Пьезоэлектрический динамик что это такое

Пьезодинамик

Пьезоизлучатель звука (англ. buzzer) переводит переменное напряжение в колебание мембраны, которая в свою очередь создаёт звуковую волну.

Иначе говоря, пьезодинамик — это конденсатор, который звучит при зарядке и разрядке.

Основные характеристики

Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяет громкость звука в зависимости от частоты управляющего сигнала, который и определяет высоту звучащей ноты.

Идеальная АЧХ — это прямая, т.е. одинаковая громкость вне зависимости от частоты. Но мир не идеален и разные виды излучателей имеют разные отклонения от идеала.

Подключение напрямую

Пьезодинамик потребляет всего пару мА, поэтому можно смело подключать его прямо к микроконтроллеру

Для звучания нужно подавать на динамик квадратную волну. Какой частоты будет волна, такой частоты будет и звук

Источник

TechADVISER

Как сделать правильный выбор и совершить удачную покупку. Советы покупателю

Излучатели звука. Типы и виды излучателей

Излучатели звука. Типы и виды излучателей

Излучатели звука (звукоизлучатели, громкоговорители, телефоны, драйверы) – технические устройства, предназначенные для возбуждения звуковых волн в различных средах путем преобразования электрического сигнала в энергию звукового поля.

На сегодняшний день создано много различных не похожих друг на друга излучателей звука, в виду чего, их принято делить на типы и виды. Иногда, делая покупку какой-либо аудиосисемы, интересно понять к какому типу и виду относятся содержащиеся в ней излучатели. Но как это сделать? Ведь об этом ничего не сказано в спецификациях.

В данной статье мы поговорим о том, как принято делить излучатели на типы и виды, какие типы и виды излучателей наиболее распространены, каковы особенности излучателей разных типов и видов, преимущества, недостатки и как по внешним признакам понять к какому типу и виду относится тот или иной излучатель.

ДЕЛЕНИЕ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НА ТИПЫ И ВИДЫ

На типы излучатели делятся в зависимости от принципа преобразования электрического сигнала в акустический.

На виды излучатели делятся в зависимости от конструктивных особенностей, наблюдающихся внутри типа.

КАКИЕ ТИПЫ И ВИДЫ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕНЫ?

Наиболее распространены следующие типы и виды (в скобках) звукоизлучателей:

Кроме вышеназванных типов и видов излучателей существуют и другие, менее традиционные.

КАКОВЫ ОСОБЕННОСТИ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РАЗНЫХ ТИПОВ И ВИДОВ, ПРЕИМУЩЕСТВА, НЕДОСТАТКИ И КАК ПО ВНЕШНИМ ПРИЗНАКАМ ПОНЯТЬ К КАКОМУ ТИПУ И ВИДУ ОТНОСИТСЯ ТОТ ИЛИ ИНОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ?

1. Электромагнитные излучатели звука

Рис. 1. Электромагнитные излучатели звука.

Электромагнитные излучатели (иногда их называют преобразователи с подвижным железом) как правило, используются в устройствах, которые формируют специальные сигналы, такие как гудок или звонок. Например, «пищалки» в компьютерной технике и кассовых аппаратах, в автомобильной и бытовой электронике. Так же, их можно встретить в трубках стационарных телефонных аппаратов и таксофонах, некоторых наушниках и гарнитурах (рис. 1).

Принцип действия электромагнитных излучателей основывается на физическом явлении возникновения колебаний ферромагнитной пластины под действием переменного магнитного поля, создаваемого магнитной системой.

Электромагнитные излучатели могут быть герметичные и негерметичные.

Негерметичные электромагнитные излучатели звука состоят из пластикового корпуса диаметром от 9,5 до 12 мм, находящейся внутри него магнитной системы, состоящей из постоянного магнита с надетыми на магнитопровод катушками и металлической диафрагмы, закрепленной на электромагните.

При подаче на надетые на магнитопровод катушки переменного тока, катушки и постоянный магнит будут создавать переменное магнитное поле, под действием которого, металлическая диафрагма будет совершать колебательные движения в такт переменным магнитным потокам, амплитуда которых будет пропорциональна амплитуде колебаний подаваемого на катушку сигнала звуковой частоты и будет излучать акустическую волну.

