通过简单的电路增加压电换能器的声学输出

2019-10-25 19:28| 发布者: 南召修电视| 查看: 69| 评论: 0

摘要: 为了增加压电蜂鸣器或超声换能器的声音输出，已经提出了许多不同的实例。它们中的大多数涉及相当复杂的电路，这会增加总解决方案的成本。例如将低压逻辑电源升压至更高电压或使用H桥拓扑。相反，本设计实例表明如何 ...

为了增加压电蜂鸣器或超声换能器的声音输出，已经提出了许多不同的实例。它们中的大多数涉及相当复杂的电路，这会增加总解决方案的成本。例如将低压逻辑电源升压至更高电压或使用H桥拓扑。

相反，本设计实例表明如何在减少零件数量和成本的同时增加压电换能器的声音输出。在研究新方法之前，让我们看一下一些最常用的压电声学设计及其缺点。

最简单的压电驱动电路由一个传感器和一个开关晶体管组成（图1）。换能器两端的电压不能大于电源电压，这会在声音输出上设置上限。电阻器R2用于使换能器的电容放电。 RC时间常数相对于换能器谐振频率的周期应该短些。低电阻值会降低电效率，同时会削弱换能器的机械（声学）共振，这当然会降低声学效率。

图1 该压电驱动电路虽然简单，但效率很低。

该电路的一个常见增强功能是用电感器代替R2，如图2所示。

图2 用电感器代替R2可改善压电驱动器的输出和效率。

通常，选择电感值以在换能器的声共振时与换能器（蜂鸣器）的电容发生电共振。与并联电阻器方法相比，此方法可提供更多的声音输出，但仍有很大的改进空间。充其量，传感器两端的峰峰值电压可能会达到40Vppk，而使用5V电源时，典型值为20Vppk。

这是因为在由电感器和换能器电容形成的并联谐振电路的负摆幅上，晶体管集电极-基极结被正向偏置，从而钳制了电压摆幅，因此限制了声音输出。

添加一个二极管可以使C-E结（或者，如果使用FET，则是体二极管结）与该负摆幅解耦，从而在换能器上提供更大的电压摆幅，因而增加声学输出（图3）。尽管二极管的正向电压确实会降低施加的电源电压，但增加的谐振电压足以弥补这一小损耗。

图3 使用二极管可以消除电路的负摆幅。

为了实现任何进一步的改进，我们需要考虑在这个小型系统中实际上有两个共鸣：

1.换能器的声共振，机械共振和腔共振

2.电感和换能器电容的电谐振

电谐振频率不必与声谐振的频率相同。实际上，如果大约是声共振的2倍，则可以大大提高换能器两端的峰值电压。

如图4所示，其中使用以下电路参数得出波形：

1.电源= 5VDC

2. L1 = 3.2mHy

3. C（压电）= 2nF

4.信号源频率= PZ1，谐振频率= 40KHz

5.调整信号源占空比，以消除开启时的大电流尖峰

请注意，第5项标识了此新解决方案中潜伏的潜在问题，必须要解决。如果在换能器电压变为正后信号源可以导通晶体管，则将出现较大的窄电流尖峰，这会降低电效率并随着时间的推移可能使晶体管退化。当谐振电压略为负时，增加占空比以导致晶体管导通可以消除该尖峰。

整理好所有内容之后，让我们使用方便的四迹线智能示波器来观察电路在现实生活中的表现：

•黄色=驱动电压，〜48％占空比，5Vppk。在40KHz

•紫=换能器两端的谐振电压，为92Vppk。在80KHz

•绿色=晶体管发射极电流，在40KHz时〜80mA峰值

•蓝色=换能器的声音输出，用MEMS麦克风测量

图4 这是电路在现实生活中的行为。

通过使用比在40KHz时谐振的电感器更小的电感器，可以实现换能器两端的高峰值电压，从而使电流上升的速度大约是该电感器的两倍，在此示例中，提供了两倍的电流来为电感器的磁场“充电”。

峰值电压类似于推动摆动，在这种情况下，可用的峰值电压越高，传递的推动就越困难。在该系统中，这转化为换能器表面的较大位移，从而导致较大的声音输出。

本设计实例并不意味着要成为谐振电路的详尽论述。取而代之的是，它演示了一种程序，通过该程序，可以用非常简单的低成本电路将任何谐振压电换能器或蜂鸣器驱动到高声输出。

该过程可以总结如下：

1.确定换能器的声共振频率

2.以50％的占空比开始以相同的频率创建驱动脉冲序列

3.根据需要调整占空比以消除电流尖峰

4.确定换能器的电容值

5.选择一个电感值，该电感值将以大约两倍于声共振的频率发生电共振。

由于换能器由两个或多个潜在的谐振元件组成，因此难以复制此处在仿真中显示的声学/电气电路。这些包括换能器元件的机械共振，换能器外壳的声共振（参考亥姆霍兹共振），当然还有换能器电容与外部电感的电共振。

来自换能器端口或膜片的辐射所产生的声负载又给仿真增加了难度。该电路的简单电气仿真在换能器两端产生了240Vppk，是实际电路中产生的电压的两倍多。与模拟结果相比，声负载可能代表降低该系统中换能器峰值电压的大部分损耗。

通过使用这种简单的过程，可以以最少的时间和精力轻松地使换能器输出最大化。

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