压电扬声器

近年，我国广大农村的有线广播得到了很大的发展，现在差不多家家户户都装上了广播扬声器（或叫喇叭），其中压电式扬声器占有相当大的数量。压电式扬声器制造简易、原料充足，能节省大量有色、黑色金属，比较便宜，因此在普及农村有线广播工作中起着较大的作用。为了更好地使用和维护好这些扬声器，我们把它的原理、结构、性能，以及使用维修等常识作一介绍，供参考。

扬声器的种类很多，有动圈式、舌簧式、压电式等。常用的动圈式和舌簧式扬声器，它们主要是利用音频电流通过线圈而产生交变磁场，这个交变磁场与一固定方向的磁场产生引斥作用，使得音圈或舌簧作相应的振动，并由它来驱动纸盆把声音辐射出去。压电扬声器是利用压电材料的压电效应直接把音频信号转变成机械振动，并通过一定的形式辐射出去。

所谓“压电效应”就是指压电材料受到外力作用时会产生与外力成正比的电效应（充电或放电）；或者对压电材料加上电压后便会产生与外加电压成正比的形变效应（伸长或缩短）。前者称为“正压电效应”，后者称为“逆压电效应”。具有压电效应的物质称为压电材料。压电材料的种类很多，应用也很广泛。现在常用的压电材料主要是一些无机的硬质单结晶体或多结晶体材料，如石英、酒石酸钾钠，以及象钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅等陶瓷材料。对于压电材料压电性能的大小，主要是以压电常数（d）和机电耦合系数（k）这两个参数来表示，而其中常用的、比较能综合反映压电材料性能的是机电耦合系数，它能反映压电材料的机——电换能的效率，它被定义为：

压电扬声器是利用压电材料的逆压电效应。由上式可以看出，为了提高扬声器的效率，希望采用机电耦合系数比较高的压电材料。酒石酸钾钠的机电耦合系数很高，过去曾用它来制作过扬声器，称作“晶体扬声器”，但它具有强的吸湿性，并与温度有很大关系，现在已不采用它了。锆钛酸铅是压电陶瓷材料，它具有较高的机电耦合系数和较好的其他性能（如介质性能、弹性性能、老化性能等等），把它泡在水中也不会潮解，因而这种材料目前被广泛地用来制作压电扬声器等电声器件。

我们把压电陶瓷材料做成薄的圆片，在它的两面烧渗上一层很薄的银层作为电极，经过直流高压极化后立即呈现压电效应。象锆钛酸铅这样的压电材料是一个多晶体，它由许多微小的晶粒无规则地排列所组成；每一个晶粒又是由许多按一定规则排列的“晶胞”组成。由于晶胞内钛离子等位移的结果，会使晶胞出现极化，我们称它为自发极化。在晶体中对于每一个自发极化方向一致的小区域我们称它为一个“电畴”。当对压电材料进行高压极化时，会使自发极化方向与外加电场方向一致的“电畴”发展长大，而方向不一致的电畴会减少消失。这样所有电畴就会基本上按一定方向排列，因而材料才会具有压电特性。我们把交流电压（音频电压）加在这样的圆片的两个电极上（如图1），圆片就会在它的直径方向产生伸缩振动，其振动频率和外加电压的频率相同。当把这个圆片粘结在一块刚性的薄圆片（例如铁片、铜片或某些非金属的薄片）上；或者由两片这样的圆片按其电畴相反的方向粘结在一起，再在它两面加上交流电压，就会变径向振动为圆片的弯曲振动（图2a、b）。象这样采用一片压电片加刚性圆片或者两片压电片的振动元件叫作双形振动元件（振子）。

现在我们再以图2b的振子来说明产生弯曲振动的过程。当外加交流电压的瞬间，例如图3a的状态时，上面的一片压电片沿径向收缩；下面的一片压电片没径向伸长，就使得整个圆片向上弯曲。如果外加电压的方向相反，它就向下弯曲，如图3b所示。这样，交流电压过一个周期，圆片就作上下一次振动。这种圆片也和其他材料的圆片一样，有它的固有振动频率，即谐振频率。在谐振时它的振幅最大。谐振频率的高低和圆片半径的平方成反比；和圆片的厚度成正比；此外还和圆片的材料、固定形式有关。如果把这种振动通过一定的形式辐射出去（例如传递给纸盆），即构成了一只压电扬声器。

压电扬声器由于其驱动部分采用了压电振子，因而它对交流电来讲是呈容性阻抗的（直流不通），其大小主要由压电片的电容量来决定。很显然，采用二片压电片的振子因其电容接成串连，阻抗要比采用一片的高。

常用的压电陶瓷圆片，其直径为38毫米，厚度为0.2～0.4毫米，两面为白色的银层，性质较脆，和玻璃及日用瓷类似。目前使用的压电扬声器，由于外形和振动元件及振动方式的不同而有多种，但振动方式均为圆片的弯曲振动。