Электромагнитные излучатели звука могут подключаться к внешнему источнику сигнала или иметь встроенный генератор, вырабатывающий звуковой сигнал при подаче постоянного напряжения. Их электрическое соединение может быть трех типов: с помощью штырьков, с помощью гибких проводников и с помощью разъема. Диапазон рабочих температур составляет от —30, до +85 о С.

Основным преимуществом электромагнитных излучателей является способность воспроизводить низкие частоты в небольшом корпусе.

Недостатком конструкции является значительное рассеивание магнитного потока и малое значение магнитной индукции, механический износ конструкции, электрический шум, небольшой уровень выходного звукового давления и высокий потребляемый ток. Кроме того, электромагнитные излучатели не предоставляют такого широкого выбора типов звуков, как пьезоэлектрические устройства.

2. Электродинамические излучатели звука

Электродинамические излучатели звука (динамики) – самый распространенный тип излучателей. Они широко применяются в различной звуковоспроизводящей технике. Как в самой бюджетной, так и класса Hi-Fi и Hi-End.

Принцип действия электродинамических излучателей основывается на физическом явлении возникновения силы Лоренца в помещенном в постоянное магнитное поле проводнике в случае протекания через него электрического тока.

Внутри типа, в зависимости от конструктивных особенностей, электродинамические излучатели делятся на виды :

Катушечные электродинамические излучатели

Выше мы сказали, что электродинамические излучатели звука самый распространенный тип излучателей. Так вот, внутри типа электродинамические звукоизлучатели, катушечные звукоизлучатели – самый распространенный вид.

Рис. 2. Электродинамический звукоизлучатель (катушечный).

Такие звукоизлучатели можно встретить везде, во многих моделях самой разнообразной звуковоспроизводящей техники, от портативной, до стационарной, от потребительской, до специальной. Они имеют множество конструктивных решений, бывают разного размера, при их изготовлении применяются различные технологии и материалы, др.

Классический катушечный электродинамический звукоизлучатель (рис. 2) включает в себя следующие элементы:

Рис. 3. Катушечный звукоизлучатель (схема).

Корзина катушечного динамика одновременно является частью корпуса. К ней посредством гибкого подвеса прикреплен диффузор, к которому, в свою очередь, прикреплена находящейся в магнитном поле постоянного магнита во взвешенном состоянии катушка с гибкими выводами, на которые подается переменный ток (рис. 3).

При протекании через катушку электрического сигнала звуковой частоты, вокруг катушки создается магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В результате взаимодействия магнитных полей, катушка начинает совершать поршневые колебательные движения, амплитуда которых, пропорциональна амплитуде колебаний подаваемого на входе электрического сигнала звуковой частоты. Прикрепленный к катушке диффузор, соответственно, совершает такие же колебательные движения, как и катушка, передавая их воздуху. Колебания воздуха «рождают» слышимый ухом человека звук.

Катушечные динамики имеют множество недостатков и ограничений, но конструкция и технология их изготовления постоянно совершенствуется, что позволяет добиться от них очень высокого качества звука.

Электродинамические излучатели с уравновешенным якорем

Рис. 4. Электродинамический излучатель с уравновешенным якорем.

Электродинамические излучатели с уравновешенным якорем (англ. balanced armature) применяются достаточно ограничено. Сегодня их обычно можно встретить во внутриканальных наушниках и иногда в слуховых аппаратах.

Наушники, в которых используется излучатели данного вида, легко определить по внешнему виду. От прочих они отличаются более вытянутой формой корпуса (рис. 4).

Заглянув внутрь корпуса «арматурных» наушников, мы увидим там уравновешенный в магнитном поле постоянного магнита якорь (изготовленный из ферромагнитного сплава в виде U-образной пластины на одной стороне который надета катушка) и излучающую мембрану, соединенную с якорем посредством пинового передаточного механизма (рис. 5).

Рис. 5. Излучатель с уравновешенным якорем (схема).

При протекании через катушку электрического сигнала звуковой частоты, вокруг катушки создается магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита. В результате взаимодействия магнитных полей, та сторона якоря, на которую надета катушка, начинает совершать колебательные движения, напоминающие движения трамплина для прыжков в воду. Эти движения через пин, соединяющий якорь с мембраной, передаются на мембрану. Соответственно, мембрана совершает такие же колебательные движения, как и свободная сторона якоря, передавая их воздуху. Колебания воздуха «рождают» слышимый ухом человека звук, который выходит непосредственно из звуковода корпуса.

В настоящее время точность воспроизведения у «арматурных» наушников гораздо выше чем, например, у сопоставимого размера динамических наушников. Но они так же не лишены недостатков. Основной из них – это наблюдающийся на графике АЧХ значительный провал после 10 – 12 кГц.

Ленточные электродинамические излучатели

Ленточные электродинамические излучатели звука не так распространены, как катушечные, но в последние годы их популярность растет, и они все чаще находят применение в звуковоспроизводящей технике.

Как правило, ленточные динамики можно встретить в стационарной бытовой звуковоспроизводящей технике, но не только, так же эти динамики встречаются в студийной аппаратуре, в автомобильных Hi-End системах, др.

Рис. 6. Ленточный излучатель в качестве высокочастотного звена многополосной АС.

Рис. 7. Широкополосный ленточный электродинамический излучатель.

Обычно они выступают в качестве высокочастотного звена многополосных акустических систем и используются в сочетании с низкочастотными катушечными динамиками (рис 6). Реже выступают в качестве широкополосных компонентов стереопары (рис. 7).

Рис. 8. Ленточный электродинамический излучатель (схема).

Колебательным элементом ленточного динамика, передающим колебания звуковой частоты воздуху, является помещенная между полюсами постоянного магнита изготовленная из алюминиевой фольги ленточка. Так же, как и в случае с катушечным динамиком, в ленточном динамике колебания ленточки возникают в ходе взаимодействия магнитных полей – постоянного, создаваемого постоянным магнитом, и переменного, создающегося при протекании переменного тока через ленточку (рис. 8).

Благодаря своей легкости, ленточка получает достаточно большое смещение при малой величине подаваемого тока, что обуславливает высокую чувствительность таких излучателей (до 95 дБ). Кроме того, ленточным динамикам свойственен очень малый уровень нелинейных искажений, что обеспечивает высокое качество звука на всех, особенно на высоких, частотах.

Изодинамические излучатели

Изодинамические излучатели звука – еще один вид электродинамических излучателей.

Рис. 9. Изодинамический излучатель (схема).

Колебательным элементом изодинамика, передающим колебания звуковой частоты воздуху, является тонкая (порядка 8-10 мкм) полимерная (майларовая) мембрана с нанесенными на ней в форме меандра токопроводящими дорожками заключенная между двумя перфорированными пластинами, на которые установлены стержневые магниты (рис. 9).

В изодинамике колебания майларовой мембраны возникают в ходе взаимодействия магнитных полей – постоянного, создаваемого стержневыми магнитами, и переменного, создающегося при протекании переменного тока по токопроводяшим дорожкам. За счет перфорации магнитная решетка является акустически прозрачной и звуковая волна практически беспрепятственно распространяется в окружающее пространство.

В настоящее время выпускаются в основном ВЧ и ВЧ+СЧ изодинамические излучатели (рис. 10). Широкополосные изодинамические излучатели встречаются реже – применяются они, как правило, в наушниках (рис. 11).

В многополосных акустических системах изодинамики ВЧ+СЧ-диапазона чаще всего комбинируются с динамиками других видов, например, с катушечными динамиками (рис. 12), но не всегда – существуют и такие многополосные акустические системы, которые полностью построены на изодинамиках.

Рис. 10. Изодинамический излучатель ВЧ+СЧ диапазона.

Рис. 11. Широкополосный изодинамический излучатель в наушниках.

Рис. 12. Многополосная АС с ВЧ+СЧ изодинамическим излучателем.

Преимущество изодинамиков – очень малые нелинейные искажения, ввиду чего, звучание отличается удивительной точностью воспроизведения.

