蜂鸣器振动装置的设计及谐振装置说明

（1）振动装置的设计

①振动片的设计

从上一章的讨论可知，无论是电磁式蜂鸣器还是压电蜂鸣器都是和圆形板振动相关的。圆形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，我们选择了一定的支撑方法后，就可以用上一章的方法，再结合圆板的参数（直径、厚度、镀层直径等），确定振动片的尺寸及支撑方法。

②振动片驱动线圈的设计

振动片驱动线圈有电流通过时，振动装置会因电磁作用，而使振动片位置发生变化，从而产生振动，振动时会发出声音。但是，电流产生的电磁能量实际很小，很难驱动振动片正常工作，所以要利用另外一个磁场叠加到原有磁场上以产生控制作用，实际上这个磁场的磁能量的作用是为了获取机械顺性。使叠加后磁能量对振动片的磁引力增大，迫使振动片移位，压缩空气，发出声音；振动片以线圈方向单向移位振动，振动次数受信号频率控制，振幅与输入功率大小成正比。

上一章介绍了压电蜂鸣器振动板振动应由驱动电压来驱动。图2－1给出了压电蜂鸣器的结构及驱动的表示图形，并对驱动线圈中的驱动电压的设计作了说明。

图2－1　压电蜂鸣器结构及驱动

（2）谐振装置的设计

在谐振装置的设计中，我们将谐振腔视为一个亥姆霍兹共鸣器（图2－2），所谓亥姆霍兹共振器是一个由截面积为S、长为l的管子和体积为V的空腔连通而成。它也可用相应的等效电学模型描述，如图2－3所示。

图2－2　亥姆霍兹共振器模型

图2－3　亥姆霍兹共振器等效电学模型

上述式中带有脚标“A”的，表示该量为声学量，如：声阻、声容、声质量等，其中u为瞬时体积速度，U为体积速度。则：

若将电—力—声的相应参量进行比较，则可用图2－4表示。

图2－4　亥姆霍兹共鸣器等效电—力—声模型

在谐振装置的设计中，我们将谐振腔视为一个亥姆霍兹共鸣器（图2－2），其与振动部分连接处的压强为P，体积速度为vA，声质量为MA，声阻为RA，谐振腔声容为CA，声劲为sA，声阻抗中的声抗部分为ZA，短管截面积为S，短管管长为l。体积速度为：

谐振腔的共振频率f0即声阻抗中的声抗部分（ZA）为零时的频率。即：

谐振腔空腔内的声压为：

若将电—力—声的相应参量进行比较，它与电路中的Ec相对应，相当于电容CA两端的电压：

上述的两个讨论是完全相同的，一般只需用其一即可。而实用中，谐振腔的大小（即谐振腔电容的大小）则是重要的参量。

因振动能量的传递是由磁力完成的，所以振动片与磁极间的距离设计有限（约0.1～0.2mm）。振动片振幅小（0.05mm左右），发出的声音很低，所以要用一个共振腔对振动声音充分共振（谐振），以达共鸣效果（扩大声音）；由于共振腔对频率响应要求相对较严格，所以谐振频幅较窄，频率响应变动范围较小。根据产品规格，将谐振腔设计成前后谐振腔（图2－5），前后谐振腔体积比约1∶2（以2.4kHz为例）；前后谐振腔体积大小与谐振频率高低成反比。

图2－5　谐振系统

后谐振腔可以设计成后谐振腔开放型，也可以设计成后谐振腔密封型。

（3）振动电路系统的设计

蜂鸣器分为无源型和有源型；而无源型又有它激和自激之分。现以无源型（它激型）为例来分析，图2－6是无源（它激型）后谐振腔开放型蜂鸣器的工作电原理图。

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图2－6　它激型电原理图

无源（它激型）后谐振腔开放型蜂鸣器由电路提供方波信号驱动振动片振动，振动片振动使空气受压缩，由于振动片振动阻尼小，空气恢复、补充时间相对短暂，振幅相对较大，适合较低耗电流规格、较低频率范围响应发声，音色一般（电流常为10～30mA，共振频率为2.0kHz左右）。无源型（它激型）后谐振腔密封型蜂鸣器则相反，适合较高耗电流规格、较高频率范围响应发声，音色较好（40～80mA×2.5kHz左右）。

