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蜂鸣器工作原理介绍及并联电阻原理

目前市场上广泛使用的蜂鸣器有电磁式与压电式，我司使用的蜂鸣器以压电式为主。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器，压电蜂鸣片（以压电陶瓷为主，如下图所示），阻抗匹配器及共鸣箱，外壳等组成。其主要原理是以压电陶瓷的压电效应，来带动金属片的震动而发声。
压电蜂鸣片

压电陶瓷其实是一能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。所谓压电效应是指某些介质在受到机械压力时，哪怕这种压力微小得像声波振动那样小，都会产生压缩或伸长等形状变化，引起介质表面带电，便会产生电位差，这是正压电效应。反之，施加激励电场或电压，介质将产生机械变形，产生机械应力，称逆压电效应。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。压电式蜂鸣器就是运用其将电能转换问机械能的逆压电效应。
压电蜂鸣器的主要应用电路如下图所示，R为阻抗匹配电阻。

当脉冲信号为高电平时，通过三级管导通，则在蜂鸣器两端形成一个VDC的电压，使压电陶瓷产生形变。当脉冲信号为低电平时，通过三极管关断。此时压电陶瓷形变复原，则在其两端产生一个由机械能转换为电能的电压，此时的电压需要通过阻抗匹配电阻进行释放，从而可使蜂鸣器产生一个稳定频率的声音信号。如下图所示，幅值与VDC相等，频率与芯片控制端口频率相等。
主控芯片端口信号
蜂鸣器端口信号

R=1K时蜂鸣器两端信号

蜂鸣器两端，以及当R=1K时，其等效电容的放电时间为46us

蜂鸣器两端，以及当R=100Ω时，其等效电容的放电时间为6.8us

蜂鸣器两端，以及当R=10K时，其等效电容不能完全放电完成

若将其阻抗匹配电阻去除，则压电陶瓷两端的电压无法释放，这样就会在其两端产生一个稳定的电压，大小与VDC相等，具体如下图所示：

而阻抗匹配器阻值的选取，推荐值为R=VDC*100Ω，我司蜂鸣器两端的电压为10V~12V,因此选取阻值为R=10*100Ω=1000Ω=1KΩ.

现就目前我司使用的一款PA-2220B03为例进行说明：
其内部等效电路如下图所示：

1. SPECIFICATIONS (规格)

Part No.
PA-2220B03
Item (项目)
Specifications [规格]
Conditions[条件]
Operating voltage (Vp-p)
工作电压
1~25Vp-p

Min Sound Pressure Level
最小输出声压
min 85dB
At 2000Hz/9Vp-p Square Wave/10cm
Resonant Frequency (Hz)
额定频率
2.0±0.3kHz

Operating Temperature (℃)
工作温度
-20~+70

Storage Temperature (℃)
储存温度
-30~+80

Case Material/Color
外壳材料及颜色
PPO/Black (聚苯醚，黑色)
阻燃等级：V0

Weight (g)
重量
2.5g

标准测试条件：温度25±3℃，湿度60±10% R.H.
2. DIMENSIONS (尺寸)
Unit: mm 未注公差:±0.5

3. FREQUENCY AND VOLTAGE RESPONSE (频率曲线图)

蜂鸣器声级与驱动电压的关系，接近线性关系：

4. TEST METHOD(测试方法)
SOUND PRESSURE LEVEL,CONSUMPTION(声压测试线路图)

TEST CIRCUIT (测试电路)

5. RELIABILITY TEST (可靠性试验项目)

ITEM
(项目)
METHOD OF TEST
（试验方法）
VARLANCE　AFTER
CONDITIONIN(标准)
1.
Dry Heat Test
(Storage)
高温放置试验
After being placed in a chamber with ＋80±2℃ for 240 hours and then Being placed in natural condition for 4 hours, buzzer shall Be measured.
在+80±2℃的温湿里放置240小时后，再在室温下放置4小时后测试
The value of resonant frequency/current consumption should be in ±10% compared with initial ones. The SPL should be 85dB
2.
Cold Test
(Storage)
低温放置试验
After being placed in a chamber with -30±2℃ for 240 hours and then Being placed in natural condition for 4 hours, buzzer shall Be measured.
在-30±2℃的温湿里放置240小时后，再在室温下放置4小时后测试
3.
Temperature Cycle Test
温度循环试验
Make the test for 5 cycles without applying power as fig then expose to the room temperature for 4 hours
不接电源按下图做5个周期试验，然后室温下放置4小时再测试
4.
Humidity Test
耐湿性试验
After being placed in a chamber with 90 to 95%R.H. at ＋40±2℃ for 240 hours and then being placed in natural condition for 4 hours, Buzzer shall be measured.
在湿度为90－95%，温度为＋40±2℃的温湿箱里放置240小时后，再在室温下放置4小时后测试
5.
Operation life test
工作寿命试验
1. High temperature life test. 240 hours continuous operation at +80℃ at 9Vp-p/Duty 50% 2000Hz
2. Room temperature life test. 240 hours continuous at room temperature with 9Vp-p/Duty 50%,2000Hz
3. Low temperature life test 240 hours continuous operation at -30℃ at 9Vp-p/Duty 50% 2000Hz
6.
Vibration Resistant
耐振动性
Buzzer shall be measured after being applied vibration of amplitude of 1.5mm with 10 to 55Hz band of vibration frequency to each of 3 perpendicular directions for 2 hours.
振动频率10~55Hz,振幅为1.5mm，朝X、Y、Z轴三个方向振动2小时后测试
7.
Drop Test
跌落试验
Drop a product naturally form the height of 500mm onto the surface of 100mm thick wooden board. Two directions: This is upper and side of the product are to be applied for this drop test tespectively once.
从500mm高度将产品自然跌落在100mm厚板上按正、侧面方向各做二次跌落试验，观察此产品能否承受跌落试验。
8.
Solder ability
（焊接试验）
Lead terminals are immersed in rosin for 5 seconds and then immersed in solder bath of +255±5℃ for 2±0.5 seconds

6. RELIABILITY TEST (可靠性试验项目)

以上面测试电路为例，通过计算可知匹配电阻的取值范围，假设三极管放大倍数为200，控制频率为2KHz，控制电压为5V，三极管基极限流电阻为1KΩ，蜂鸣器的等效电容为25000PF。VDC=9V。
⑴ 则匹配电阻要满足的放电时间为：
t<1/2*1/2000 S=250uS
t= RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)]=RC*ln9≈2*RC=2*0.000000025*R<250uS
则R<5KΩ
⑵ 要满足三极管工作在饱和区，则需满足I c<βI b
I b=（5-0.7）/1000=4.3mA
I c=（9-0.3）/R<200*4.3mA
则R>10.2Ω
综合（1）（2）可知，R的取值为 10.2Ω<R<5KΩ
当三极管工作在饱和区时，三极管Vce=0.3V,则加在电阻两端的电压为Vr=9-0.3=8.7V
则其电阻的功耗为P=U*U/R=8.7*8.7/R
因为 10.2Ω<R<5KΩ
所以 8.7*8.7/10.2>P>8.7*8.7/5000
则 7.4W>P>0.015W