Ортодинамические излучатели

Ортодинамические излучатели звука – электродинамические излучатели аналогичные изодинамическим.

Рис. 13. Ортодинамический излучатель (схема).

Принцип действия ортодинамиков тот же, что и у изодинамиков.

Отличие ортодинамиков заключается только лишь в конструкции магнитной системы и мембраны (рис. 13).

Магнитная система ортодинамиков состоит из двух перфорированных дисковых магнитов, которые намагничены таким образом, что образуют на поверхности концентрические кольца с чередующимися полюсами.

Майларовая мембрана ортодинамиков так же, как и магнитная система имеет круглую форму. На ее поверхность нанесена в виде спирали проводящая дорожка один контакт которой находится по центру, другой – на краю излучателя.

Рис. 14. Наушники Yamaha YH-1 с ортодинамическим излучателем.

Мембрана помещена в магнитный воздушный зазор. При подаче на контакты мембраны переменного тока, создается электромагнитное поле, которое взаимодействует с полем в магнитном зазоре и вызывает колебания мембраны.

Все достоинства, присущие изодинамическим излучателям относятся и к ортодинамикам. Они обладают большим динамическим диапазоном и высокой чувствительностью (иногда для увеличения чувствительности мембрана гофрируется). Однако в отличие от изодинамиков, ортодинамические излучатели применяются ограниченно, в основном в высококачественных наушниках (рис. 14), которые с ними звучат действительно очень впечатляюще, передавая мельчайшие нюансы записи и акустики помещения.

Излучатели Хейла

Рис. 15. Излучатель Хейла.

Излучатели Хейла по принципу действия очень похожи на изодинамические излучатели.

Отличие заключается в том, что вместо плоской мембраны здесь используется мембрана, собранная в гармошку (рис. 15). Такая конструкция излучателя позволяет значительно увеличить площадь мембраны и, как следствие, повысить его эффективность.

Чувствительность излучателя Хейла значительно выше чувствительности изодинамика. В остальном достоинства и недостатки совпадают.

3. Электростатические излучатели звука

Электростатические излучатели звука (англ. ElectroStatic Loudspeakers, ESL, электростаты) – тип излучателей, в которых звук создается тончайшей мембраной.

Принцип действия электростатических излучателей прост. На мембрану подается высокое напряжение поляризации (несколько кВ), на статоры подается сигнал большой амплитуды. В результате между мембраной и статорами возникает переменное электростатическое поле, двигающее мембрану со звуковой частотой.

Электрическое поле действует равномерно на всю мембрану, а мембрана имеет крайне низкую массу, за счет чего в электростатах достигается высокий импульсный отклик, очень высокая чувствительность, крайне низкий коэффициент нелинейных искажений (порядка 0,05 %), ровная АЧХ и они демонстрируют превосходное звучание класса High-End.

Недостаток электростатических звукоизлучателей ограничивающий их широкое применение – высокая цена.

Электростатические звукоизлучатели бывают следующих видов :

Конденсаторные излучатели

Классический конденсаторный излучатель звука имеет две обкладки, разделенные диэлектриком, одна из обкладок представляет собой массивное основание, другая – легкая и подвижная пленка (рис. 16).

Рис. 16. Конденсаторный излучатель.

При подаче постоянного напряжения на пленку, осуществляется ее первоначальное натяжение. При подаче переменного напряжения на основание, пленка натягиваться и ослабевает, создавая колебания воздуха.

Конденсаторные излучатели обладают очень высокой линейностью всех характеристик, что обеспечивает ровную АЧХ и гораздо меньший, по сравнению с электродинамическими излучателями, коэффициент нелинейных искажений. Однако для эффективного воспроизведения низких частот такой излучатель должен иметь большую емкость, что напрямую связано с его размером, а, соответственно, и стоимость. Поэтому их, как правило, используют для воспроизведения высокочастотных составляющих звукового сигнала (от 5 до 20 кГц и даже выше).

Электретные излучатели

Электретные излучатели звука по конструкции схожи с конденсаторными звукоизлучателями.

