Виды излучателей акустических систем: преимущества и недостатки

Содержание

Конструкция

Пьезоэлектрический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесен слой пьезоэлектрика, имеющий на внешней стороне токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются двумя контактами. Для увеличения громкости звука к металлической пластине может крепиться небольшой рупор в виде металлического или пластикового купола с отверстием. В качестве рупора также может использоваться углубление в корпусе устройства, в котором используется пьезоизлучатель.

Пьезоэлектрические излучающие элементы могут иметь сферическую или цилиндрическую форму поверхности.

Особенности прибора

Пьезоизлучатель — это небольшой аккуратный элемент

Ультразвуковые увлажнители относятся к разряду надежной и эффективной техники для дома. Принцип увлажнения воздуха прибором заключается в использовании уникальной мембраны.

Ультразвуковая мембрана для увлажнителя воздуха под воздействием высокочастотных колебаний превращает залитую в резервуар воду во влажную пыль. С помощью вентилятора, воздух из комнаты засасывается в прибор, проходит сквозь водяную пыль, очищается и насыщается влажностью и подается обратно в комнату, но уже в виде тумана. Принцип холодного пара позволяет применять прибор в помещениях, где живут маленькие дети: пьезоизлучатель для увлажнителя воздуха не греет воду и является безопасным в использовании.

Индивидуальные задания

В предложенной мелодии попробуйте изменить темп исполнения и сделайте паузу 5 секунд между повторами.
Элементы массива beats[] принимают значения только от 0 до 255. Измените разрядность элементов массива и посмотрите в выводе компилятора, как это повлияет на объем памяти, занимаемой программой.
Теперь попробуйте самостоятельно изменить мелодию. Например, вот “Имперский марш” из того же кинофильма: int notes[] = {A4, R, A4, R, A4, R, F4, R, C5, R, A4, R, F4, R, C5, R, A4, R, E5, R, E5, R, E5, R, F5, R, C5, R, G5, R, F5, R, C5, R, A4, R}; int beats[] = {50, 20, 50, 20, 50, 20, 40, 5, 20, 5, 60, 10, 40, 5, 20, 5, 60, 80, 50, 20, 50, 20, 50, 20, 40, 5, 20, 5, 60, 10, 40, 5, 20, 5, 60, 40}; В этой мелодии присутствуют паузы R. Дополните код так, чтобы обработать эту особенность.

Остальные статьи цикла можно найти здесь.

Описание и схема работы зуммера

Зуммер, пьезопищалка – все это названия одного устройства. Данные модули используются для звукового оповещения в тех устройствах и системах, для функционирования которых в обязательном порядке нужен звуковой сигнал. Широко распространены зуммеры в различной бытовой технике и игрушках, использующих электронные платы. Пьезопищалки преобразуют команды, основанные на двухбитной системе счисления 1 и 0, в звуковые сигналы.

Пьезоэлемент “пищалка”

Пьезопищалка конструктивно представлена металлической пластиной с нанесенным на нее напылением из токопроводящей керамики. Пластина и напыление выступают в роли контактов. Устройство полярно, имеет свои «+» и «-». Принцип действия зуммера основан на открытом братьями Кюри в конце девятнадцатого века пьезоэлектрическом эффекте. Согласно ему, при подаче электричества на зуммер он начинает деформироваться. При этом происходят удары о металлическую пластинку, которая и производит “шум” нужной частоты.

Устройство пьезодинамика пищалки

Нужно также помнить, что зуммер бывает двух видов: активный и пассивный. Принцип действия у них одинаков, но в активном нет возможности менять частоту звучания, хотя сам звук громче и подключение проще. Подробнее об этом чуть ниже.

Модуль пищалки для Ардуино

Если сравнивать с обыкновенными электромагнитными преобразователями звука, то пьезопищалка имеет более простую конструкцию, что делает ее использование экономически обоснованным. Частота получаемого звука задается пользователем в программном обеспечении (пример скетча представим ниже).

