关于压电陶瓷振动板的运作和构造

压电声音元件需要放入压电振动板。这是由已形成电极的压电陶瓷与黄铜、镍等金属板粘合而成的简单构造。如下图所示:

不管是压电陶瓷振动片还是传感器在某宝上均可以轻松找到,它们的实物通常长这样:

上图中的传感器模块可以输出振动的模拟信号,其部分参数如下:

  • 工作电压 :3.3V或5V
  • 工作电流 :<1mA
  • 工作温度范围:-10℃~+70℃
  • 接口类型:模拟信号输出
  • 尺寸大小:30mm x 23mm
  • 重量大小:5g
  • 引脚定义:S信号输出、+电源(VCC)、-接地(GND)
  • Input:压电陶瓷片的正极
  • Gnd:压电陶瓷片的负极 
  • S 端口接到控制器的模拟输入脚。5V 和 GND 分别接到电源的 +5V 和 GND 。Input 和 Gnd 购买时连接好压电陶瓷片的正负极。

压电振动板的发声机理

向压电振动板施加电压,压电陶瓷会拉升,但粘合的金属板不会伸缩而是弯曲(图 a)。施以反向电压,就会向相反方向弯曲(图 b)。
输入电压方向相互变化的信号,就会反复出现 a 和 b 的交替状态,产生声波(图 c)。

有些压电振动板有外壳,利用外壳的共鸣效果,可以发出较大的声音。振动板共振频率与外壳内的共鸣频率接近的话,声压可以提高10~20dB,如下图所示:

资料来源:https://www.murata.com/zh-cn/products/sound/library/basic/mechanism

延伸阅读:压电陶瓷——信息时代的新型材料

这是一篇2002年的文章,内容可能过时,但仍然是一篇不错的科普文章。文章来源:https://www.cas.cn/zt/jzt/kpzt/hxyxcl/200206/t20020618_2665972.shtml 作者: 上海硅酸盐研究所助理工程师 盛成 研实员 申如香

什么是压电陶瓷呢?其实它是一能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。所谓压电效应是指某些介质在受到机械压力时,哪怕这种压力微小得像声波振动那样小,都会产生压缩或伸长等形状变化,引起介质表面带电,这是正压电效应。反之,施加激励电场,介质将产生机械变形,称逆压电效应。

1880年法国人居里兄弟发现了”压电效应”。1942年,第一个压电陶瓷材料–钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。1947年,钛酸钡拾音器–第一个压电陶瓷器件诞生了。50年代初,又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料–锆钛酸铅研制成功。从此,压电陶瓷的发展进入了新的阶段。60年代到70年代,压电陶瓷不断改进,逐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷,以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异,制造简单,成本低廉,应用广泛。

利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性,可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。用两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代普通的火石,可以制成一种可连续打火几万次的气体电子打火机。用压电陶瓷把电能转换成超声振动,可以用来探寻水下鱼群的位置和形状,对金属进行无损探伤,以及超声清洗、超声医疗,还可以做成各种超声切割器、焊接装置及烙铁,对塑料甚至金属进行加工。

压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动,并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性,可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。

如今压电陶瓷已经被科学家应用到国防建设、科学研究、工业生产以及和人民生活密切相关的许多领域中,成为信息时代的多面手。

在航天领域,压电陶瓷制作的压电陀螺,是在太空中飞行的航天器、人造卫星的”舵”。依靠”舵”,航天器和人造卫星,才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺,寿命短,精度差,灵敏度也低,不能很好满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高,可靠性好。

在潜入深海的潜艇上,都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备,也是开发海洋资源的有力工具,它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中,有一双明亮的”眼睛”–压电陶瓷水声换能器。当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号,这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收,于是,就发现了目标。目前,压电陶瓷是制作水声换能器的最佳材料之一。

在医学上,医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位,通电后发出超声波,传到人体碰到人体的组织后产生回波,然后把这回波接收下来,显示在荧光屏上,医生便能了解人体内部状况。

在工业上,地质探测仪里有压电陶瓷元件,用它可以判断地层的地质状况,查明地下矿藏。还有电视机里的变压器–电压陶瓷变压器,它体积变小、重量减轻,效率可达60%~80%,能耐住3万伏的高压,使电压保持稳定,完全消除了电视图象模糊变形的缺陷。现在国外生产的电视机大都采用了压电陶瓷变压器。一只15英寸的显像管,使用75毫米长的压电陶瓷变压器就行了。这样就使电视机体积变小、重量减轻了。

压电陶瓷也广泛用于日常生活中。用了两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代了普通的火石制成的气体电子打火机,可连续打火几万次。利用同一原理制成的电子点火枪是点燃煤气炉极好的用具。还有一种用压电陶瓷元件制作的儿童玩具,比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器,玩具都会发出逼真有趣的声音。

随着高新技术的发展,压电陶瓷的应用必将越来越广阔。除了用于高科技领域,它更多的是在日常生活中为人们眼务,为人们创造更美好的生活。

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