制作晶体喇叭的一些心得

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我们在试制晶体喇叭的实践过程中,发现有许多制造过程可采取更方便的方法,不一定要完全依照师傅传授的方法办,感到有打破迷信的必要,现提出来供大家参考、讨论和改正。

在酒石酸钾钠上施加压力的方向与电压极性的关系

从结晶学来说,每一种晶体都具有三个轴,即:X轴——电气轴,Y轴——机械轴,Z——光学轴。一般说,当沿Y轴的方向对晶体施加压力,使其产生变形时,沿X轴的方向便会有电压产生。但有时在其它方向(不一定沿Y轴向)施加压力,X轴向会产生更大的电压。例如酒石酸钾钠晶体按垂直于X轴的方向切成正方形晶片时,与Y轴或Z轴成45°角的方向加压力时所产生的电压最大。图1甲就是按这方向切成的酒石酸钾钠晶片,图中箭头指明三轴的方向,如果照图1甲空心箭头的方向对这块晶片施加压力,则晶片的正面产生正电压,反面产生负电压;如果照图1乙的方向施加压力,则晶片正反面上产生的电压方向相反。产生电压的大小随压力的大小而定。若对这种晶片不按对角线方向施加压力,则产生的电压很小甚至没有电压产生。

图1
图1 🔍原图 (883×793)

如果不在晶片上施加压力,而是施加电压,则晶片发生变形,在晶片正面加正电压,反面加负电压时,变形的方向如图2甲所示,即一条对角线伸长,另一条对角线缩短,变形的程度随施加的电压大小而定;若对晶片施加电压的方向倒换一下,正面为负,反面为正,则变形的方向也相反,如图2乙。因此获得结论:当酒石酸钾钠晶片是按垂直于X轴的方向割切成方形,两边各与Y轴、Z轴平行时,压电效应最大。电压与机械应力的大小和方向有着固定的关系。

图1所示的电压与机械变形间的关系是我们实际测定的,我们曾做过多次实验,对于所有酒石酸钾钠晶片都是一样。因此,我们可利用这种关系来鉴别晶片Y轴和Z轴的方向,使不属于同一块晶体上切割下来的晶片也可以互相配偶而做成晶体喇叭。

图2
图2 🔍原图 (844×379)

晶体喇叭是利用“晶偶”作用的,所谓晶偶作用是把两片晶片叠合在一起,当对两晶片施加同一电压时,在同一对角线方向上下两片的变形应相反,即甲片的对角线伸长,乙片的对角线缩短,而另一条对角线的方向则相反,甲片的缩短,乙片的伸长。晶片受电压后,上下片对角线伸缩关系正好相反,使原来平叠的两晶片卷曲起来,相邻的两角向反方向翘起来,如图3所示。单线箭头表示各晶片独自变形的方向,空心箭头表明两晶片结合成的总的变形方向。因此,把晶偶的一对对角线的两端固定住,而另一对对角线的两端用一Y形支架联到喇叭纸盆上,当晶片受到音频电流后,晶片产生的机械变形带动喇叭级盆发声。

叠合晶片的方法

两晶片组成晶偶时,可按施加电压的方法而分成串联或并联两种。串联晶偶是把两晶片叠置起来,底部和顶部各装一片金属箔做电极(图4)。串联晶片在上下两电极间施加电压时,每片晶片只获得一半(假设两晶片性能完全一样)电压,产生的压电效应也减半,因此,用来做喇叭声音小,不实用。但用来做话筒或唱头时,因两片所产生的电压互相串联相加,比单片的电压增加一倍,灵敏度高。串联晶片的阻抗也相应地比单片高一倍。

图3
图3 🔍原图 (579×379)
图4
图4 🔍原图 (847×350)

晶体喇叭所用的晶偶常采用并联接法。晶偶的顶部和底都用一整条金属箔连起来作一个电极,在上下晶片间夹入一金属箔作另一电极(图5)。要注意的是并联接法上下两晶片所受的电压方向相反,而串联接法两晶片的电压方向一致。当晶偶中央电极是正性时,上下两晶片的外方都是负性,如图5乙所示。

叠合晶片时有一个规律:并联晶偶上下晶片的Y轴Z轴各各平行;串联晶偶的轴线相互垂直。因此,把Y轴或Z轴互相平行的两晶片互相叠起来,翻转叠起来或旋转180度以后再叠起来,仍然保持并联晶偶的关系,不可能弄错,因为仍然能保持Y轴、Z轴的相互平行关系。只有把原来做成并联晶体的两晶片相互位置旋转90°或270°,才能使它变成串联晶偶的组合。

图5
图5 🔍原图 (647×400)