Особенностью таких излучателей является то, что в них используется заранее наэлектризованная (электретная) пленка и поэтому им не требуется поляризующее напряжение.

К сожалению, со временем электретная пленка теряет свои свойства и требует повторной поляризации или замены.

4. Пьезоэлектрические излучатели звука

Пьезоэлектрические излучатели звука (пьезоизлучатели) – тип излучателей, в которых звук создается пьезоэлементом.

Рис. 17. Пьезоэлектрический излучатель (принцип действия).

Принцип действия пьезоэлектрических излучателей основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте (возникновении механических деформаций под действием электрического напряжения) (рис. 17).

В пьезоэлектрических излучателях используются пьезокерамические или сегнетовые пластины, край которых соединяется с диффузором.

Электромеханическое преобразование происходит так же, как и в конденсаторных излучателях и имеет идентичные параметры. Однако за счет использования диффузора, появляется присущая электродинамическим излучателям значительная неравномерность АЧХ и нелинейные искажения.

Кроме того, пьезокерамика имеет низкую чувствительность, а сегнетовая соль чувствительна к климатическим условиям и воздействиям внешней среды.

Пьезокерамические излучатели

Пьезокерамические излучатели звука состоят из металлической пластины со слоем нанесенной на нее пьезоэлектрической керамики, покрытой на внешней стороне токопроводящим напылением.

Рис. 18. Пьезокерамические излучатели.

Пластина и напыление являются двумя контактами.

Для увеличения громкости звука к металлической пластине может крепиться небольшой рупор в виде металлического или пластикового купола с отверстием (рис. 18). В качестве рупора также может использоваться углубление в корпусе устройства, в котором используется пьезоизлучатель.

Пьезокерамические излучатели широко используются в различных электронных устройствах – часах-будильниках, телефонных аппаратах, электронных игрушках, бытовой технике. Часто используются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний в устройствах отпугивания грызунов и насекомых, увлажнителях воздуха, ультразвуковых «стиральных машинах».

Биморфные пьезоэлементы

Биморфные пьезоэлементы, как правило, выполнены в низкопрофильном корпусе, имеют малые габаритные размеры (12 х 12 мм) и состоят из двух склеенных между собой пьезопластин с нанесенными на них серебряными электродами (рис. 19).

Рис. 19. Биморфные пьезоэлементы.

Доступно два типа биморфов: параллельные (направление поляризации пластин одинаково) и последовательные (направление поляризации пластин противоположно друг другу).

В последовательном биморфе пластины соединены по отношению к источнику питания последовательно.

Пластина, направление поляризации которой совпадает с направлением приложения поля, деформируется ввиду обратного пьезоэффекта, другая остается неподвижной, в результате чего происходит изгиб биморфа. Способ включения параллельного биморфа состоит в подключении двух внешних электродов к одному выводу. Другим выводом служит центральный электрод.

В отличие от электромагнитных излучателей звука, биморфы потребляют в 15 раз меньше электричества и могут служить в качестве замены энергоемким электромагнитным излучателям.

Биморфные пьезоэлементы не производят электрические шумы, несмотря на свои сверхминиатюрные габаритные размеры, генерируют чистый звук такой же интенсивности, что и излучатели в габаритных корпусах.

Предназначены биморфы, прежде всего, для портативной электроники.

5. Нетрадиционные излучатели

NXT излучатели

Аббревиатура NXT происходит от слов New Transducer Technology и переводится как новая технология преобразования.

Созданием данной технологии специально никто не занимался. Она появились, можно сказать, случайно, как сопутствующий продукт, созданный в ходе военных исследований в области разработки систем активного шумоподавления устанавливаемых в кабинах военных самолетов британских ВВС.

Рис. 20. АС с NXT излучателями.

Излучатели, созданные на основе NXT технологии, чаще всего выглядят как картина в рамке (рис. 20). По сути, это плоская пленочная панель, приводимая в возбуждение присоединенным к ней электродинамическим, пьезоэлектрическим или другим драйвером.

