压电陶瓷蜂鸣片工作原理
压电蜂鸣片声音元件的声源主要来自压电振动板。压电振动板由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板(黄铜或不锈钢等)组成。 使用粘合剂,将压电振动板和金属片粘接在一起,这就是我们俗称的蜂鸣片。
图2所示为压电振动板的振荡体系。 当在压电振动板的两个电极间施加直流电压时,由于压电效应,导致机械变形。对于形状扭曲的压电元件,其变形以辐射方向伸展。
压电振动板则沿图2(a)所示方向弯曲,而粘结于压电振动板的金属片不会伸展。相反,当压电元件收缩时,压电振动板则会沿图2(b)所示方向弯曲。因此,当交流电压穿过电极时,如图2(c)所示,图2(a)和图2(b)所示之弯曲就会交替重复发生,从而在空气中产生声波。
蜂鸣片一般而言,人的声频范围大约在20Hz到20kHz之间。人们最易听到的声频为2kHz到4kHz。因此,绝大部分压电声音元件应用在此声频范围内。
蜂鸣片一般而言,人的声频范围大约在20Hz到20kHz之间。人们最易听到的声频为2kHz到4kHz。因此,绝大部分压电声音元件应用在此声频范围内。同时,蜂鸣片谐振频率(f0)一般也选定在相同的范围内。如图3所示,谐振频率取决于支承压电振动板所采用的方法。如果压电振动板的形状相同,其数值将按照(a)、(b)和(c)的顺序变小。
通常情况下,压电振动板被安装在共鸣腔室内,以产生高声压(如图4)。利用公式(1)(赫尔姆霍茨公式),可以计算出图4中共鸣腔室的谐振频率(fcav)。由于压电振动板和共鸣腔室具有适当的谐振频率,分别为(f0)和(fcav),因此,可以通过控制两者的位置来增大特定频率下的声压和获得特定的带宽。
压电陶瓷片是蜂鸣片(器)的主要部件,所以称之为压电元件。
压电陶瓷片之所以能够发出蜂鸣的声音,是利用了压电效应的原理。
压电效应有正压电效应和逆压电效应二种。
压电效应:当给压电陶瓷片施加一个外力时,压电片会产生电荷,这种现象称为正压电效应: 压力——电压。
反之,当给压电片施加电场时,压电陶瓷片会产生机械变形,而且其应变与电场强度成正比,这称为逆压电效应,施加的电场强度越强,振动的幅度越大。
这种现象称为逆压电效应:电压——压力,各种压电陶瓷的器件均是利用这一特性而工作的。
所以蜂鸣片(器)是一个电压元件,也就是说在器件上施加的电压越大,器件的响度也会越高。
压电式蜂鸣片是一种由金属基片(如铜片、不锈钢片)和压电陶瓷片贴合而成的发声元件,具有厚度薄、质量轻、发音清晰、抗电磁干扰、功耗低、可靠性高的特点,被广泛用作指针式石英手表、液晶式石英手表的发声部件,其均被贴合于手表的后盖上。这种发声元件的声源主要来自压电陶瓷片的受迫振动。当在蜂鸣片的两端施加极性不同的电压时,由于压电陶瓷片的逆压电效应,就会产生伸展和收缩的来回横向变形,从而带动金属基片上下弯曲振动。电压大小不同,压电陶瓷片的形变也不同,进而导致金属基片的弯曲幅度也不同。当施加不断变化的交流电压时,金属基片就会周期性地上下弯曲,带动周围的气流振动产生声波。
2、蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,由于发音较洪亮,被广泛应用于石英钟(包括指针式和液晶式)内部,主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电式蜂鸣片、阻抗匹配器、共鸣箱和外壳组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成,当接通电源后,它就会起振输出1.5~4.0kHz的音频信号,通过阻抗匹配器升压推动压电式蜂鸣片发声,共鸣箱将声波增强。
电磁式蜂鸣器由多谐振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片和外壳组成。接通电源后,多谐振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈使得其产生磁场,振动膜片在电磁线圈和磁铁的共同作用下周期性地振动发声。
3、机械闹铃
机械手表的闹时系统包括:闹时原动机构、传动轮系、振动调速器、闹时控制杠杆、闹锤和对闹机构等。闹时系统通过对闹机构能在预先设定的时刻到来时控制振动调速机构打闹。
带闹铃功能的机械手表一般都有两个手表把的,一个用于控制走时,另一个用于控制闹时。这种机械表内部存在两个上条盒,一个为控制走时的发条盒,另一个为控制闹铃的闹条盒。同时,在手表的表盘上还有一根指示闹时时刻的闹针。当上紧闹条后,一旦手表走时到了预先设置的闹时时刻,手表就会起闹。
要做压电蜂鸣器首先要制作蜂鸣片,蜂鸣片一般是铜片钢片,再贴上一层陶瓷片,在陶瓷片上印上一层银浆,通过烘干极化达到一定的频率标准,
最近市面上采用屏幕发声的全面屏手机越来越多,比如早些时候的小米MIX、vivo NEX和最近的华为P30 Pro。采用屏幕发生是因为传统受话器(手机听筒)在屏幕顶部占位不少。要想减少屏幕顶部边框范围,就必须要缩小屏幕顶部开孔。
一、悬臂梁式压电陶瓷方案(驱动屏幕中框发声)
首先我们说说早先出现在小米MIX上的悬臂梁式压电陶瓷方案。这个方案在夏普AQUOS Crystal手机上首先使用。
多层压电陶瓷片附着在金属薄片,称作振动膜。给振动膜加交替变化的电压,会随着电压的变化而不停的上下弯曲驱动负载结构振动发声。
当时小米将巨大的悬臂梁式压电陶瓷固定在了金属的手机中框上,通过接电话时手机与人体接触传递声波震动。
二、屏幕激励器方案(通过驱动屏幕震动发声)
对此,我们需要一个能产生更明确声音指向性的方案,屏幕激励器方案能够满足这个要求,什么是屏幕激励器方案?很简单,将震动机械能直接传输到屏幕,让屏幕代替传统扬声器振膜即可。
我们可以清楚的看到华为P30 Pro的震动单元上的线圈,这与动圈式扬声器的驱动原理相同。当震动由屏幕向外界传播的时候,声音就有了一定的指向性,虽然私密性仍然很难达到传统扬声器的效果,但相比之前整个手机中框都在发声还是有了不少的提升。