压电扬声器最终设计方案.docx

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压电扬声器最终设计方案

考试序列号

项目名称：

平板压电扬声器设计

课程名称：

大学物理实验

学院：

机电工程学院

专业班级：

2011级机械类（创新实验班）

组员：

曾劲松曾俊贤陈集辉陈思豪梁荣光

联系方式：

*********

2012年11月08日

平板压电扬声器设计方案

一、便携式产品的发展趋势

随着便携式消费电子的发展，人们对便携式电子设备小型轻薄的要求越来越高，陶瓷压电扬声器以其超轻、超薄、高效、无需大音腔等特点逐渐被众多便携式消费类电子产品所青睐。

便携式消费产品向着超薄轻小的方向发展!

；怎样做到外形纤薄!

，并且延长单次充电电池使用时间已成为各类消费产品的主要设计考虑。

这样的系统需求对单个电子元器件提出了更薄、更小、更省电的要求。

因此，为了迎合市场的需要，我们决定做一个结构简单，形状规则，占用空间小，实用的平板压电扬声器。

二、陶瓷压电扬声器的基本特点

与动圈式扬声器相比，压电扬声器的振膜是被粘接在它上面的压电材料带动产生弯曲的，因此振膜的外形几乎没有限制；而动圈式扬声器的振膜或纸盆通常都是圆形或者椭圆形的，这样常会限制产品的外形设计。

所有的动圈式扬声器都必须有一个磁铁以驱动音圈，这样就增加了扬声器的总体高度及重量。

但是陶瓷压电扬声器却无需磁铁驱动，这样就可以达到一种很薄的外形从而降低终端产品的高度。

面对设计小巧的手机和越来越薄的电脑，动圈式扬声器成为制造商能否生产出超薄产品的制约因素。

陶瓷压电扬声器能以超薄、紧凑的封装提供极具竞争力的声压电平；具有取代传统的动圈式扬声器的巨大潜力。

陶瓷压电和动圈式扬声器的主要区别如表下所示：

扬声器类型

优点

缺点

陶瓷压电扬声器

超薄外形，严格的制造公差，所需声腔很小，

效率高，散热好，寿命长，

无磁场，无电磁辐射

需要高压才能驱动，

低频响应不是很好，

容性负载

动圈式扬声器

技术成熟，成本低，

频率响应很好

尺寸较大，制造公差宽松，所需声腔较大，

效率低

驱动陶瓷压电扬声器的放大器电路有与驱动传统动圈式扬声器不同的输出驱动要求。

陶瓷压电扬声器的结构要求放大器驱动大电容负载，并在较高的频率下输出更大的电流，同时保持高输出电压。

传统动圈式扬声器的效率很容易计算。

音频线圈绕组可以近似为固定电阻与一个大电感串联。

如果已知扬声器电阻，可用欧姆定律计算负载功率

或

。

扬声器的大部分功率被转变成线圈的热量。

由于陶瓷压电扬声器具有电容特性,因此消耗功率时产生的热量不高。

三、压电扬声器工作原理

1、压电效应：

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

压电扬声器就是利用逆压电效应的工作原理，其结构如下：

2、压电扬声器工作原理：

当压电片伸展的时候，振动膜就会如图a所示的那样向上弯曲，当压电片收缩的时候，振动膜就会如图b所示的那样向下弯曲，所以，当给振动膜加上一个交替变化的电压，那么它就会随着电压的变化而不停的上下弯曲如图c，继而推动空气发声。

