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关于压电陶瓷的研究与想法

发布人:piezoceramics时间:2021-08-11来源:工程师

如今,压电在日常电子设备中的应用正以令人兴奋的速度增长。压电一词可以追溯到古希腊语,其含义是指按压、推动和挤压的活动。追溯到 1880 年,皮埃尔和雅克居里兄弟的创新工作,压电效应是指特定材料在受到机械应力时产生电荷的能力。所以请注意,压电效应一词与机械压力作用于某些晶体(特别是石英或罗谢尔盐)所产生的电有关。现在我们也知道静电应力会导致晶体的线性尺寸发生变化。在这里,我的拙劣意图是提供一些与常见压电陶瓷盘相关的实用提示。首先,得益于人造压电材料——尤其是压电陶瓷的发展!


压电陶瓷圆盘/压电扬声器/无源压电蜂鸣器…

压电效应是双向的——如果你施加电压,压电就会伸展,如果它伸展,就会产生电压。因此,压电既可用于播放音调,也可用于检测音调。

 

接下来是从官方数据表中快速剪下的带有空腔外壳的 27mm Ø 压电陶瓷盘。实际上,与没有外壳的普通陶瓷盘/元件相比,带有空腔外壳的压电陶瓷盘/元件将产生更高的声输出。

 

据中国网络资料显示,压电陶瓷圆盘也被称为“蜂鸣片”,是使用最广泛的压电陶瓷之一。它是音乐贺卡、会说话的钥匙链、电子玩具和礼品中常用的压电“扬声器”的关键部件。是的,现在我可以回忆起很久以前(在我的学生时代),有一些有趣的电子生日贺卡和相册在打开时通过一个薄压电扬声器开始播放小旋律。我相信今天你可以很容易地从你最喜欢的在线零售商那里买到它们。

 

压电陶瓷圆盘几乎适用于所有需要从小型电子电路有效产生声音的应用。除了技术和工业应用之外,这些类型的轻量级和薄型电声换能器现在被电子爱好者和制造商广泛使用,甚至在他们基于微控制器的项目中也是如此。如果您是 Arduino 的狂热爱好者,那么您可以在 Arduino 世界(也在本网站上)看到无数带有压电换能器 (PZT) 的音乐电子项目,因为使用薄(和非磁性)压电通常更实用陶瓷碟片,而不是用笨重(和磁性)的传统扬声器播放。

 

不厌其烦地学点东西……

您也可以使用 Arduino Uno(R3) 微控制器和普通的 35mm 压电陶瓷盘来构建一个小旋律发生器。只需按此处所示连接压电陶瓷盘,上传给定的 Arduino Sketch(代码),然后开始播放。

 

如果你做到了,恭喜,但你不可能得到有效的结果——我想,你能听到的只是微弱的声音。坦率地说,我以前也尝试过这个项目,运气为零!

 

自然,那一刻我感到很沮丧,但我确实在搜索过程中发现,虽然有些压电材料产生的输出比其他材料多,但它们都相对较低。 是的,为了优化它们的使用,通常需要外部电路。 以下是我后来从中文数据表中获得的更好的压电驱动电路(我注释只是为了节省您很多时间)。

 

看起来您会通过这种修改获得丰富的声学输出,但我对实际结果感到担忧。 事实上,我得到的只是更高的输出,即使是 9V,也不足以解渴。 尽管如此,我非常古老的中国磁性门窗报警器通过类似的压电陶瓷盘返回其刺耳 (90-110db) 输出! 背后究竟发生了什么?

 

最后,我拆解了我的中文闹钟,发现有一个特殊的 针电感用于驱动压电陶瓷盘(如下所示)。 经过一番谷歌搜索后,我发现 引脚电感器通常被称为“引脚警报升压电感器”——实际上是一个额定总电感接近 100mH 的小型“自耦变压器”。

 

由于警报升压电感器目前不是我触手可及的组件,因此我扩展了我的谷歌搜索以找到一种替代方法来大声驱动压电,并最终带来了另一个经过验证的技巧(这对我来说是一个巨大的挑战和乐趣) 为我的实验寻找最便宜和最简单的零件)。 增强的想法不过是用一个合适的鼓芯功率电感器代替之前电路中的电阻器(跨压电)。

 

通常选择电感器的值以与压电陶瓷盘在其声共振时的电容发生电共振(10-50mH 似乎对大多数压电陶瓷盘给出最佳结果)。 这种方法可以提供比电阻技巧更多的声学输出,但是,压电陶瓷盘上的峰峰值电压可能会增加很多倍——40 到 80Vp-p 是 5VDC 电源的更典型值。 因此,请确保驱动器晶体管的集电极-****极击穿电压 - Vce(breakdown) - 足够高以支持。

 

我确信有大量合适的 BJT 可用于此应用程序。 幸运的是,我有几个旧的 MPSA42 晶体管(见下文)来尝试新的改进以及 47mH 的“抢救”鼓芯电感器。 相信我,“外露”的 35 毫米压电陶瓷圆盘是一种令人耳目一新的体验! 现在可以肯定的是,通过采用这种简单的方法,我们可以轻松地以最少的时间和精力最大化压电陶瓷盘的输出。 惊人的!

 

腔体魔术!

如果您聆听桌面闹钟、计算机主板等中通常使用的小型压电扬声器/蜂鸣器,您肯定会从按钮大小的无源换能器中感受到非常响亮的声功率。 它的秘密是什么? 没什么,它们通常具有放大声音的谐振腔 是的,外壳对于最佳输出很重要。 简而言之,压电陶瓷盘应安装在腔体中以产生高声压级(SPL)。

 

多层压电扬声器?

多层压电扬声器具有多个振动压电元件。 振动元件设计为具有不同的谐振频率,因此与传统压电扬声器相比,这种组合将确保在可听范围内具有更平坦的频率响应。 多层压电扬声器的有效带宽通常在200-500Hz20kHz之间。 正因为如此,多层压电扬声器能够比传统压电扬声器更好地再现音乐和声音,传统压电扬声器的频率响应通常被缩减到 3-4kHz 范围内谐振频率两侧的几百赫兹。

 

这篇文章不一定是关于压电陶瓷盘的详尽论文。 相反,它分享了一些想法,通过这些想法可以轻松地将普通压电陶瓷盘驱动到高声输出。 我当然会准备这篇文章的续集,也许会包含更多关于腔体、调谐管和驱动器设计数学的想法。 最后,我希望你喜欢这篇小文章(如果你遵循正确的话)。 如果您有任何建议,或者如果您对这个主题感到困惑,请在下面发表评论!

 

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