Описание и схема работы зуммера

Пьезоэлемент “пищалка”

Устройство пьезодинамика пищалки

Модуль пищалки для Ардуино

Особенности приборов, измеряющих вибрации

Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.

Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.

Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:

пьезопреобразователь включают в автогенератор;
кристалл находится на резонансной частоте;
как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.

Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.

Декорирование универсальной жаровни

Получившуюся многофункциональную барбекюшницу можно оснастить дополнительными функциями и украсить конструкцию декоративными элементами:

разделочный стол – удобен для укладки продуктов в коптильню, нанизывания шампуров, фасовки готовых блюд;
навес – защитит от временных осадков и снега зимой;
поленница – избавит от хождения в процессе приготовления пищи;
кованые и витые элементы – повысят художественную ценность конструкции.

Если оснастить универсальный очаг колесами, мангал-коптильню можно будет перемещать по участку, чтобы при изменении ветра продукты горения не мешали отдыху гостей и членов семьи.

Таким образом, минимум из двух 50 л баллонов б/у для хранения пропан-бутановой смеси получается многофункциональный очаг. На нем можно приготовить барбекю или шашлык, коптить мясные продукты круглогодично.

Газовый баллон — один из лучших материалов

для изготовления коптилен. И сделать это довольно легко, если точно следовать инструкциям.

А получившуюся в результате конструкцию можно использовать не только по прямому назначению, но еще и в качестве барбекю или мангала.

Первая программа

Для начала попробуем воспроизвести простой тональный сигнал, периодически меняющий свою частоту. Скомпилируйте и загрузите следующий код:

#include <avr/io.h> #define F_CPU 16000000UL //16MHz #include <util/delay.h> int main(void) { DDRC |= 1<<5; PORTC &= ~1<<5; while(1) { for(int i=0; i<1000; i++) { PORTC |= 1<<5; _delay_us(500); PORTC &= ~1<<5; _delay_us(500); } for(int i=0; i<500; i++) { PORTC |= 1<<5; _delay_ms(1); PORTC &= ~1<<5; _delay_ms(1); } } }

Чтобы разобраться с этой программой нужно иметь представление о физике звука. Это механические колебания с относительно низкой частотой, слышимые ухом. Чем выше частота колебаний, тем выше воспроизводимая нота. В начале происходит настройка вывода PC5 на выход, а в основной части программы прокручиваются два цикла. В первом цикле на 500мкс выставляется высокий уровень напряжения на выводе, а затем на 500мкс и цикл этот повторяется тысячу раз. Другими словами период сигнала составляет 1000мкс (или 1мс), а частота 1кГц. Если мы повторяем этот сигнал 1000 раз, то звучать он будет ровно одну секунду. В результате работы этого цикла в течении одной секунды будет воспроизводиться звук с частотой 1кГц. Во втором цикле период сигнала будет 2мс, частота 500Гц, а повторяться он будет 500 раз, то есть в течении одной секунды. В результате работы всей программы вы будете слышать, что частота сигнала меняется раз в секунду.

Как установить пьезодатчик на акустическую гитару

Теперь рассмотрим, как установить пьезодатчик на акустическую гитару. Установка некоторых моделей не занимает много времени. Например, «таблетку» можно разместить на любом месте деки. Крепится она за счет клейкой основы.

Намного сложнее с линейными пьезоэффектами. Новичкам лучше обратиться к профессиональным гитаристам. Но также можно сделать это самостоятельно в домашних условиях. Как правило, в комплекте с пьезодатчиками идут: блок питания, гнездо для провода и фурнитура.

Последовательность действий:

Снимите задний порожек, просверлите отверстие для размещения там пьезокристалла.
Разметьте место, где будет находиться термоблок. Сделайте для него отверстие и поместите туда блок.
Просверлите третье отверстие для выхода провода. Оно должно располагаться там, где находится разъем для джека в электрогитарах. Установите припаянное гнездо для провода.