3、压电扬声器对功放的要求：

压电扬声器属于容性负载，因此不能用传统喇叭的功放进行驱动，陶瓷压电扬声器的驱动的技术要求必须能产生高压摆幅，高频时能输出较大电流。

四、压电扬声器的设计与制作

一、压电扬声器组成部件

压电片、纸浆板、电路板、变压器、22μF电容、3.5mm音频输入端、功放输出端、电线、绝缘胶布、振膜纸板、溶胶；

二、简化设计步骤

1、确定想要制造的扬声器类型（平板压电扬声器）；

2、根据设计需要领取制作元件（见压电扬声器组成部件）；

3、设计电路图（如下图所示）；

4、利用上课时间借用老师器材焊接电路；

5、接上压电片测试音量和音质并改进电路；

6、发现问题和改进；

7、制造外壳和振膜；

8、利用溶胶工具和焊接工具焊接所有部件；

9、再测试音质音量，作品基本成形；

电路图：

电路元件说明：

1、3.5mm音频输入端见左下图（配3.5mm的三芯插头）；2、变压器：

增大电压；3、电容器：

过滤电流的直流分量，排除干扰；4、功放输出端；

3.5mm三芯插头图

三、平板压电扬声器成品：

平板扬声器特点分析：

本次设计的平板扬声器具有体型薄、外形随意、指向性非常好、声音衰减较小、保真度高、结构简单、加工方便、不易破损及无磁干扰等特点。

（1）体型薄。

该扬声器中使用了平面的发音盘，故扬声器可做得很薄，它的厚度主要由磁路结构与发音盘振动所需的空间决定。

（2）外形设计随意。

在该扬声器中，只要将磁通完全穿过发音盘的中心孔，对磁路的形状没有要求，发音盘不一定非要圆形，它们均可根据美学与机械要求设计成任意形状，发音盘的表面便是各种艺术绘画作器的最佳居所。

（3）指向性非常好。

一般用传统喇叭构成的音箱，指向性很差，你必须站在音箱的前面，才能听到较完美的声音，特别是高音的部分；而如果你站在音箱的侧面，可能有些背景或伴奏声音就听不到了；如果你站在音箱的背面，可能那甜美的歌声，已经变成了不愿意欣赏的声音了。

而平板式音箱却没有上述的问题存在，无论你站在任何位置，都能欣赏到完整、真实的声音。

（4）声音衰减较小。

传统的音箱，当你靠得太近会发现声音很大，而距离稍远时，你又觉得声音小了许多。

而平板式扬声器没有以上问题，无论你是在近距离还是稍远距离，所听到的声音大小并没有太大的差异。

（5）声音的保真度较高。

一般传统的喇叭，它的形状为圆锥形，当它振动发出声音时，往往将声音集中在喉部，经过压缩，再传播出来，而人们所听到的声音，是经过压缩而变形的声音。

平板式喇叭就不会有上述问题，只因为人们听太多变形的声音，所以一旦接触到平板式音响时，开始聆听时会觉得它很平凡，随后却往往被它自然的表现而深深吸引。

（6）结构简单、加工方便、不易破损。

该扬声器中磁路结构简单，各部分配合精度要求不高，音圈、磁路、发音盘可由产家做好后由普通用户自行安装。

由于发音盘使用了多个导电环驱动方式，即使某部分导电环损坏，其它环仍可正常工作，不会对扬声器产生致命的影响。

而传统的音圈驱动方式，一旦音圈烧坏，就不能再继续使用。

五、设计总结

1、遇到的问题

在固体胶固定纸盘时，由于没完全固定好，导致声音很沙哑，这是由于压电片与振膜的摩擦产生的杂音

解决方法：

我们把纸盘的周围再加上固体胶之后，声音就没那么沙哑了。

2、遇到的问题：

刚开始我们接了音频线之后发现没有声音，检查电路和声量之后发现没问题，后来经过万能表测试发现变压器输入端电压正常，但是输出端电压值很少，我们意识到是变压器接反了。

这时我们发现原来变压器上面是分别有4和3个缺口，标示着升降压方向。

解决方法：

弄明白了原理之后，我们小心翼翼地把变压器重新取出，按正确方向安装好，之后经过测试符合要求，在这过程中我们也学到了很多东西；

3、制作过程：

经过讨论，我们统一决定用两个压电片，然后通过不断得测试，根据声音的美妙程度将压电片组合放在适合的位置，在这过程中，我们发现当两压电片的中心距离为纸盘圆直径的三分之一时，两压电片在纸盘上的共振效果最好，声音很有磁力；