例如图6是一块长方形晶体,晶面与X轴垂直。现把它沿cd线切成两块正方形晶片。由于两晶片的各轴互相平行,因此平行的对角线产生同样的压电效应。对左面的一片说,对b、c两角施加压力时,晶片正面呈正电压,反面呈负电压;对右面的一片在e、d两角上施加压力时,也具有同样的现象。要把这两片晶片组成并联晶偶,只要保持两片各边间的平行关系(不做90°的转移),随便怎样叠置都行。先假设把右片平行移于左片上面,如图7甲,初看好象两片各对角线机械应力方向相同,不能构成晶偶。但从电压的极性上看,都是上正下负,成为串联接法,说明可作串联晶偶。当作并联晶偶时,由于两晶片相接的表面具有同一极性,假如中间都是正极,则上片的极性改变了(由正变负),应力方向也必然改变,构成了晶偶作用,如图7乙。

图6
图6 🔍原图 (883×759)

再假设把图6右方的晶片翻转复合到左片上,如图8甲,则电气极性如图中所示,中间是正极,上下晶面是负极,而同方向机械应力的对角线也正好交叉,符合并联晶偶的要求,构成并联晶偶。因此,只要在每块晶片的同一轴向上磨出同样大小的两只角(图9甲或乙),在组合并联晶偶时使上下片的两角互相重合或都不相合都行(图10)。

图7
图7 🔍原图 (884×814)

如果叠合时只让一角重合,则构成串联晶偶。

晶体喇叭既然都用并联晶偶,各片轴向相互平行,因此建议不必切角,而把晶片都切成长方形,如25×28公厘,装配时只要把上下片各边比齐,虽不做切角记号,也不会弄错。

晶片轴向的判别

各地生产的喇叭晶片都采用限制X轴向成长的方法,把预先照Y轴Z轴平面切割好与X轴垂直晶体种子夹在两玻璃片中间(中隔1—1.5公厘厚度),让它在晶体饱和溶液中慢慢结晶,长成后的晶片仍然与X轴垂直,成为天然的X割切式晶片,但这样做成的晶片Y轴Z轴向不好判别。很多人把用这种方法培育出来的晶片上的横竖纹(图11)看作是Y轴与Z轴的方向,这是错误的。也有人说竖纹部分的晶片无用,也是不对的。只要面积足够,竖纹部分照样可做成很好的晶偶(横纹竖纹部分交界处的晶片强度较差,易碎裂,不宜使用)。

图8
图8 🔍原图 (446×422)
图9
图9 🔍原图 (585×452)

观察酒石酸钾钠轴向的方法最简单的是测试电压法。当我们照图12的样子把一块晶片用拇指和食指向内捏紧时,正反面就产生大约0.1—0.3伏的直流电压,由于晶片的阻抗高,要用电子管电压表才能量出来,用普通电压表仅能看出压电效应的方向。方法是用20×20公厘薄铜片两片,每片上各焊一根导线接到灵敏的电压表的直流微安档或低电压档(最好是50微安或每伏20000欧的,但每伏2000欧的电表也能看出指针偏动),两块铜片把要测的晶片夹牢,外面用橡皮筋箍紧(图13),再照图12的方法用手捏紧晶片的两对角,电表指针就向前微动。若改捏另两对角,表针向后微退。根据测试结果,参照图1、图2所示施加压力与电压极性的关系,就可以判断这片晶片的晶轴方向了。采用这个方法,可以大胆地把任何不同来源的晶片互相配成晶偶。组成后晶偶质量的好坏也可用这个方法测试。凡是表针挥动大的晶片一定灵敏。如果测试时嫌橡皮筋箍不紧,也可用另一手的姆指食指压紧两金属片,这样电表读数增大,但并不因人手导电的关系影响测试结果,因为人手的阻力比电表的内阻大,分流作用不大。

图10
图10 🔍原图 (678×377)

掌握了用电表测试以后,可把准备培育晶片的种子的晶轴也照样测试一下,使所用种子都具有一致的晶轴,不同的弃掉不用,则以后培育出来的每缸晶片的晶轴方向都是一致的,各块晶片就可任意乱配。以后再裁割种子时,应保持与晶片横边平行的方向(图14甲),不要横直乱裁(图14乙),则以后培育出来的晶片,一定可以永远保持同一轴向。像图14乙里可裁出的种子,只有a、b、i、j、k、n几块种子轴向和原来晶片相同,其它c、d、e、f、g、h、l、m等种子的轴向与原晶片轴向垂直,培育出来的晶片轴向也旋了96°,这种裁法必须避免。

图11
图11 🔍原图 (944×515)

晶体喇叭所用的晶偶常采用并联接法,在上下片间夹一层金属电极,用扁金属线接出来作为一个电极,晶偶的顶部和底部用一整条金属片建起来作一极。 (罗鹏搏)