Особый материал, из которого изготавливается пленочная панель NXT излучателя и выбор точки соединения панели с драйвером, обеспечивают особый характер колебаний, вследствие которого, на всей поверхности плоской пленочной панели происходят сложные вибрационные процессы, совершенно не похожие на те, которые можно наблюдать в подвижных системах, совершающих поршневые колебания (рис. 21).

Рис. 21 а. Распространение звуковых вибраций в «классическом» излучателе.

Рис. 21 б. Распространение звуковых вибраций в NXT излучателе.

В настоящее время NXT излучатели активно совершенствуются и настойчиво продвигаются для использования в разной звуковоспроизводящей технике и, возможно, в скором будущем, мы сможем увидеть их в телевизорах, ноутбуках, телефонах, др. Но на данном этапе своего развития, сами по себе NXT излучатели не могут применяться одинаково успешно везде.

Суть имеющихся у NXT ограничений в том, что излучатели с небольшой площадью поверхности панели не могут качественно воспроизводить низкие и высокие частоты.

Например, при площади поверхности панели 0,5 кв. м. нижняя граничная частота обрежется на 110 Гц, а верхняя на 18 кГц.

Для того чтобы расширить слышимый диапазон, воспроизводимый NXT хотя бы до 60 Гц внизу и 20 кГц вверху, производителю излучателя потребуется увеличить площадь поверхности плоской пленочной панели в целых 3 раза (до 1,5 кв. м.).

Поэтому сегодня мы можем видеть NXT излучатели только в составе акустических систем стационарных звуковоспроизводящих устройств и только в сопровождении сабвуфера, компенсирующего обрезку низких частот.

Кроме необходимости включения в NXT АС сабвуфера, в качестве других минусов данных излучателей можно назвать низкую чувствительность и полное размывание фазовой картины. При прослушивании совершенно невозможно локализовать источник звука, почувствовать взаимное расположение инструментов и т.п.

Плюсы NXT излучателей:

У системы NXT практически не существует никакого ограничения мощности.

Ненаправленность звучания (практически безукоризненное излучение звука во всех направлениях), большая зона стереоэффекта.

Малая зависимость акустического давления при удалении от панели NXT.

Излучатели на нанотрубках

Нанотехнологии, активно развиваемые в последнее время, привели к появлению многих новых изобретений, в том числе и к появлению нанотрубок – углеродных образований, обладающих некоторыми фантастическими свойствами, в том числе, и свойствами звуковоспроизведения.

Таким образом, можно сказать, что излучатели на нанотрубках, появились на свет как «побочный эффект».

Первыми, кто создал экспериментальный излучатель на нанотрубках, были специалисты компании Intel. Созданный ими образец, показал очень хорошие результаты и был признан весьма перспективным.

В числе достоинств данного образца назывались:

Кроме того, нанотрубки можно изгибать, сворачивать. Их свойства при этом не меняются.

Плазменные излучатели

Плазменные излучатели (ионофоны) представляют собой перфорированный цилиндр, открытый торец которого выведен в окружающее пространство через рупор (рис. 22).

Рис. 22. Плазменный излучатель.

После запуска излучателя в цилиндре возникает светло-пурпурная дуга, которую хорошо видно чрез отверстие звуковода.

Дуга модулируется аудиосигналом, который подается на электроды с лампового усилителя-драйвера, как в электростатических преобразователях. Коронный разряд заставляет колебаться молекулы воздуха, и эти колебания мы воспринимаем как звуковую волну.

Главная особенность плазменного излучателя заключается в том, что он может воспроизводить частоты, недостижимые для других излучателей – порядка 150 кГц. И хотя принято считать, что такие высокие частоты человеческое ухо не способно распознать и человек их не слышит, производители плазменных излучателей утверждают, что именно эта особенность «плазм» позволяет слушателю максимально полно ощутить все тембральные нюансы записанных на оптическом носителе музыкальных инструментов.

Недостаток плазменных излучателей – высокая рабочая температура внутри цилиндра излучателя (порядка 800 градусов Цельсия) и, соответственно, необходимость вентиляции, а также, высокая цена.

Видео на десерт:

О том, как выбрать саундбар читайте здесь.

Источник