蜂鸣器基础知识——技术、音调和驱动电路

2018年10月16日 作者:Bruce Rose

蜂鸣器基础知识——技术、音调和驱动电路

可以选择多种方式在产品和用户之间沟通信息。音频通信最常见的选择之一是蜂鸣器。在设计过程中了解蜂鸣器的某些技术和配置非常有用,因此在本篇博文中,我们将介绍典型配置,提供蜂鸣器音调示例,并展示常见的驱动电路选项。

电磁蜂鸣器和压电式蜂鸣器

蜂鸣器设计中最常用的是磁性技术和压电技术。许多应用都使用磁性或压电式蜂鸣器,但是要基于多种不同的约束条件决定采用哪一种。与压电式蜂鸣器 (12~220 V, < 20 mA) 相比,磁性蜂鸣器运行的电压低而电流高 (1.5~12 V, > 20 mA),而压电式蜂鸣器的最高声压级 (SPL) 能力通常高于磁性蜂鸣器。然而应该注意的是,压电式蜂鸣器的SPL越大,占地空间就越大。

在磁性蜂鸣器中,电流通过产生磁场的线圈驱动。电流存在时,柔性铁磁盘被吸引到线圈;而没有电流流过线圈时,柔性铁磁盘就会返回到“静止”位置。磁性蜂鸣器发出的声音是由铁磁盘的运动产生的,其产生方式与扬声器中的锥体产生声音的方式类似。磁性蜂鸣器是电流驱动的装置,但其动力来源通常是电压。通过线圈的电流取决于施加的电压和线圈的阻抗。

典型磁性蜂鸣器的内部构造图
典型磁性蜂鸣器的构造

压电式蜂鸣器的用途与磁性蜂鸣器类似。将电触点放置在压电材质盘片的两面,从而在外壳边缘支撑盘片,构成压电式蜂鸣器。两个电极之间承受电压之后,压电材料因承受电压而发生机械变形。压电盘在蜂鸣器内的这种运动能够产生声音,与上述铁磁性蜂鸣器或扬声器锥体中的铁磁盘的运动发声方式相似。

典型压电式蜂鸣器内部构造图
典型压电式蜂鸣器的构造

压电式蜂鸣器与磁性蜂鸣器的不同之处在于它由电压而非电流驱动。压电式蜂鸣器采用电容器型式,而磁性蜂鸣器则采用电阻器串联的线圈型式。可以通过驱动蜂鸣器的信号频率,在宽广的范围内控制磁性和压电式蜂鸣器产生的声音频率。压电式蜂鸣器的输入驱动信号强度和输出音频功率呈现合理的线性关系,而磁性蜂鸣器的音频输出则会随着输入驱动信号的减小而迅速下降。

图中显示了压电式和磁性蜂鸣器的驱动信号和音频输出之间的关系
图中显示了压电式和磁性蜂鸣器的驱动信号和音频输出之间的关系

传感器和指示器

下面举例展示蜂鸣器能够产生的声音。指示器或传感器都能产生连续音和慢/快脉冲音。

由于高/低音、警笛和钟声信号具有多种频率,所以只能由传感器和相关支持电路产生。

磁性或压电式指示器的应用电路

磁性或压电式指示器的应用电路图

指示器仅需要直流电压即可工作,并且只要存在电压就会产生声音。

磁性传感器的应用电路

磁性传感器的应用电路图

磁性传感器需要励磁波形来驱动蜂鸣器。励磁波形可采用任意波形和范围宽广的频率。原理图中的开关用于放大励磁波形,通常是BJT或FET开关。需要二极管钳制开关(晶体管)快速关断时产生的返驰式电压。

压电式传感器的应用电路

压电式传感器的应用电路图

压电式传感器可以采用类似于磁性传感器的电路驱动。因为压电式传感器的电感很小,所以不强制要求其配备二极管,但需要一个电阻在开关打开时复位电压。这种电路通常不用于驱动压电式传感器,因为电阻会耗散功率。可以使用其他电路,通过提高施加到传感器的峰间电压,来增加压电式传感器的声级。

压电式传感器的全桥电路

压电式传感器的全桥电路图

全桥电路常常用于驱动压电式传感器。使用由四个开关组成的全桥的优点是,在传感器上施加的峰间电压是可用电源电压的两倍。由于施加到传感器的电压加倍,使用全桥驱动器将导致音量增加约6分贝。

结论

蜂鸣器是在电子产品和用户之间提供通信的一种简单而经济的方式。压电式和磁性蜂鸣器的应用相似。两者主要区别在于,较之压电式蜂鸣器,磁性蜂鸣器工作时的电压较低而电流较高,而压电式蜂鸣器通常需要较大的占地空间来为用户提供更高的SPL。配置为指示器的蜂鸣器仅需要直流电压即可工作但仅限于单个音频操作,而传感器需要外接电路,但能够提供更大范围的音频。

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Bruce Rose

Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

 
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