С появлением новых технологий можно усовершенствовать любой акустический инструмент. Но прежде чем заняться установкой пьезодатчика на акустическую гитару, точно определите, что вам нужно и зачем: мягкий живой звук или электрический. Подзвученная классическая гитара не заменит электрогитару, так как датчики используются для озвучивания инструмента, а не для экспериментов со звуковыми эффектами.

Подключения зуммера к Arduino

Подключение модуля пьезоэлемента к Ардуино выглядит достаточно простым. Потребляемый ток маленький, поэтому можно просто напрямую соединить с нужным пином.

Подключение пищалки к Ардуино (порт 12)

Электрическая схема подключения пьезоэлемента без сопровождающих модулей выглядит следующим образом.

Схема подключения зуммера

На некоторых вариантах корпусов зуммера можно найти отверстие для фиксации платы при помощи винта.

Зуммер arduino имеет два выхода

Следует обратить внимание на их полярность. Темный провод должен быть подключен к «земле», красный – к цифровому пину с PWM

Один вывод настраивается в программе как «вход». Arduino отслеживает колебания напряжения на выводе, на который подаётся напряжение с кнопки, резистора и датчиков.

Пищалка Арудино с названиями контактов

Напряжение на «вход» подается различное по значениям, система четко фиксирует только два состояния – вышеупомянутые 1 и 0 (логические ноль и единица). К логической единице будет относиться напряжение 2,3-5 В. Режим «выход» – это когда Arduino подает на вывод логический ноль/единицу. Если брать режим логического нуля, тут величина напряжения настолько мала, что ее не хватает для зажигания светодиода.

Схема подключения пищалки к Ардуино

Обратите внимание, что входы довольно чувствительны к внешним помехам разного рода, поэтому ножку пьезопищалки через резистор следует подключать к выводу. Это даст высокий уровень напряжения на ножке

Используемое оборудование

Учитывая высокую стоимость аппарата УЗ-сварки, многие домашние мастера подумывают о самостоятельном изготовлении установки. К сожалению, это не сварочный трансформатор и даже не выпрямитель, и для проектирования и создания аппарата потребуются серьезные знания и навыки в области акустики и электроники. Кроме того, для изготовления деталей излучателя и волновода нужны станки высокого класса точности, недоступные в домашних условиях.

Пресс для ультразвуковой сварки

Оборудование для ультразвуковой сварки разделяют на три категории:

точеное;
шовное;
шовно–шаговое.

Диапазон мощности — 50 ватт до 2 киловатт, рабочая частота в районе 20-22 килогерц

Основной узел установки ультразвуковой сварки — генератор колебаний и преобразователь электрических колебаний в механические той же частоты.

Механические колебания ультразвукового генератора преобразуются магнитострикционным преобразователем. Для отведения излишнего тепла используется водяная система охлаждения

Волновод транспортирует энергетический поток к месту сваривания. На его рабочем окончании смонтирована сменная сварочная головка. Ее геометрические параметры выбирают, исходя из материала заготовки, его толщины и вида шва. Так, для приваривания выводов микросхем берут головку, заканчивающуюся тонким жалом.

Волновод

Опорная рама служит для размещения всех узлов и деталей. На ней также монтируется механизм перемещения заготовки или головки волновода.

Звуковая волна

Звук — это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но
воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку
уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения.

Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году
поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт
доказывает, что для распространения звука необходима среда.

Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо
слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к
другому концу, можно ясно услышать тиканье часов.

Звуковая волна
распространяется через дерево

Источник звука — это обязательно колеблющиеся тела. Например, струна на
гитаре в обычном состоянии не звучит, но стоит нам заставить ее совершать

колебательные движения, как возникает звуковая волна.

Однако опыт показывает, что не всякое колеблющееся тело является источником
звука. Например, не издает звук грузик, подвешенный на нити. Дело в том, что
человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела,
колеблющиеся с
от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми.
Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком. Колебания с
частотой больше 20000Гц называются ультразвуком.

