蜂鸣器发声的原理

电磁式蜂鸣器是利用恒磁场中的动导磁体受交变磁场的作用而发声的电声换能器。其交变磁场是在外加的交变电信号激励下产生的。其结构与电磁受话器类似，如图1－5所示。通电时将金属振动膜吸下，不通电时依振动膜的弹力弹回，实际上它就是一个动铁式的电磁受话器。

图1－5　电磁式受话器结构图

因为压电式蜂鸣器是将高压加在粘贴于振动金属片并被极化后的压电陶瓷片上的，当加入交流电压后，由于压电效应，会产生机械变形（伸展或收缩），利用此特性使金属片振动而发出声响。以回授方式来做区分，压电蜂鸣片大致上分为回授式蜂鸣片（自激式）与无回授式蜂鸣片（外激式）两种。如图1－6所示，当回授式蜂鸣片搭配正回授振荡电路时，会产生一个与共振腔频率相同的单音；而无回授式蜂鸣片则可以搭配外部振荡电路，选择任意频率发出声音。

图1－6　回授式和无回授式蜂鸣器示意图

以下为两种压电蜂鸣片的固定方式：

（1）外围支持方式。将蜂鸣片外径边缘固定于共振腔内，一般采用无回授式蜂鸣片，而其蜂鸣片须与共振腔频率搭配，才会有较高的音压输出，并由外部振荡电路产生推动信号，使蜂鸣器发出声音。

（2）节点支持方式。将蜂鸣片固定于约与陶瓷片直径同尺寸的环形结构内。若共振腔设计适当，并搭配频率正确的回授式蜂鸣片与正回授电路，将可产生较大音压及正确的频率，如图1－7和图1－8所示。

图1－7　蜂鸣器发音单元的节点支持方式

图1－8　蜂鸣器发音单元的节点支持方式等效电路图

从以上讨论可知，无论是电磁式蜂鸣器还是压电式蜂鸣器，都是和圆形板振动相关的。为此，我们专门对圆形板振动的问题作些分析。如图1－9所示，假设图中的圆板具有均匀的截面而且不受张力，我们研究在不同支撑方法下圆板的振动。圆板振动的波节有时是圆形的，有时是直径波节，这与其振动状态相关。

图1－9　不同支撑圆形板蜂鸣器片的振动

（1）夹紧的圆形板

如图1－9（a）所示，周围夹紧的圆板，其基频是：

式中，t——圆板的厚度；

　　　R——算到被夹边界上圆板的半径；

　　　ρ——密度；

　　　σ——泊松比；

　　　Q——杨氏模量。

基频以边界作波节，最大位移在中心（图1－10（a））。

图1－10　夹紧圆板的振动方式图

如图1－10（b）和（c）所示，具有波节圆振动方式的两个相邻泛音的频率是：

(www.xing528.com)

具有波节直径振动方式的第一、第二、第三泛音的频率是：

这些波节都表示在图1－10（d）、（e）、（f）中。

在这些振动的简单形式之后是波节圆和波节直径的组合。图1－10（g）所示为具有一个波节圆和一个波节直径振动方式的频率：

如图1－10（h）所示，为具有一个波节圆和两个波节直径振动方式的频率：

如图1－10（i）所示，为具有两个波节圆和一个波节直径振动方式的频率：

夹紧的圆板用在电磁式受话器上，振膜用作衔铁，也用在炭粒传声器里，还能用在电容式水听器和电磁式水下扬声器里。夹紧的板状膜片也用在微型电容传声器里。板状膜片的缺点在于薄板固定困难，一方面为了高灵敏度，单位面积内的质量要小，另一方面又要有足够的劲度来产生较高的频率。但是，无论是电磁式蜂鸣器还是压电式蜂鸣器都是和圆形板振动相关的。

在应用夹紧的膜片时，如果该系统利用集总的元件来表示，就需要用中心的速度来计算膜片的有效质量和有效面积。在这种情况下，膜片的有效质量或有效面积是膜片的总质量和总面积的1／3，确定膜片上的水或空气的负载，可假设等效活塞的有效半径为膜片半径的0.55倍。不过，电磁式蜂鸣器和压电式蜂鸣器都是空气负载。

（2）自由的圆形板

考虑一个没有张力的圆板，截面均匀而且完全自由（图1－9（d）），对于具有波节圆的振动，例如图1－10（b），其频率是：

式中，t——圆板的厚度；

　　　R——圆板的半径；

　　　ρ——密度；

　　　σ——泊松比；

　　　Q——杨氏模量。

对于一个具有两个波节的直径振动，其频率是：

（3）在中心支起的圆形板

考虑一个没有张力的圆板，截面均匀，边上完全自由，在中心支起（图1－9（c）），其伞形振动方式的频率是：

（4）在边上支起的圆形板

考虑一个没有张力的圆形板，截面均匀，边上简单地支在圆周上，如图1－9（b）所示。其频率是：

为使电磁式蜂鸣器振动板振动，需要一定的驱动电压，电磁式蜂鸣器是以1／2方波（Vo－p）驱动而振动发声的。要保证蜂鸣器正常工作，则应有一定的额定工作电压，这是可正常工作的适用电压范围，但这并不保证低于额定工作电压时，仍能达到最低音压。正常发声后，持续的消耗电流量较小，而启动瞬间需要的电流则较大，一般至少是持续消耗电流的三倍。声输出则是施加以额定的电压，1／2方波后，以分贝表在距离10cm处测得的。蜂鸣器每一个频率都仍有声音，额定频率则是指建议使用的最大且声压一致性较好的频点。压电片也可以是条状的，固定方式可以是两端固定的，也可以是自由无约束地贴在基板上的。而基片可以是金属薄板，也可以是塑料板（膜）。这在压电扬声器中常用。