解析压电扬声器的工作原理

时间： 2024-09-24 来源：TOPPOWER官网

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压电材料在暴露于电场时会改变形状。了解我们如何利用它们来产生声音。

原子理论

根据玻尔模型描绘氦原子

根据玻尔模型描绘的氦原子。

原子的中心原子核由中性电荷（称为中子）和正电荷（称为质子）组成。原子核周围移动的是负电荷（称为电子）。

异性电荷相互吸引，因此电子会被原子核中的质子吸引。与此同时，同性电荷会相互排斥，因此一个区域内过多的电子会将一个或多个电子推离。

电子围绕原子不断运动。

化学

当多个原子彼此靠近时，电子可以在相邻原子之间移动。电子必须遵循考虑到其恒定运动、对质子的吸引力以及对其他电子的排斥力的路径。平衡许多原子聚集在一起的所有这些规则有时会产生规则的图案或晶体形状。

NaCl晶体（左）和晶体结构中的原子表示（右）NaCl晶体（左）和晶体结构中的原子表示（右）。NaCl图像由NASA提供。

压电效应

某些材料在特定方向上膨胀或收缩时会产生可测量的电位差。

通过挤压、撞击或弯曲晶体来增加或减少原子之间的空间，会导致电子重新分布，从而导致电子离开晶体，或为电子进入晶体创造空间。晶体上的物理力会产生电动势，从而在电路中移动电荷。

反之亦然：对压电晶体施加电场会导致电子的增加或去除，这反过来又导致晶体变形，从而产生微小的物理力。

压缩（左）和拉伸（右）晶体结构的表示。

压电扬声器如何移动

压电效应可用于制造薄型扬声器，在空间受限的应用中，这种扬声器是传统电动扬声器的有力替代品。这些设备被称为压电扬声器和陶瓷扬声器。

对压电材料施加电场，其尺寸会发生变化。随着电荷的引入或移除，压电材料会收缩或增大，但基底材料则不会。

压电效应

这会导致材料朝着或远离垂直于扬声器表面的方向发生弹性变形。一旦电场从压电材料上移除，它就会恢复到原来的形状。

当扬声器弯曲并撞击空气分子时，会引起连锁反应，终传到您的耳朵。如果有足够的空气分子撞击您的耳朵，神经细胞就会向您的大脑发送信号，您将该信号解读为声音。

干扰如何传播

我们周围有难以想象数量的原子和分子，它们不断运动。这些粒子沿直线运动，直到它们撞到其他原子，方向才发生变化。单个粒子在碰撞前永远不会移动太远，但当新粒子与相邻粒子发生碰撞时，碰撞的影响可以传播很远的距离。

想象一下，在游泳池中央滴入一滴食用色素。食用色素颗粒可能需要几分钟或几小时才能到达边缘，但一滴色素产生的波浪会在几秒钟内到达泳池边缘。

空气粒子始终不断随机地撞击我们的身体。当碰撞不再不那么频繁和随机，而是开始变得更加有规律和有规律时，我们会在特定时间受到更多粒子的撞击。我们耳朵中的某些神经细胞可以检测到这些增加的、有规律的碰撞并向我们的大脑发送信号，我们的大脑将这些模式解释为声音。

德州仪器的TPA2100是一款D类音频放大器，可用于驱动压电扬声器。

压电扬声器与电动扬声器

压电扬声器与电动扬声器类似，它们都能将电位差转换为运动。但它们还具有其他特性，这使得它们在现代电子产品中具有重要价值。

传统的电动扬声器是在磁场中通过线圈来制造的。然后，导线和磁铁之间产生的吸引力或排斥力会用于移动扬声器锥体，从而在空气中产生扰动。磁铁、导线和锥体在厚度方面存在实际的物理限制，超过这一限制，它们将无法再有效地以可接受的质量或音量传递声音。压电扬声器可以制造得非常薄，同时仍具有可接受的声音特性。

由于电动扬声器中用于产生磁场的线圈的特性，在设计驱动电路时必须将这些扬声器视为电感负载。而压电扬声器在设计驱动电路时则更多地被视为电容器。

压电扬声器比电动扬声器更耐环境，可以直接与空气以外的物质接触；这一特性在水下应用等中非常有用。传统的电动扬声器必须受到保护以免受恶劣天气的影响。

与电动扬声器相比，压电扬声器需要更高的驱动电压，而且它们在较高频率下的低阻抗意味着高频音频信号需要大量的驱动电流。但如果多一点电压和电流意味着我们可以购买像扑克牌一样薄的扬声器，我认为这是一种公平的折衷。

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