Примеры мелодий для зуммера

Для того, чтобы разнообразить работу с новым проектом, добавить в него «развлекательный» элемент, пользователи придумали задавать определённый набор частот звука, делая его созвучным некоторым знаменитым композициям из песен и кинофильмов. Разнообразные скетчи для таких мелодий можно найти в интернете. Приведем пример мелодии для пьезопищалки для одного из самых узнаваемых треков «nokia tune»из ставших легендарными мобильников Nokia. Файл pitches.h можно сделать самим, скопировав его содержимое так, как указано в этой статье на официальном сайте.

При написании собственных мелодий пригодится знание частот нот и длительностей интервалов, используемых в стандартной нотной записи.

Частота нот для пищалки Ардуино

Принцип действия

Магнитостатическая АС

Тонкая плоская мембрана (диафрагма) упруго натянута на обечайку (жёсткую рамку), на неё нанесены проводники (дорожки), по которым проходят токи звуковой частоты. Постоянные магниты, симметрично расположенные по обеим сторонам мембраны, создают статическое магнитное поле.
Звук создается так же, как в обычном динамическом громкоговорителе: Ток, протекающий в проводниках, взаимодействует с магнитным полем, а те (проводники) приводят в движение (создают колебания) плёнку.
При этом, из-за своей дипольной структуры этот тип динамика излучает звук в основном вперёд и назад.

Проводники для плёнки, как правило, реализуются в двух вариантах:
первый, более дешёвый и применимый для более низких частот — когда медная проволока прошивается сквозь пленку либо крепится на ней с помощью клея (недостатки — неравномерность, немонолитность и повышенный вес);
также применяется вариант с токопроводящей фольгой (чаще всего алюминиевой, реже — медной), которая может быть нанесена на плёнку, например, с применением температурной адгезии, или же также с использованием клея (однако, соединение пленка/проводник подвергается серьезным температурным и механическим нагрузкам, и требования к самой пленке и к соединению очень высоки).

Конструкция, при которой поверхность мембраны гофрирована (сложена «в гармошку»), для повышения жёсткости, называется излучателем Хейла (также именуется — Air Motion Transformer, AMT).

Преимущества и недостатки:

Магнитостатические динамики обеспечивают хорошее качество звука и могут быть конструктивно очень тонкими, но для воспроизведения низких частот с достаточной чувствительностью их размеры по высоте и ширине должны быть довольно большими;
Движущая сила равномерно прикладывается ко всей поверхности излучателя (отсутствует т.н. «зонный эффект», как у динамических громкоговорителей);
минимальная, исчезающее малая инертность подвижной системы и минимальное влияние подвеса на ее перемещение;
весьма низкий коэффициент нелинейных искажений (КНИ);
почти резистивный импеданс, нет индуктивной составляющей и сопротивление линейно почти во всем диапазоне частот (кроме ВЧ);
не требуется доп. электропитание (в отличие от электростатических АС)
простота конструкции и, соответственно, меньшая стоимость, нежели чем у электростатических АС.

Ввиду большой площади излучателя — позиционирование источников звука у планаров, как правило, хуже (не являются точечным источником звука);
довольно высокая (иногда даже острая) направленность излучения звука (в общем случае, слушатель обязан постоянно находиться точно по центру прослушивания и тогда сохраняется точность стереопанорамы);
дипольная диаграмма излучения вынуждает добавляет сложности при размещении их в комнате (во избежание переотражений сзади); однако это дает и плюс — малые отражения от потолка и пола;
небольшой ход мембраны (не может быть создано значителньное звуковое давление); также малая отдача на НЧ (но лучшая чем у электростатов, это позволяет ограничиться, в случае необходимости, добавлением лишь сабвуфера, без использования доп. НЧ-звена);
импеданс магнитостатического динамика в основном резистивный, но в некотором диапазоне (на ВЧ) может быть настолько низким, что усилитель должен быть способен к работе с крайне низкоомной нагрузкой.
ощутимый нагрев планарной звуковой катушки приводит к размягчению тонкопленочного излучателя (диафрагмы); происходящая вследствие этого потеря жёсткости может привести излучатель в негодность.