4、制作过程：

又经过一次讨论，我们统一决定把扬声器的外形做成一个照片框，经测试，在纸盘表面盖一张纸，声音不会受到太大影响，所以当照片盖在纸盘上时，声音应该不会受到太大影响，再者照片框形的外壳也省材料，经过分工切材料，照片框的外壳终于完成了，再由小组共同合作将固体胶涂在扬声器的电路板，再将电路板固定在底板上；并将压电片固定在照片框的背面，在这过程中，经过小组成员的特别提醒，我们特别的将3.5mm的音频输入端插口稍微移出底板的边缘，以便3.5mm三星音频能顺利插在插口上；最后经过试验发现电路板在插插头时的力作用下可能会发生错位变动，于是我们将一小段固溶胶安放在电路板的尾部以便起到固定作用。

5、焊接步骤及注意事项

按元件清单清点所有元件，分类摆放以便于拿取。

用万用表检测，如有坏损的请选出来更换。

②对照原理图元件清单安装元件，参照电路板元件符号确定元件的安装方向、高度。

注意：

电解电容的极性，电解电容应紧贴线路板，按丝印方向安装以免影响封盖。

尽量把元件上的字符朝向一致，置于易观察的位置，以利于检查。

③焊接元件要快、时间要短，用锡量要适量，避免拖锡而造成短路。

④焊接元件先小后大，分类分批焊接完成后，剪去过长引脚，检查所有焊点有无虚焊及漏焊。

⑤确定好各元件的位置后，先焊接电容器，再焊接功放输出端、3.5mm输入端，最后焊接变压器；

⑥用热熔胶将电路板固定在底板上，并在尾部用热熔胶棒固定。

注意事项

1、清单清点元件数量，检测元件是否完好。

2、向电路板安放元器件时注意元件大小、层次、安装方式。

3、注意虚焊、漏焊、焊点短路、剪脚长度及毛刺等问题。

4、注意区分变压器安装方向，以免接反。

5、要注意不要将热熔胶碰到导线和排线。

6、塑料面板的详细制作过程

1、在面板中央适当位置画出一个正八边形，注意正八边形比原先设计好的振膜形状稍微小一点，画好轮廓线后用刮刀在沿着轮廓线在板的正反面分别用力刮五下左右，再将中间八边形面板小心翼翼地掰下来，这样面板的基本形状就做好了；2、根据面板中间镂空的八边形大小裁出适当大小的振膜纸板；3、最后用固溶胶把纸板粘在塑料板上，注意纸板与塑料板要严格密封好，防止声音失真；

7、过程总结

我们对这次物理实验作品设计感触颇深。

这次是直接按照图纸进行焊接工作，可以说是独立完成，是对我们基本能力的考验，焊接过程姑且不计，有幸一次性成功；平板扬声器工作状态非常理想，音质很棒，不过有个小遗憾就是需要输入功率比较大时才能发声，可能我们的电路设计也比较简单，电路元件都是老师发的，我们想用最少的硬件最简单的电路做出最实惠的产品。

此次课程设计拓宽了我的认知面，在原来的基础上又认识并掌握了一些元器件的使用，自己的焊接技术也得到了锻炼，很享受这样的过程，从中学到了很多，并且提高了自己的动手能力。

感谢老师这几个星期的辛苦付出，很期待物理实验能以这样的形式进行下去。

频谱测试软件介绍：

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本扬声器采用此软件对扬声器的各项参数进行测试并分析。

扬声器的频谱分析系统：

平板扬声器的频谱分析曲线图：

对频谱曲线进行线性查看后的图：

下图为频谱图中的某一段曲线，该曲线表明当频率在300Hz-14000Hz区间内声响较为平稳，说明该扬声器测试频率为300Hz-14000Hz范围内的声音效果较好，即为该扬声器适合测试频率在300-14000Hz的声音。

下图红线表示原声的谱线图，蓝线是扬声器测试出来的谱线图，两者对比说明当声音频率在14000Hz之后声音的失真比较严重，因此该扬声器不适合用于作为高保真音质的音响。

下图为上面的谱线图线性查看后的效果图，红线表示原声的谱线图，蓝线是扬声器测试出的谱线图，该图主要是把两者的谱线图中声响差别比较大的部分突显出来，对比说明，当声音频率在14000Hz之前声响变化比较平稳，声音失真度小，适合作为中频扬声器使用；当声音频率在14000Hz之后声音的失真比较严重，因此该扬声器不适合用作高频扬声器。