图2－7是有源型（自激型）蜂鸣器工作原理框图，其放大、反馈电路如图2－8所示。

图2－7　自激型电原理框图

图2－8　自激型放大、反馈电路图

图2－8中，三极管Q1、初级A绕组和R构成了基本放大电路，而三极管Q2和次级B绕组构成反馈电路。有源型（自激型）蜂鸣器振动线圈和振荡线圈合二为一（初、次级绕组合绕成一个音圈），振荡系统电路由放大电路和反馈电路组成：

①振荡电路　初级A绕组在正向偏压下产生第一个振荡信号，并驱动振动片第一次振动。

②反馈电路　利用线圈感抗取样次级B绕组某个感应频率信号，放大电路放大取样信号，放大信号电流又经初级A绕组驱动第二次振动，就这样反复取样放大，系统电路形成一个稳定的信号振荡源。

电磁式蜂鸣器设计中，常常会考虑以下几点：

①依产品耗电流和谐振频率规格来确定谐振腔结构方式（产品使用环境亦考量）；

②磁铁剩磁量与谐振频率高低成正比（100～500高斯）；

③配重片质量大小与谐振频率高低成反比；

④耗电流大小与音圈阻抗大小（直流阻抗）成反比；

⑤磁隙大小（振动片至磁极高0.10～0.2mm左右），它与电声转换率成反比，也与灵敏度成反比。

在单片机应用的设计上，很多方案都会用蜂鸣器来做提示或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。这里对蜂鸣器驱动的应用作一下描述。

由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输入驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，就不对自激蜂鸣器进行详细说明了。这里只对必须用1／2duty的方波信号进行驱动的它激蜂鸣器进行说明。单片机驱动它激蜂鸣器的方式有两种：一种是PWM输出口直接驱动（PWM是Pulse Width Modulation的缩写，脉宽调制）。这是一种开关式稳压电源应用，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。另一种是利用I／O接口驱动（I／O接口是INPUT／OUTPUT，指输入／输出设备接口）。简单地说就是机器上可以连接其他设备的都属于I／O接口，即输入与输出接口，定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。

PWM输出口直接驱动是利用PWM输出口本身输出一定的方波来直接驱动蜂鸣器。在单片机的软件设置中有几个系统寄存器是用来设置PWM口输出的，可以设置占空比、周期等，通过设置这些寄存器产生符合蜂鸣器要求频率的波形之后，只要打开PWM输出，PWM输出口就能输出该频率的方波，此时利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。比如频率为2 000Hz的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为500μs，这样只需要把PWM的周期设置为500μs，占空比电平设置为250μs，就能产生一个频率为2 000Hz的方波，再利用三极管就可以驱动蜂鸣器了。而利用I／O定时翻转电平来产生驱动波形的方式会比较麻烦，必须利用定时器来做定时动作，通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求频率的波形，用来驱动蜂鸣器。比如频率为2 500Hz的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为400μs，这样只需要驱动蜂鸣器的I／O口每200μs翻转一次电平就可以产生一个频率为2 500Hz，占空比为1／2duty的方波，再通过三极管放大来驱动蜂鸣器。