1．自由式压电扬声器：这种扬声器的结构很简单，如图4a所示。由于压电振子基本上是处于悬空的自由状态下振动，因而被称作“自由式”。这种扬声器的有效频率范围一般要从500赫以上才开始，不均匀度也较大（在30分贝以上），谐波失真系数也大于20％，其频响曲线见图4b。这种扬声器的振子有单片及双片的两种。单片的阻抗一般在4.5千欧左右；双片的阻抗一般在8千欧左右。由于这种扬声器制作简单、价格便宜、音量较大，以前曾广泛地用在有线广播网中，但由于它的声音太尖，并较易损坏，加以阻抗的一致性差，现在已逐步被其他压电扬声器所取代。

2．中心固定式压电扬声器：结构如图5a所示，在振子中心开一小孔，再用螺钉把它固定在盆架上。这样做后，振子的共振频率要低一些，并且不均匀度及谐波失真都有所改善。它的有效频率范围一般从400赫左右开始（图5b），听起来低音要好一些，灵敏度仍较高。但由于在振子上开了一个小孔，并且是用螺钉直接固定的，往往会由于声音过大而把压电片振裂。因此，在运输、保管和使用中要避免跌落、撞击和过载。这种扬声器的振子也有单片和双片两种，其阻抗分别和自由式的相当。

3．边界固定式压电扬声器：这是针对上述两种扬声器的一些缺点，在结构上作了些改进而制成的新品种。它的各项电声性能指标已基本上达到或超过同尺寸的舌簧扬声器，是适合有线广播使用的较好的压电扬声器。它的结构如图6所示，是一种边界固定的双形振动元件，并在两压电圆片中间加进了刚性圆片；在边界用橡皮环固定在盆架和后盖之间；振动能量自圆片的中心引出。这样，振子的共振频率可以做得更低，并且它的共振频率及振幅特性不完全依赖于压电片本身，而可以主要地由刚性圆片来决定。我们就可以在保证振子具有一定的交流阻抗的条件下（如选定一种合适的压电片尺寸），通过改变刚性圆片的材料、尺寸，以及它和压电片尺寸的比例，加上边界固定的作用（半固定、全固定）等等方法来对它的共振频率及振幅特性作比较合适的调整。例如有一种改进型压电扬声器，它的振子采用两片直径为38毫米、厚度为0.25毫米的压电陶瓷圆片，把它粘结在厚度为0.1毫米的磷铜片两面，边界用中软的橡皮环固定在盆架底部直径为42毫米的圆孔上，其共振频率约在800～850赫。纸盆采用共振频率为100赫左右的锥型纸盆，其半顶角为69°，两者之间用橡皮传动杆耦合，整个振动系统的共振频率约在250赫左右，其频响曲线如图7所示。表1列出了它和一般舌簧扬声器的主要电性能，以作比较。

4．其他形式的压电扬声器：上面介绍的都是圆片弯曲振动形式的压电扬声器。此外还有椭圆形振子、长条形振子、菱形振子、方形振子等等形式的压电扬声器，它们的基本原理相同，有些在性能上更有所改善。还有一种采用柔性压电材料制成的压电扬声器，柔性压电材料不象压电陶瓷那样脆，可以制成软的薄膜状，它既是机电换能系统，也是放声系统，因而结构更简单、重量更轻、占据空间也很少、低频响应有很大的改进，是一种新颖的压电扬声器。

压电扬声器的性能和舌簧扬声器相类似，使用中的注意事项基本相同。但由于压电陶瓷圆片很薄且质地较脆，容易碎裂，因而在运输、保管、使用中应尽量避免剧烈地撞击、敲打和跌落。另外，压电片两面的银层在空气中容易氧化（有些扬声器的振子在制作过程中已在银层表面涂上一层清漆，防止氧化），因而需要把扬声器安装在通风干燥的地方。在有条件的情况下最好安装在扬声器的木匣中（不带盆架的自由式压电扬声器更应如此），这样声音也好听一些。

有些压电扬声器的接线是直接焊接在压电片的银层上的（如自由式）。由于银层与陶瓷体之间的附着力有限，在使用时不要用力拉接线，更不能靠接线来支持扬声器，以免造成接线由陶瓷片上脱落而不响。在扬声器接入线路时应串接一只1～2千欧的保安电阻（实践证明接上电阻后对扬声器的音量影响不大），以防止扬声器短路时对广播线路的影响。此外，在雷电较多的地区，应接入避雷装置。

压电扬声器在使用过程中可能会出现引线脱落、压电片碎裂、振动元件脱胶等故障。在一般情况下这些故障是能够修复的。当引线不慎脱落时，只要压电片上的银层没有严重氧化变质，可以将引线换个地方重新焊上使用。焊接时烙铁的功率要小，焊接速度要快，以防损坏银层。在压电片碎裂不严重的情况下，可以用细铜丝把它们连接起来，再在裂缝及焊接处涂上一层万能胶（图8）。连接时要注意不能造成压电片两面电极的短路。对于脱胶的部位，可采用一般万能胶重新粘结，待干后即可照常使用。（无锡无线电元件二厂）