Несмотря на достаточно высокие потребительские характеристики и на то, что технология как таковая существует довольно давно, планарные системы до сих пор не получили такого же распространения, как конструкции на основе динамических громкоговорителей.

Распространенные неисправности

Неприятный запах

Появление неприятного запаха — повод проверить работоспособность пьезоизлучателя

Появление стороннего запаха свидетельствует о застое воды, если прибор длительное время не использовался, и вода не была слита. Также причиной может быть засорение системы фильтрации. Решение: полная чистка прибора с использованием специальных средств, замена фильтров.

Отсутствует подача воздуха

В том случае, когда увлажнитель работает, но воздух не идет необходимо проверить работоспособность вентилятора. Причиной неисправности может быть и засорение фильтра воздухозаборной решетки. Решение: замена фильтрующего элемента или вентилятора.

Совсем не включается

При отсутствии питания прибор теряет работоспособность. При обнаружении неприятности проверить есть ли напряжение в линии. Также данная проблема актуальна при выходе из строя предохранителя вилки. Решение: замена предохранителя, вилки или проводов.

Пьезоизлучатели

Основу конструкции пьезоизлучателей составляют пьезокерамические преобразователи. Различают пьезоизлучатели, служащие для генерации звука слышимого диапазона и ультразвука.

Пьезоизлучатели звука широко применяются в телефонных аппаратах, часахбудильниках, микрофонах, бытовой технике, офисном оборудовании (ноутбуки, принтеры и др.), системах аварийной, противопожарной и охранной сигнализации, электронных игрушках.

Они также используются в охранных целях в качестве источников зашумления, обеспечивающих защиту от утечки речевой информации в помещениях путем создания заградительного шума. При этом становится возможным нейтрализовать как непосредственное подслушивание в условиях плохой звукоизоляции помещения, так и подслушивание, осуществляемое с помощью специальных технических средств: микрофонов, установленных в полостяхе снт , в надпотолочном пространстве, вентиляционных коробах и т.п.; стетоскопов, установленных в стенах, потолках или полах, а также в трубах водо- (тепло-, и газо-) снабжения и т.п.; лазерных и микроволновых систем съема аудиоинформации с окон и элементов интерьера.

Одним из эффективных применений пьезоизлучателей звука является создание звуковых индикаторов, предназначенных для повышения безопасности вождения автомобилей, особенно в ночное время. Такие устройства препятствуют засыпанию водителя во время движения. Благодаря специальной конструкции их можно закреплять за ухом, так что при глубоком наклоне головы (в момент засыпания) они включатся, генерируя громкий сигнал, который мгновенно будит водителя.

Пьезоизлучатели ультразвука получили большое распространение, прежде всего, благодаря особенностям воздействия ультразвука на различные вещества. В частности, пьезкерамические преобразователи играют роль активных элементов в ультразвуковой (УЗ) аппаратуре, предназначенной для обработки жидких и жидкодисперсных сред (рис. 1.15). При этом под действием ультразвука в этих средах интенсифицируются процессы диспергирования, экстракции, растворения, кристаллизации, очистки, гомогенизирования и др. Разновидностью такой аппаратуры, используемой в быту, являются ультразвуковые стиральные машины.

Рис. 1.15. Ультразвуковые колебательные системы на основе пьезокерамических преобразователей для воздействия на жидкие среды

Подобного рода ультразвуковая аппаратура широко используется для мелкодисперсного распыления жидкостей, например, при сушке кофе, молока, молочных продуктов, растительных лекарственных препаратов, полировальных составов в электронной промышленности.

Важная область применения ультразвуковых пьезоизлучателей – медицина.

В терапии используются разнообразные аппараты, действие которых основано на явлениях, возникающих в биологических тканях при прохождении через них ультразвуковых волн, а именно: локальный нагрев тканей в результате поглощения ультразвука, эффекты физикохимического характера, инициированные ультразвуком, и т.п. (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Рабочие наконечники блока ультразвуковой терапии

В хирургии используются непосредственный контакт ультразвукового излучателя с тканью, а также воздействие на ткани фокусированным ультразвуком, что особенно эффективно для создания локальных разрушений в тканях организма.

