【Maker 電子學】壓電蜂鳴器的原理與應用—原理篇

作者:Bird

我們之前聊過「喇叭」(或叫做「揚聲器」)這種聲電轉換元件,但其實嚴格來說,喇叭算是電磁式的喇叭,它主要利用線圈與磁鐵的交互作用來將電訊號轉換成機械震動,進而擾動空氣發出聲音。

但其實除了電磁式喇叭外,還有許多其它的原理可以用來將電訊號轉換成機械震動,而壓電式喇叭或蜂鳴器正是很常見的一種,這次我們就來聊聊壓電蜂鳴器。

壓電效應

我們在聊石英晶體這種頻率控制元件式,也講過「壓電效應」。這是一種很常用在電路中的物理現象,由法國物理學家居禮先生 Pierre Curie(居禮夫人的老公)和他的弟弟 Jacques Curie 在 1880 年發現。

對於某些材料,如果我們在上面施加電壓,讓材料的內部形成電場,材料就會出現微小的變形;如果我們對材料施加變化的力,材料的內部會出現電荷重新排列,而在材料表面出現的電荷就會讓我們測量到。

用電壓讓材料變形的現象稱之爲「逆壓電效應」,而用變化的壓力產生電荷的現象則是「正壓電效應」。

我們之間講過的石英晶體振盪器,就是利用施加高頻的電壓訊號,讓石英晶體隨著高頻訊號的變化而震動,再藉由石英晶體的機械共振特性,選擇性地產生特定頻率的訊號,來穩定或是控制振盪器的頻率。

看到這裡,聰明的讀者一定想得到,如果我們將人耳聽得到的音頻訊號(20 Hz-20 KHz)施加在壓電材料上,讓壓電材料隨著這個訊號震動,是不是就可以發出聲音呢?

沒錯,這就是壓電蜂鳴器的原理!

壓電蜂鳴器

(圖片來源:Bird 提供)

上圖是一個很常見的壓電蜂鳴器(piezo buzzer)零件。大約三四十年前有個時期很流行一種打開就會唱歌的生日卡或是聖誕卡,裡面用來發出聲音的零件就是這個東西。

它的結構其實非常簡單:一片薄黃銅片,上面再黏合一塊壓電材料,並將黃銅片和壓電材料分別用電極接出來,就完成了。上圖中灰白色的部分就是壓電材料。

這種壓電蜂鳴器最常用的壓電材料叫做「PZT」,它是「鋯鈦酸鉛」 lead zirconate titanate 的縮寫。英文的「鉛」是 Lead,但 lead 這個字在英文裡有許多含義,如果去查英文字典,lead 大概有 10 種以上的中文意思,因此在行文時若用「lead」在代表「鉛」,很容易產生模糊語義的誤會。比方說「lead-free process」到底是「無鉛製程」還是「無接腳製程」?因爲 lead 也有「接腳」的意思,因此在工程用語中,我們常常會用鉛的化學符號「Pb」來代替英文中的 「lead」,無鉛製程因此寫成 Pb-free,這也是爲什麼 lead zirconate titanate 的縮寫是 PZT 的原因。

陶瓷與黃銅

PZT 是一種陶瓷材料,它的原材須經過高溫燒結的製程才會結晶成爲陶瓷。在製作壓電蜂鳴器時,先調配好 PZT 的原材(類似陶土的東西),並將它們成型成需要的大小和厚度,這時的 PZT 就是一片一片薄薄軟軟看起來像水餃皮的東西;接著將水餃皮附著到黃銅片上後,送去燒結,在高溫下 PZT 會被燒成陶瓷,硬化並附著在黃銅片上;最後,在硬化後的 PZT 表面鍍上導電的電極,我們可以把電訊號加到 PZT 上,而另一個電極則是黃銅片本身,不需要再另外加工。

爲什麼要用黃銅片呢?爲什麼不直接把 PZT 燒硬後,在它的兩面鍍上電極來使用呢?

