Что такое пьезодинамик и как он работает. Каковы основные области применения пьезоизлучателей. Какие преимущества имеют пьезозуммеры перед другими типами звуковых излучателей. Как устроен пьезодинамик и от чего зависят его характеристики.
Что такое пьезодинамик и принцип его работы
Пьезодинамик (пьезоизлучатель, пьезозуммер) — это электроакустическое устройство, преобразующее электрические колебания в звуковые волны. Принцип его работы основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте, открытом братьями Кюри в 1880 году.
Как работает пьезодинамик? При подаче переменного электрического напряжения на пьезоэлемент, он начинает деформироваться — растягиваться и сжиматься с частотой приложенного сигнала. Эти механические колебания пьезоэлемента преобразуются в звуковые волны, воспринимаемые человеческим ухом.
Основные компоненты пьезодинамика:
- Пьезоэлемент (обычно диск из пьезокерамики)
- Металлическая мембрана (диафрагма)
- Корпус
- Выводы для подключения
Пьезоэлемент жестко соединен с тонкой металлической мембраной. При деформации пьезоэлемента под действием электрического поля, мембрана изгибается, создавая звуковые колебания воздуха.
Преимущества пьезодинамиков перед другими излучателями звука
Пьезодинамики имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с электромагнитными и электродинамическими излучателями звука:
- Простая конструкция и низкая стоимость
- Малые габариты и вес
- Высокий КПД (до 90%)
- Низкое энергопотребление
- Широкий диапазон рабочих напряжений (3-250 В)
- Высокая надежность
- Возможность получения высокого уровня звукового давления
Благодаря этим преимуществам пьезодинамики нашли широкое применение в различных областях техники, особенно в портативных устройствах с батарейным питанием.
Основные области применения пьезодинамиков
Пьезоэлектрические излучатели звука используются во многих сферах, где требуется компактный и экономичный источник звуковых сигналов:
- Устройства сигнализации и оповещения
- Автомобильная электроника
- Бытовая техника (таймеры, стиральные машины и др.)
- Компьютерная техника
- Мобильные телефоны
- Игрушки и электронные игры
- Музыкальные инструменты
- Медицинское оборудование
Широкий спектр применения обусловлен возможностью создания пьезодинамиков с различными характеристиками — от простых монотонных зуммеров до многотональных излучателей со сложными звуковыми сигналами.
Конструкция и варианты монтажа пьезодинамиков
Конструкция пьезодинамика во многом определяет его характеристики, такие как резонансная частота, уровень звукового давления и стабильность параметров. Рассмотрим основные варианты монтажа пьезоэлемента:
1. Узловое опорное крепление
2. Крепление с зажатым краем
В этом варианте пьезоэлемент жестко закрепляется по периферии. Это позволяет всей поверхности элемента колебаться в фазе, но снижает амплитуду колебаний из-за большего взаимодействия с корпусом. Такой монтаж обеспечивает более стабильные характеристики, но требует прочного корпуса.
3. Крепление на гибкой кромке
При этом способе монтажа пьезоэлемент крепится к корпусу через гибкий материал, например, резину. Это позволяет получить хорошие характеристики сигнала при более низкой резонансной частоте. Однако требуется тщательная настройка конструкции для эффективной работы.
Выбор варианта монтажа зависит от конкретного применения и требуемых характеристик пьезодинамика.
Характеристики пьезодинамиков и факторы, влияющие на них
Основные характеристики пьезодинамиков включают:
- Резонансная частота
- Уровень звукового давления
- Диапазон рабочих частот
- Диапазон рабочих напряжений
- Потребляемый ток
На эти характеристики влияют следующие факторы:
1. Размеры и форма пьезоэлемента
Резонансная частота обратно пропорциональна квадрату радиуса пьезоэлемента и прямо пропорциональна его толщине. Чем больше диаметр элемента, тем ниже резонансная частота.
2. Материал пьезоэлемента
Свойства пьезокерамики (модуль Юнга, плотность, пьезоэлектрические коэффициенты) напрямую влияют на характеристики излучателя.
3. Конструкция и способ монтажа
Как было рассмотрено выше, вариант монтажа существенно влияет на резонансную частоту и эффективность излучения звука.
4. Электрическая схема возбуждения
Тип и параметры сигнала возбуждения определяют спектр излучаемого звука и потребляемую мощность.
Управление пьезодинамиком в микроконтроллерных системах
В современных электронных устройствах пьезодинамики часто управляются микроконтроллерами. Рассмотрим пример управления пьезоизлучателем с помощью популярной платформы Arduino:
Подключение пьезодинамика к Arduino
Пьезоизлучатель подключается одним выводом к цифровому выходу Arduino, а вторым — к общему проводу (GND).
Программное управление
Для генерации звука используется функция tone(), которая создает меандр заданной частоты на указанном выводе. Синтаксис функции:
tone(pin, frequency, duration);где:
- pin — номер вывода Arduino
- frequency — частота сигнала в герцах
- duration — продолжительность звучания в миллисекундах (необязательный параметр)
Пример программы для воспроизведения простой мелодии:
const int buzzerPin = 9;
void setup() {
pinMode(buzzerPin, OUTPUT);
}
void loop() {
// Проигрываем ноты До, Ре, Ми
tone(buzzerPin, 262, 500); // До
delay(600);
tone(buzzerPin, 294, 500); // Ре
delay(600);
tone(buzzerPin, 330, 500); // Ми
delay(600);
delay(1000); // Пауза перед повтором
}
Эта программа последовательно воспроизводит ноты До, Ре и Ми с паузами между ними, а затем повторяет мелодию.
Перспективы развития пьезоэлектрических излучателей звука
Несмотря на то, что пьезодинамики уже давно и широко используются, исследования в этой области продолжаются. Основные направления развития включают:
- Разработку новых пьезоэлектрических материалов с улучшенными характеристиками
- Совершенствование конструкций для повышения эффективности и расширения частотного диапазона
- Создание интеллектуальных пьезоизлучателей с встроенными схемами управления и самодиагностики
- Применение пьезодинамиков в новых областях, таких как микрофлюидика и биомедицинские устройства
Эти разработки позволят создавать еще более эффективные и функциональные пьезоэлектрические излучатели звука для широкого спектра применений.
Пьезоизлучатели — Продукция | АПК Интернэшнл
- большое разнообразие доступных размеров / частот / звуковых выходов:
— автоколебательные зуммеры с генераторами сигналов
— зуммеры без генераторов сигналов
— многотональные звуковые генераторы/сирены - низкая стоимость/высокий уровень звука
- можно монтировать в печатные платы
- конкурентоспособные цены
- быстрая доставка
Типичные области применения пьезозуммера
- устройства сигнализации/предупреждения/автомобильные сигнализации
- средства отпугивания вредителей
- компьютерные устройства
- телефоны
- игрушки/игры
Стандартные пьезоэлектрические зуммеры
Другие устройства доступны по запросу.
Для получения схем определенного зуммера щелкните «вывод» или «вывод» в разделе «Клеммы».
| АПКИ 9 (мм) | Минимум Звук Давление Уровень (дБ) | Резонанс Частота (кГц) | Рабочее Напряжение (В постоянного тока) | Макс. Номинальный Ток (мА) | Клеммы | |||||
| 30-1275 | КПИ-1410 | 13,8 | 7,5 | 910,5 | 85** | 4,5±0,5 | 3~30 | 15 хх | свинец | Спецификация |
| 30-1285 | КПИ-2610 | 23 | 9,8 | 85** | 3,5±0,5 | 3~24 | 10 хх | штифт | Спецификация | |
| 30-1255 | КПТ-1410 | 14 | 6,5 | 80*** | 4,0 А ± 0,5 | 30 Впик-пик x | 3 хх | штифт | Спецификация | |
| Пользовательский | Пользовательский | Значения должны быть определены заказчиком и APC International | ||||||||
Номинальное напряжение: 12 В пост.
тока (KPT-1410: прямоугольная волна 12 Впик-пик) 9Исключение вкладок; 27,5 ±0,5 с выступами (от центра до центра)
Что такое пьезозуммер?
Проще говоря, пьезозуммер — это тип электронного устройства, которое используется для подачи сигнала, сигнала тревоги или звука. Он легкий, имеет простую конструкцию и, как правило, является недорогим продуктом. Но в то же время, в зависимости от технических характеристик пьезокерамического зуммера, он также надежен и может быть изготовлен в широком диапазоне размеров, которые работают на разных частотах для создания различных звуковых выходов.
Например, компания APC International, Ltd. предлагает пьезозуммеры без генераторов сигналов, автоколебательные зуммеры с генераторами сигналов и даже многотональные звуковые генераторы, которые часто используются в сигнализациях и сиренах. Независимо от того, какую модель вы выберете, наши пьезозуммеры обеспечивают высокую громкость звука. Кроме того, поскольку их можно монтировать на печатные платы, они очень полезны в самых разных приложениях и сборках.
Несмотря на различные методы изготовления, влияющие на стоимость пьезоизлучателей, все наши цены очень конкурентоспособны. Кроме того, благодаря современному производственному оборудованию, сроки поставки являются одними из самых быстрых в отрасли.
Использование пьезокерамического зуммера было открыто благодаря обращению принципа пьезоэлектричества, открытого Жаком и Пьером Кюри еще в 1880 году. тоже было правдой.
Таким образом, когда определенные пьезоэлектрические материалы подвергаются воздействию переменного электрического поля, элемент пьезозуммера — часто искусственный пьезокерамический материал — растягивается и сжимается в последовательности с частотой тока. В результате он издает слышимый звук.
В отличие от магнитных зуммеров, которые имеют узкое рабочее напряжение от одного до 16 вольт, пьезозуммеры обычно могут работать от трех до 250 вольт.
Кроме того, магнитные зуммеры имеют более высокое энергопотребление от 30 до 100 миллиампер, в то время как пьезозуммеры обычно потребляют менее 30 миллиампер — даже на более высоких частотах. И хотя пьезозуммеры занимают большую площадь, чем магнитные, они производят более высокий уровень звукового давления.
Благодаря надежности и гибкости пьезоэлектрических вибрационных пластин для воспроизведения звуковых сигналов — от монотонного жужжания и сигналов тревоги до многотональных сигналов и мелодий — их применение в небольших узлах с высокой плотностью очень широко. Более того: низкое энергопотребление делает их идеальными для многих устройств с батарейным питанием.
Обладая такими характеристиками, пьезоизлучатели регулярно используются в сигнализациях, сигнализаторах и автомобильных оповещениях. Кроме того, поскольку они могут производить широкий спектр звуковых сигналов, они также используются в устройствах для отпугивания вредителей.
А в области бытовой электроники некоторые из их самых популярных приложений включают звуковые генераторы в компьютерах, телефонах, игрушках и играх — и это лишь некоторые из них.
Звуковые преобразователи
Простые, компактные и надежные пьезоэлектрические звуковые преобразователи, также называемые тональными генераторами или зуммерами, могут обеспечивать высокий уровень звука при небольшом (милливаттном) входе энергии. Издаваемые звуки варьируются от тихого гудения до резких сигналов тревоги. Эти устройства хорошо подходят для использования в портативном оборудовании с батарейным питанием и используются в самых разных продуктах, включая таймеры, дымовые извещатели, игры, телефонные звонки, металлодетекторы, часы, автомобильные сигнализации и многие другие.
Рабочий компонент большинства звуковых преобразователей представляет собой тонкий диск из пьезоэлектрической керамики, соединенный с такой же тонкой металлической диафрагмой. Когда на керамический диск подается напряжение, диск деформируется, вызывая изгиб металлической диафрагмы.
Когда подается повторяющееся напряжение, керамический/металлический изгибающийся элемент вибрирует с частотой приложенного напряжения и издает слышимый звук. Если частота механического резонанса керамического/металлического элемента и частота подаваемого электрического сигнала совпадают, амплитуда колебаний будет наибольшей, а выходной звук будет максимальным. (Резонансная частота одного керамического элемента слишком высока для воспроизведения слышимого звука, поэтому необходима металлическая диафрагма.)
Конструкция пьезокерамического зуммера сильно влияет на уровень издаваемого им звука и на стоимость устройства. Узловая опорная установка сводит к минимуму механическое ограничение движения звукоизвлекающего механизма, благодаря чему амплитуда колебаний максимально высока. С другой стороны, сигнал, исходящий из-за узлового кольца, будет находиться в противофазе с сигналом из центральной части элемента и может уменьшить выход звука. Чтобы предотвратить эти помехи, корпус должен поглощать весь выходной сигнал с периферии элемента.