В стоматологической практике получили распространение ультразвуковые инструменты для механической обработки поверхностей зубов.

Ультрозвуковая аппаратура применяется для приготовления экстрактов из растительного сырья, приготовления кремов, мазей и других лекарственных препаратов.

Одним из хорошо известных применений ультразвуковых пьезоизлучателей является создание устройств отпугивания грызунов и насекомых, которые не переносят действие ультразвуковых колебаний и покидают места своего обитания.

Подключения зуммера к Arduino

Электрическая схема подключения пьезоэлемента без сопровождающих модулей выглядит следующим образом.

На некоторых вариантах корпусов зуммера можно найти отверстие для фиксации платы при помощи винта.

Зуммер arduino имеет два выхода

Подключение пьезоизлучателя к Ардуино

Для этого занятия нам потребуется:

плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
макетная плата;
пьезоизлучатель звука (Arduino buzzer);
провода «папа-папа».

Подключение пищалки (буззера) к Ардуино на схеме После того, как вы собрали схему и подключили пьезоизлучатель и Arduino, как на картинке выше, загрузите следующий скетч в микроконтроллер Arduino Uno. Воспроизведение звука на Ардуино выполняется функцией tone(), где в скобках указывается номер пина и частота звука. Чтобы отключить звук на зуммере (пьезодинамике Ардуино) необходимо использовать функцию noTone().

Скетч включения пьезодинамика функцией tone

void setup() { pinMode(10, OUTPUT); // объявляем пин 10 как выход } void loop() { tone (10, 600); // включаем на пьезодинамик 600 Гц delay(1000); // ждем 1 секунду tone(10, 900); // включаем на пьезодинамик 900 Гц delay(1000); // ждем 1 секунду noTone(10); // отключаем пьезодинамик на пин 11 delay(1000); // ждем 1 секунду }

Пояснения к коду:

процедуры setup и loop Ардуино должны присутствовать в любой программе (скетче), даже если вам не нужно ничего выполнять в них — пусть они будут пустые, просто не пишите ничего между фигурными скобками;
каждой открывающей фигурной скобке { всегда соответствует закрывающая }. Они обозначают границы некого логически завершенного фрагмента кода. Следите за вложенностью фигурных скобок в программе.

Скетч плавного изменения частоты зуммера

void setup() { pinMode(10, OUTPUT); // объявляем пин 10 как выход } void loop() { // увеличиваем частоту звука for (int x = 0; x < 500 ; x++){ tone (10, x); delay(1); } // уменьшаем частоту звука for (int x = 500; x > 0 ; x—){ tone (10, x); delay(1); } }

Пояснения к коду:

для изменения частоты активного зуммера Ардуино используется цикл for, с помощью которого мы перебираем частоту звука от 0 до 500 и обратно.

Заключение. Мы рассмотрели, как включить пьезодинамик (пищалку) от Ардуино. Данная информация пригодится при создании проектов, в которых требуется звуковой сигнал при включении устройства на плате Arduino или при других случаях. Для уменьшения громкости сигнала активного пьезодинамика Ардуино можно использовать резисторы с разным номиналом, включая их в электрическую цепь.

Виды излучателей акустических систем

Конструкция

Особенности прибора

Индивидуальные задания

Описание и схема работы зуммера

Описание и схема работы зуммера

Особенности приборов, измеряющих вибрации

Декорирование универсальной жаровни

Первая программа

Как установить пьезодатчик на акустическую гитару

Подключения зуммера к Arduino

Используемое оборудование

Звуковая волна

Примеры мелодий для зуммера

Принцип действия

Распространенные неисправности

Неприятный запах

Отсутствует подача воздуха

Совсем не включается

Пьезоизлучатели

Подключения зуммера к Arduino

Подключение пьезоизлучателя к Ардуино

Скетч включения пьезодинамика функцией tone

Пояснения к коду:

Скетч плавного изменения частоты зуммера

Пояснения к коду:

Похожие записи: