小,属 手电压驱动型,为了提高声压,常矩形波驱动.图5 所示为两种驱动电路的侧子.其中图5Ca)为自澈撮 荡电路.自激振荡电路采用分割电投的发声元件,可 由反馈电极直接取出正反馈信号,只需7个晶体管和2 个电阻器即可构成,电路简单.使用这种电路时,改变 电路阻抗就可以改变音压.但是,若要改变频率就需改 变发声元件的尺寸.图5(b)为他激振菏电路 (285)29