Варианты монтажа звуковых преобразователей
При монтаже с зажимом вся поверхность гибкого элемента может вибрировать в фазе. По сравнению с узловой опорой большее взаимодействие звукоизлучающего элемента с корпусом снижает амплитуду колебаний. Кроме того, различия в зажиме для разных устройств могут повлиять на однородность характеристик продукта, и обычно требуется более прочный корпус для удержания элемента.
При креплении на гибкую кромку гибкий элемент фиксируется гибким материалом, например резиной. Это обеспечивает превосходные характеристики сигнала при частоте резонанса вдвое меньше, чем у того же элемента в одном из других вариантов монтажа. Однако, опять же, тщательная конструкция устройства имеет решающее значение для эффективной работы.
Резонансная частота
Резонансная частота fr для изгибаемого элемента керамического диска/металлической диафрагмы в звуковом преобразователе может быть определена по уравнению 5.
1:
Уравнение 5.1
ƒ R = (0,412H / R Диск 2 ) (√ (y / ρ [1-σ E2 ]))
191878788888888813813 8938 893888888 8938888888 гг. (толщина керамического / металлического гибочного оборудования
r диск = радиус керамического / металлического связующего элемента
Y = модуль Юнга*
ρ = плотность керамического материала (кг/м 3
σ E = коэффициент Пуассона**
* отношение напряжения, приложенного к растянутому, Y= (сила / площадь элемента) / (изменение высоты элемента / исходная высота элемента)
** сжимаемость; σ E = s E 12 / s E 11 где s E = упругая податливость (поперечная деформация сжатия / продольная деформация расширения) в постоянном поле.
Если предположить, что излучающий звук керамический/металлический изгибающийся элемент представляет собой однородную единицу, то резонансная частота пропорциональна общей высоте керамического диска и металлической диафрагмы (h) и обратно пропорциональна квадрату радиуса гибочный элемент (rdisk):
Уравнение 5.
2
ƒ = (α) (H / R Диск 2 )
, где
α = 0,412 (√ (Y / ρ 1-σ α) (√ y / ρ 1-σ α) (y / ρ [1-σ ) α = 0,412 (y / ρ [1-σ ) α) (y / ρ [1-σ ) α) (y / ρ [1-σ ) α). Для любой перовскитной пьезоэлектрической керамики σ E приблизительно равно 0,3 (1), поэтому α становится: 0,412 (√(Y / 0,91ρ)) На рис. 5.2 показана электрическая схема, эквивалентная звуковому преобразователю. Rm, Lm и Cm выражают механический резонанс звукопроизводящего механизма, fr : Co = (емкость керамического элемента ниже резонансной частоты) – (см) Cm = емкость механической цепи Lm = индуктивность механической цепи Rm = сопротивление, вызванное механическими потерями Уравнение 5.3 ƒ= 1 /(2π) (√ L м C м ) где L механическая индуктивность цепи = 0032 C m = емкость механической цепи Способ изготовления пьезозуммера влияет на резонансную частоту и уровень звука, издаваемого устройством, на степень вариации продукции от устройства к устройству, условия, в которых может использоваться устройство, и на стоимость устройство. При краевом креплении гибкий элемент крепится к корпусу по его периферии. Монтаж на гибкой кромке аналогичен монтажу на защемленной кромке, за исключением того, что в конструкции с гибкой кромкой гибкий элемент не фиксируется жестко в корпусе, а удерживается гибким материалом, например резиной. Гибкое ограничение допускает угловые движения на периферии гибкого элемента, что обеспечивает отличные характеристики сигнала. Четвертый вариант — поддержка диска по центру — возможен, но его конструкция сложна в исполнении, а звуковое давление при этом варианте будет самым низким. Заполните нашу контактную форму, запросите расценки или позвоните нам по телефону (570) 726-6961 для получения дополнительной информации о пьезоизлучателях. 2 июня 2017 г. evive имеет встроенный пьезозуммер, который представляет собой электронное устройство, обычно используемое для воспроизведения звука или тона. Теория пьезозуммера: Чтобы генерировать электрический сигнал от evive для управления evive, мы используем функцию tone(). Он генерирует прямоугольную волну определенной частоты с рабочим циклом 50% на цифровом выводе 46. Диапазон частот от 31 Гц до 65535 Гц. Синтаксис: Параметры: Чтобы проиллюстрировать использование пьезозуммера, см. следующий код: Воспроизведение тона на () блока ноты () и доли () используется для воспроизведения звука на звуковом сигнале evive. В evive есть встроенный зуммер, подключенный к цифровому контакту 46. По умолчанию этот контакт выбран. Этот блок можно использовать как в режиме Arduino, так и в режиме Scratch. Воспроизведение звука с помощью сенсорных пинов в режиме Scratch. Поделиться документацией Поделиться на facebook Facebook Поделиться в Твиттере Твиттер Поделиться на Pinterest Pinterest Поделиться на Reddit Reddit Поделиться в печати Печать Связанные учебные пособия и проекты В этом туториале обсуждается, что такое пьезозуммер, встроенный зуммер evive, как им управлять в PictoBlox с помощью простой программы в режиме Stage.
