壓電陶瓷的震動(dòng)

01 壓電陶瓷

一、前言

今天看到有人留言，詢(xún)問(wèn)壓電蜂鳴片的問(wèn)題。他遇到一個(gè)壓電蜂鳴片，在使用手觸碰的時(shí)候，居然會(huì)停止振蕩。這的確令人感到奇怪，具體情況是什么呢？?他說(shuō)，使用了一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生 5 到 8 kHz 的信號(hào)。激發(fā)壓電陶瓷片，但使用手輕輕觸碰，壓電陶瓷片居然就會(huì)停止震動(dòng)。這里給出了它的實(shí)驗(yàn)裝置，可以看到，輸出信號(hào)的頻率?為6.6kHz。信號(hào)峰峰值為 64mV。這也太奇怪了。這個(gè)數(shù)值實(shí)在是太小了。從這里來(lái)看，主要存在兩個(gè)疑點(diǎn)，一個(gè)是6kHz ，說(shuō)實(shí)在的頻率很高，不太容易聽(tīng)到。第二個(gè)就是驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的電壓太小了。

照片下面，還有他做實(shí)驗(yàn)所使用的壓電陶瓷片。應(yīng)該是普通的直徑為2厘米的陶瓷片。至于為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況，下面，我使用手邊的器件進(jìn)行測(cè)試。

二、測(cè)試結(jié)果

在一個(gè)壓電陶瓷片上焊接引線(xiàn)，通過(guò)面包板與信號(hào)源連接。先設(shè)置信號(hào)源產(chǎn)生 1000Hz，峰峰值為 5V 的正弦波。很可惜，壓電陶瓷片發(fā)出非常微弱的聲音。需要靠近耳朵才能夠分辨出它的聲音。示波器顯示壓電陶瓷上的信號(hào)，與信號(hào)源設(shè)置的參數(shù)是相同的，1kHz，峰峰值5V。但是很可惜，很難聽(tīng)到對(duì)應(yīng)的蜂鳴聲音。

將信號(hào)源的頻率增加到6kHz，此時(shí)可以聽(tīng)到壓電陶瓷發(fā)出嚶嚶的聲音。注意，這比剛才1kHz 聲音大多了。這反映了，壓電陶瓷發(fā)生效率在 6kHz 比較大。我們知道，這種壓電陶瓷比較硬，此時(shí)，使用手指捏壓電陶瓷。的確可以聽(tīng)到，壓電陶停止發(fā)聲了。雖然，壓電陶瓷聲音很小，但是還是能夠清晰分辨出，當(dāng)手指捏住壓電陶瓷，它不再發(fā)聲了。這說(shuō)明，手指干擾了壓電陶瓷的震動(dòng)。

▲ 圖1.2.1 手指觸碰壓電陶瓷，可以改變它的發(fā)聲

??壓電陶瓷與普通的揚(yáng)聲器最大的區(qū)別，就在于?它本身具有很強(qiáng)的諧振特性。基底是硬度和質(zhì)量較大的金屬片，所以具有多個(gè)諧振模態(tài)。下面將一個(gè) 10歐姆的電阻與壓電陶瓷片串聯(lián)，用于測(cè)量流過(guò)的電流。示波器上面b波形是施加的電壓，下面是10歐姆上的電壓，表示了通過(guò)的電流。改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，可以測(cè)量不同頻率下通過(guò)的電流大小。這樣便可以反映壓電陶瓷震動(dòng)的情況。可以觀(guān)察到，不同的頻率，通過(guò)的電流大小是不同的。

這是測(cè)量的結(jié)果。橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是10歐姆上的電壓，反映了流過(guò)壓電陶瓷的電流?？梢钥吹剑陬l率開(kāi)始增加的階段，隨著頻率的增加，電流上升。這反應(yīng)了壓電陶瓷在這個(gè)階段呈現(xiàn)電容特性。在頻率達(dá)到 3700Hz時(shí)，電流達(dá)到最大，此時(shí)壓電陶瓷片產(chǎn)生了諧振?？梢钥吹胶竺婢o接著有一個(gè)諧振峰值。接下來(lái)又是隨著頻率的增加，電流爬升。后面還有兩個(gè)諧振點(diǎn)。這說(shuō)明壓電陶瓷的確存在著一些諧振點(diǎn)。

▲ 圖1.2.2 壓電陶瓷的電壓與電流

▲ 圖1.2.3 不同頻率下的電流

??將 3400Hz 到4400Hz 之間的頻率特性在重新測(cè)試一遍，可以看到從電流最大，降低到頻率最小?之間僅僅相差 140Hz。如果手觸碰壓電陶瓷片，可能改變它的諧振頻率。這就會(huì)使得輸出功率產(chǎn)生較大的改變。聽(tīng)起來(lái)就像壓電陶瓷片停止震動(dòng)的情況。

▲ 圖1.2.4 不同頻率下壓電陶瓷對(duì)應(yīng)的電流

※ 總??結(jié) ※

本文記錄了對(duì)于壓電陶瓷片在不同頻率驅(qū)動(dòng)下的諧振電流情況。驗(yàn)證了壓電陶瓷片震動(dòng)時(shí)，會(huì)存在若干諧振點(diǎn)。如果在諧振點(diǎn)附近，手觸碰壓電陶瓷片，就有可能改變它的震動(dòng)模式，聽(tīng)起來(lái)仿佛它停止震動(dòng)似的。