Пьезодинамик

Пьезоэлектрический излучатель (пьезодинамик) – это электроакустический прибор, способный воспроизводить звуковые волны благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту (от греч. piézō – давлю).

Из чего состоит пьезодинамик

Пьезодинамик состоит из слоя пьезоэлектрика (или нескольких слоев), который нанесен на металлическую пластину (мембрану) толщиной до 1.5мм. Пьезоэлектрик изготовлен из диэлектрических материалов, которые обладают свойством пьезоэффекта. Один из таких материалов – цирконат-титонат свинца. Наружная сторона пьезоэлектрика покрывается токопроводящим напылением.

Металлическая пластина и напыление являются контактными выводами пьезодинамика. К ним подводится питание с помощью проводов или контактных групп.

Для усиления звукоизлучающих свойств пьезодинамик могут помещать в корпус, который служит своего рода рупором. Корпус для пьезодинамика может быть пластиковый, керамический или металлический. Конфигурация в основном однотипна: углубление в корпусе, которое создает дополнительный резонанс и отверстие в центре – для выхода звуковых волн.

В некоторые модели дополняют диффузором или диафрагмой, которые напрямую связаны с мембраной и повторяют ее колебания. Могут быть добавлены элементы для крепежа и встроенные чипы.

Принцип работы

Прямой пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Заключается он в поляризации пьезоэлектрика при механическом воздействии на него и деформации. Спустя год был доказан и обратный эффект.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в механической деформации пьезоэлектрика под воздействием электрического поля.

При подаче напряжения на пьезодинамик, слой пьезоэлектрика деформируется, то уменьшая, то увеличивая расстояние до мембраны. Таким образом создается эффект конденсатора, где между двумя обкладками накапливается электрический заряд. В момент зарядки и разрядки он излучает звуковую волну.

При подключении пьезодинамика к чувствительным микроконтроллерам, не забывайте, что в случае механической деформации пьезодинамика (удар, падение), вы вызовите прямой эффект. После удара ток поступает по цепи к контроллеру, который может вывести его из строя. В таких случаях ограничивайте ток сопротивлением по входу пьезодинамика.

Применение пьезодинамиков

Звуковое оповещение – самая элементарная функция пьезодинамика. Это свойство применяют в производстве бытовой техники. Например, стиральная машина, по окончанию стирки, заиграет веселую мелодию, компьютер при включении информирует о состоянии всех модулей коротким сигналом, будильник “пикает” в заданное время.

Второе применение пьезодинамика – в аудиоустройствах. К примеру, вместо электродинамического высокочастотного динамика, на музыкальных акустических системах может быть установлен пьезодинамик. Также пьезодинамики используют в изготовлении мобильных телефонов.

Производство более гибких пьезоэлектриков и увеличение их толщины на мембране, позволили использовать их также в качестве низкочастотных источников звука.

Системы оповещения не обходятся без пьезодинамиков – в условиях шумового фона они являются наилучшим решением передачи звука на большие расстояния.

Пьезодинамики стабильно работают при излучении высокочастотных звуковых волн, которые человеческое ухо не слышит (ультразвук). Современные пьезодинамики способны генерировать звуковые волны с частотой до 1000 МГц. Эта особенность позволяет применять их как в простых устройствах (например, для отпугивания насекомых), так и в сложном медицинском оборудовании.

Дефектоскопы

Медицинское оборудование для исследований (УЗИ)

Косметология

Ультразвуковые инструменты с пьезодинамиком применяются для безболезненной, глубокой очистки кожи.

Мощные пьезодинамики могут излучать звук с силой превышающей болевой порог – более 130дБ. Такие модели используют в промышленности. Один из способов применения – очистка крупногабаритных деталей от ржавчины и других загрязнений. Существуют и бытовые ультразвуковые ванны меньшей мощности, которые с легкостью уберут всё лишнее с поверхности предметов, например, украшений.

Музыкальная открытка – еще один пример применения, который все мы хорошо знаем.

Разновидности, обозначение

Пьезоэлектрические излучатели на схеме обозначаются так:

Вариант BF1 иногда называют телефонным капсюлем.

Символ внутри говорит о том, что элемент имеет пьезоэлектрический характер работы. Некоторые производители в своих схемах могут не указывать его. Обозначения представлены такими комбинациями букв: HA, HF, BA, BQ.

Сам по себе пьезодинамик не требует соблюдения строгой полярности при подключении, так как способен работать от переменного источника тока. Но звучать он будет по-разному: в зависимости от того, к какому из контактов подключается входной сигнал. Большинство производителей обозначают контакт входного сигнала знаком “+”.

Основной вариант подключения – мембрана (“-”), напыление (“+”). Но лучше сверяться со спецификациями производителя.

Максимальный результат излучения звуковых волн достигается за счет подачи на пьезодинамик входного сигнала по определенному графику. Тогда излучатель работает в режиме его резонансной частоты. Например, обычная пищалка в будильнике, как и множество других моделей пьезодинамиков, эффективно работают благодаря такому графику входного сигнала:

Многие производители устанавливают внутри корпуса пьезодинамика микроконтроллер, который и задает нужную частоту. В таком случае подключение требует строгого соблюдения полярности, а пьезодинамик может иметь более двух контактов.

Еще один представитель многоконтактных пьезодинамиков – трехконтактный с выводом сигнала обратной связи.

Третий контакт с малой площадью покрытия отправляет импульсы, образованные на гранях пьезоэлектрика при деформации, вызванной напряжением основного покрытия. Таким образом пьезодинамик отправляет информацию к детектору о том, что сработал. В роли детектора выступает транзистор или контроллер. С его помощью легко собрать звуковой генератор на одном транзисторе.

Подобная схема подключения использовалась в телефонных аппаратах аналогового типа, когда роль звонящего устройства выполнял динамик в трубке.

Маркировка

Современная маркировка пьезоэлектрических излучателей далека от общепринятых стандартов. Два прибора, с одинаковыми характеристиками разные производители могут маркировать по-разному.

Из основных характеристик пьезодинамика производители указывают:

• Рекомендуемое напряжение (В);
• Громкость (дБ);
• Резонансная частота (Гц);
• Ёмкость (Ф).

Амплитудно-частотная характеристика

Не на всех частотах пьезодинамик звучит с одинаковой силой. Это вызвано не слабым входным напряжением, а свойством пьезодинамика достигать максимального резонанса на определенных частотах звучания.