На рис. 5.3 показаны три альтернативных варианта конструкции зуммера. При узловом опорном креплении изгибающий элемент зажимается в корпусе вокруг узлового кольца — кольца примерно на 2/3 расстояния от центра элемента до периферии элемента, вокруг которого отсутствует вибрация при креплении элемента стимулируется. Такой вариант крепления сводит к минимуму механическое ограничение движения звукоизвлекающего механизма, поэтому амплитуда колебаний самая высокая. С другой стороны, сигнал, исходящий из внешней части элемента за узловым кольцом, будет находиться в противофазе с сигналом из центральной части элемента, что может вызвать помехи и снизить выходной звук. Для предотвращения помех корпус, в котором установлен зуммер, должен поглощать весь выходной сигнал внешней части элемента. Предполагая, что потенциальные помехи сведены к нулю, установка узловой опоры является лучшим выбором для автономных приложений с высокой выходной мощностью.
Это позволяет всей поверхности элемента, за исключением узкой полосы вокруг условий, частота вибрации гибкого элемента в креплении с защемленным краем была бы примерно такой же, как у центральной части гибкого элемента, если бы элемент устанавливались в узловую опору крепления. Однако по сравнению с узловой опорной конструкцией большее взаимодействие между излучающим звук элементом и корпусом снижает механическую добротность элемента и, следовательно, амплитуду колебаний ниже. Кроме того, различия в зажиме от единицы к единице могут повлиять на однородность характеристик продукта, и обычно требуется более прочный корпус для удержания элемента.
Частота механического резонанса для гибкого элемента в гибком краевом креплении вдвое меньше, чем для того же элемента в узловом опорном креплении или в защемленном краевом креплении. Однако, как и при монтаже с зажимом на кромке, тщательная конструкция устройства имеет решающее значение для его эффективной работы. Гибкий краевой монтаж используется с наибольшим преимуществом за счет включения его в систему, управляемую внешней схемой привода. Пьезозуммер — STEMpedia
Пьезоизлучатель подключен к цифровому выводу 46 Arduino Mega и управляется с помощью ШИМ.
Пьезозуммер основан на обратном принципе пьезоэлектричества, открытом в 1880 году Жаком и Пьером Кюри. Это явления генерации электричества при механическом давлении на определенные материалы. Обратное также верно. Такие материалы называются пьезоэлектрическими материалами. Пьезокерамика — это класс искусственных материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом и широко используемых для изготовления диска, сердцевины пьезоизлучателя. Под действием переменного электрического поля они растягиваются или сжимаются в соответствии с частотой сигнала, производя звук. 
Можно указать продолжительность, в противном случае волна продолжается до вызова noTone(). Одновременно может быть сгенерирован только один тон. Если тон уже воспроизводится на другом выводе, вызов tone() не будет иметь никакого эффекта. Если тон воспроизводится на том же контакте, вызов установит его частоту. ТОН (PIN, частота) ТОН (PIN, частота, продолжительность) Пример
Как управлять пьезозуммером в PictoBlox (Scratch)
Когда он выполняется, он воспроизводит тон указанной частоты/ноты в течение определенной продолжительности/такта. Нота и доля могут быть выбраны из выпадающего меню. Кроме того, пользователь может ввести конкретную частоту и продолжительность (в миллисекундах). Пример
Как управлять зуммером evive в PictoBlox
