Mehanizem zvoka piezoelektričnega brenčanja

Piezoelektrični zvočniki se pogosto uporabljajo v različnih elektronskih napravah, kot so alarmi, časovniki in elektronske igrače. So priljubljena izbira zaradi svoje kompaktne velikosti, nizke porabe energije in visoke zanesljivosti. V tem članku bomo raziskali mehanizem, ki stoji za generacijo zvoka v piezoelektričnih brenčajih.

Uvod

Piezoelektrični zvočniki so naprave, ki pretvorijo električno energijo v mehanske vibracije, ki posledično ustvarjajo zvočne valove. Zmore, sestavljene iz piezoelektričnega keramičnega diska, ki je zasut med dvema kovinskima elektrodama. Ko se na elektrode nanese izmenična napetost, disk vibrira in ustvarja zvočne valove.

Piezoelektrični  učinek

Piezoelektrični učinek je sposobnost nekaterih materialov, da ustvarijo električni naboj kot odgovor na mehanski stres in obratno. Piezoelektrični materiali imajo kristalno strukturo, ki je zelo urejena in simetrična. Ko je material izpostavljen mehanski sili, je simetrija kristalne rešetke motena, kar ima za posledico nastajanje električnega naboja.

Delovno načelo piezoelektričnih zvočnikov

Piezoelektrični zvočniki so sestavljeni iz piezoelektričnega keramičnega diska, ki je nameščen na kovinski plošči. Kovinska plošča deluje kot diafragma, ki poveča vibracije, ki jih ustvari piezoelektrični disk. Ko se na elektrode nanese izmenična napetost, se piezoelektrični disk hitro razširi in se hitro krči, zaradi česar kovinska plošča vibrira. Ta vibracija ustvarja zvočne valove, ki jih ojačajo z diafragmo in sevajo v okoliški zrak.

Frekvenca in amplituda

Frekvenca in amplituda zvoka, ki ga ustvari piezoelektrični brenčanje, sta odvisna od velikosti in oblike keramičnega diska, pa tudi od frekvence in amplitude izmenične napetosti, ki se nanašajo na elektrode. Na splošno manjši keramični diski proizvajajo višje frekvence, medtem ko večji diski proizvajajo nižje frekvence. Podobno višje napetosti povzročajo večje amplitude, kar ima za posledico glasnejše zvoke.

Vrste piezoelektričnih zvočnikov

Obstajata dve glavni vrsti piezoelektričnih zvočnikov: samostojni in zunanji poganjani. Samozavezni zvočniki imajo vgrajen oscilator, ki ustvarja izmenično napetost, potrebno za pogon piezoelektričnega diska. Zunanje gnani zvočniki potrebujejo zunanji oscilator, ki zagotavlja izmenično napetost.

Uporaba piezoelektričnih zvočnikov

Piezoelektrični zvočniki se uporabljajo v številnih aplikacijah, vključno z:

• Alarmi in časovniki

• Elektronske igrače

• Avtomobilski opozorilni sistemi

• Medicinske pripomočke

• Domači aparati

  
  

Prednosti piezoelektričnih zvočnikov

Piezoelektrični zvočniki ponujajo več prednosti pred drugimi vrstami zvočnih generatorjev, vključno z:

• Kompaktna velikost

• Nizka poraba energije

• Velika zanesljivost

• Širok delovni temperaturni razpon

• Nizke elektromagnetne motnje

  
  

Slabosti piezoelektričnih zvočnikov

Kljub številnim prednostim imajo piezoelektrični zvočniki tudi nekaj pomanjkljivosti, vključno z:

• Omejeno frekvenčno območje

• Omejena raven zvočnega tlaka

• Slaba kakovost zvoka

  
  

Zaključek

Piezoelektrični zvočniki so vsestranske naprave, ki se uporabljajo v širokem razponu elektronskih aplikacij. Mehanizem njihovega delovanja temelji na piezoelektričnem učinku, ki nekaterim materialom omogoča pretvorbo električne energije v mehanske vibracije. Z razumevanjem načel, ki stojijo za piezoelektričnimi zvočniki, lahko oblikovalci za svojo aplikacijo izberejo pravo vrsto brenčanja in optimizirajo njegovo zmogljivost.

Struktura piezoelektrične diafragme

Piezoelektrični zvočni element mora imeti piezoelektrično membrano.

To je preprosta struktura, v kateri se piezoelektrična keramika drži na medenino ali nikljevo zlitinsko kovinsko ploščo.

Mehanizem ustvarjanja zvoka za piezo diafragme

Ko se na piezoelektrično keramiko nanese napetost, se razprostira v svoji ravnini. Ko se na piezoelektrično membrano nanese napetost, ker kovinska plošča ni raztegnjena, je upognjena, kot je prikazano v (a). Ko je polarnost uporabljene napetosti obrnjena, se piezoelektrična keramika skrči in kovinska plošča upognjena proti nasprotni strani, kot je prikazano v (b).

Ko se smer uporabljene napetosti spreminja, se stanja (a) in (b) ponavljajo in kot je prikazano v (c), se v zraku ustvarijo zvočni valovi.