由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，单片机的I／O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流。这里要介绍两种驱动方式，所以在设计模块系统时将两种驱动方式做到一块，即程序里不仅介绍了PWM输出口驱动蜂鸣器的方法，还要介绍I／O口驱动蜂鸣器的方法。所以，我们将设计如下的一个系统来说明单片机对蜂鸣器的驱动：系统有两个它激蜂鸣器，频率都为2 000Hz，一个由I／O口进行控制，另一个由PWM输出口进行控制。系统还有两个按键，一个按键为PORT按键，I／O口控制的蜂鸣器不鸣叫时按一次按键，I／O口控制的蜂鸣器鸣叫，再按一次停止鸣叫；另一个按键为PWM按键，PWM口控制的蜂鸣器不鸣叫时按一次按键，PWM输出口控制的蜂鸣器鸣叫，再按一次停止鸣叫。

先分析一下蜂鸣器。这里所使用的蜂鸣器的工作频率是2 000Hz，也就是说蜂鸣器的驱动信号波形周期是500μs，由于是1／2duty的信号，所以一个周期内的高电平和低电平的时间宽度都为250μs。软件设计上，我们将根据两种驱动方式来进行说明。

①PWM输出口直接驱动蜂鸣器方式

由于PWM只控制固定频率的蜂鸣器，所以可以在程序的系统初始化时就对PWM的输出波形进行设置。例如根据SH69P43的PWM输出的周期宽度是10位数据来选择PWM时钟。系统使用4MHz的晶振作为主振荡器，一个tosc（振荡周期）的时间就是0.25μs，若将PWM的时钟设置为tosc，则蜂鸣器要求的波形周期500μs的计数值为500μs／0.25μs＝（2 000）10＝（7DO）16，7DOH为11位的数据，而SH69P43的PWM输出周期宽度只是10位数据，所以选择tosc为PWM的时钟是不能实现蜂鸣器所要的驱动波形的。

这里我们将PWM的时钟设置为4tosc，这样一个PWM的时钟周期就是1μs了。由此可以算出500μs对应的计数值为500μs／1μs＝（500）10＝（1F4）16，即分别在周期寄存器的高2位、中4位和低4位三个寄存器中填入1、F和4，就完成了对输出周期的设置。再来设置占空比寄存器，在PWM输出中是通过设定一个周期内电平的宽度来实现占空比的。当输出模式选择为普通模式时，占空比寄存器是用来设置高电平的宽度。250μs的宽度计数值为250μs／1μs＝（250）10＝（0FA）16。只需要在占空比寄存器的高2位、中4位和低4位中分别填入0、F和A就可以完成对占空比的设置，设置占空比为1／2duty。以后只需要打开PWM输出，PWM输出口自然就能输出频率为2 000Hz、占空比为1／2duty的方波。

②I／O口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式

使用I／O口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式的设置比较简单，只需要对波形分析一下。由于驱动信号刚好是周期为500μs，占空比为1／2duty的方波，只需要每250μs进行一次电平翻转，就可以得到驱动蜂鸣器的方波信号。在程序上，可以使用TIMERO来定时，将TIMERO的预分频设置为／1，选择TIMERO始终为系统时钟（主振荡器时钟／4），在TIMERO的载入／计数寄存器的高4位和低4位分别写入00H和06H，就能将TIMERO的中断设置为250μs。当需要I／O口驱动的蜂鸣器鸣叫时，只需要在进入TIMERO中断时将该I／O口的电平翻转一次，直到蜂鸣器不需要鸣叫时，将I／O口的电平设置为低电平即可。不鸣叫时将I／O口的输出电平设置为低电平是为了防止漏电。

常用的电磁式蜂鸣器驱动电路，举例如下：

2－9　电磁式蜂鸣器常用驱动电路

常用的压电式蜂鸣器驱动电路，举例如下：

图2－10　压电式蜂鸣器常用驱动电路

“有源”的蜂鸣器内部装有集成电路，它不需要外加任何音频驱动电路，只要接通直流电源就能直接发出声响。“无源”的蜂鸣器则相当于一个微型扬声器，只有加音频驱动信号才能发出声响。图2－11是一个有源蜂鸣器的驱动电路。

图2－11　有源蜂鸣器驱动电路图