有兩個原因。一來是 PZT 本人在燒結完後非常脆弱,它會變成一片很薄、很硬,但是很脆的材料,光是要把電線焊到電極上這個動作就非常容易把它弄碎,因此 PZT 材料需要一個強大可靠的依靠→把它跟金屬材料黏合是個合理且美妙的解決方法;至於爲什麼是黃銅,是因爲它的硬度、彈性剛好位於人耳可以聽見的音頻共振範圍,所以有放大聲音的效果。

如果你拿兩個新臺幣 50 元硬幣互相敲擊,發出來的聲音清脆悅耳,會遠比你拿兩個 10 元硬幣互擊要來得持久,就是因爲現行流通的 50 元硬幣,銅的含量有 92%,但 10 元硬幣中的銅含量只有 75%。

效率與阻抗

雖然黃銅片已經提供比陶瓷片稍大的面積且更好的彈性,但由於 PZT 陶瓷在電壓訊號下產生的振幅真的很小,因此壓電蜂鳴器的效率並不好。

所謂效率,就是將電壓訊號的能量轉換成聲音能量的比例。一個小面積又小振幅的物體放在空氣中震動,所能擾動的空氣其實很有限:震動的機械能並無法有效率地傳遞到空氣中,因爲空氣的「阻抗」與壓電蜂鳴器的機械特性阻抗並不匹配;就像你如果用子彈去打面紙,子彈會穿過去,而子彈上的能量並無法有效地傳遞到面紙上,但如果你用子彈打鋼板,子彈上的能量就會有很大一部分能傳遞到鋼板上。

有什麼方法將壓電蜂鳴器附近的空氣從面紙變成鋼板呢?有,把空氣關起來。

(圖片來源:Bird 提供)

市面上還可以買到這種附一個塑膠殼的壓電蜂鳴器,這個塑膠殼不只是一個殼而已,它是一個用來改善壓電蜂鳴器音響效果的元件。它將壓電蜂鳴器震動面附近的空氣禁錮在壓電蜂鳴器的表面附近,因此對蜂鳴器來說,空氣的阻力或是「阻抗」就會變得比較大,便可以讓更多的能量從震動面傳遞到空氣,讓空氣被擾動得更厲害,被擾動之後的空氣所帶有的音頻震波再由表面上的小孔傳遞出來,讓人耳聽到。

因此,同樣大小的壓電蜂鳴器,在同樣電壓訊號的驅動下,有沒有加上這個塑膠殼,發出來的音量會有顯著的差別。

頻率響應

從結構上來看,壓電蜂鳴器對驅動電路來說,就是個電容器。

(圖片來源:Bird 提供)

就像電磁揚聲器是個電感性負載,會有隨著頻率變化的感抗一樣,壓電蜂鳴器是個電容性負載,也會有隨著頻率變化的容抗,因此對於驅動電路來說,壓電蜂鳴器的負載大小會隨著頻率的不同而變化。

容抗公式是:Xc = 1 / 2𝝅fC

可以看出,在電容量不變的前提下,頻率越高,容抗越小,因此能量越容易從驅動電路傳遞到壓電蜂鳴器上,因此一般來說,壓電蜂鳴器的低頻特性相當不好,它不太能發出有效率的低頻,但高頻特性就相對好很多,它甚至可以工作在人耳聽不到的超音波頻段。

這也是爲什麼它不叫做壓電「喇叭」,而叫做壓電「蜂鳴器」的原因之一,因爲它最有效率的工作頻率區間大概是在 2 KHz-3 KHz,也由於這個特性,不管是驅動它還是驅動訊號的設計,都會有一些特別的考量。

小結

這一回我們介紹了壓電蜂鳴器的原理與製程,也說明了電聲元件對空氣的「阻抗轉換」觀念,下一回我們要繼續探討如何有效率地驅動壓電蜂鳴器以及驅動電路上該注意的事。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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