蜂鳴器

蜂鳴器依照動作原理,分為電磁式、壓電式和機械式。 昊宬將依照客戶的使用情境和期望,推薦適宜的蜂鳴器種類。 以下將針對蜂鳴器的動作原理、發聲特徵、電壓電流、自激他激以及連接方式等面向分別述說。

1. 運作原理

電磁式蜂鳴器是將矽鋼片、磁鐵、音圈、T鐵等置於塑殼內。 其中,矽鋼片在電磁效應之下,會因交變電場(V0p)而上下往復振動,而產生聲音。 由於訊號是V0p,代表通電時振膜被向下吸,不通電時振膜依恢復力向上彈回原位置。 磁鐵強度越強、音圈扎數越多,都能提高聲音表現。 電磁式蜂鳴器的振膜需置於台階上固定,台階有三種: 第一種為鐵氧體加上塑膠外殼製成的台階,第二種用塑磁額外一體成形一個台階,第三種為鐵氧體加上銅環製成的台階。

蜂鳴器矽鋼片重量、配重片重量、音圈扎數和繞法、磁鐵材質以及銅環的配置,都會影響動作。下圖為振膜和配重片互相搭配,以微調振動質量。

壓電蜂鳴器是將陶瓷壓電片黏合在塑殼之內。 其中,壓電片在壓電效應之下,會因交變電場(Vpp)而上下往復振動,而產生聲音。

壓電片的固定方法有很多種,不同的黏結位置會有不同的效果。 以下是邊緣固定式(edge support/ circumference fixing method)和節點固定式(node support/ nodal mounting method)。

而壓電片的介電係數、直徑厚度,以及蜂鳴器的腔體、管道的尺寸都會影響動作。

電磁式蜂鳴器的作用原理和喇叭雷同,可說都是用電磁力。 惟電磁式蜂鳴器的音圈不動,而是振膜本身就是磁導體, 是它會受音圈電磁鐵吸引,並產生週期性的吸、放動作。 相對而言,喇叭的音圈和振膜連於一體,都會移動, 固定的部分是喇叭的磁鐵和軛鐵。

2. 發聲特徵

電磁式蜂鳴器適合發出2khz~ 4khz的聲音,尤其是2,400hz或2730hz左右,從刺耳的警示音到婉轉的提示音都能發出。 人耳對此頻段較為敏感,這是因為耳道長度共振強化的關係。 電磁式蜂鳴器的特點是有分為上出音孔(top port)或側出音孔(side port), 可依照機構出音孔的位置來挑選,一般都是選用上出音。 側出音蜂鳴器通常置於兩個水平平面的狹窄空隙當中, 也就是上出音位置被上面的平板擋住了, 所以只好從側出音,讓聲音從兩板狹縫中傳播出來。 壓電蜂鳴器通常適合發出較高頻率的聲音,例如4khz左右,音質較為刺耳,可達到警示的效果。 壓電片之所以頻段較高,是因為他們的振膜鋼性較高,而且腔體也較為扁平狹小。

另外,蜂鳴器一般都是輸入方波(square wave),方波的豐富諧波使得警示效果十分明顯; 喇叭在測試時發弦波(sine wave),其餘時間都是發出複雜的音樂或語音波形。

蜂鳴器可以調整方波的週期(Duty)來改變大小聲。 以電磁式的V0p而言,低(Low)的占比越高,聲音越小。 以壓電式的Vpp而言,則可藉由周期來調整諧波次方數和各自諧波的強度,以調整不同頻點的音壓。

NO / Duty

Hi 50% / Low 50%

Hi 25% / Low 75%

Hi 10% / Low 90%

Hi 5% / Low 95%

NO.1 (dB)

90

87.6

80.4

67.8

NO.2 (dB)

93

90.3

83.1

71.2

NO.3 (dB)

92.5

90.2

83

70.3

Buzzers aren’t used to play low frequencies. 蜂鳴器不適合發出太低的聲音,一來是低音的警示效果不佳, 二來是低頻的聲音不太大聲。若要播放低頻聲音,建議使用喇叭。 由於喇叭的振膜為軟性的材質,既不是矽鋼片也不是陶瓷片,所以音質較為柔和溫順,適合播放人聲和音樂。

蜂鳴器的音質較為尖銳,頻寬也較窄,這是因為他的Q值較高、阻尼較低。 喇叭的Q值較低,所以頻寬也較寬。 蜂鳴器的發聲頻點多半在共振頻率(fo)附近,因此fo附近的頻率響應會特別突出。喇叭對音質的要求為,頻率高於共振頻點後,要求是盡量平坦的寬頻響應。 這是因為喇叭播的是寬頻訊號,而不是蜂鳴器的單音嗶嗶音。

3. 外觀尺寸

電磁式蜂鳴器尺寸較壓電式的小,但是厚度比較厚。 電磁式DIP一般為phi 9mm和phi 12mm,SMD的為5.2*5.2mm、7.5*7.5mm、8.5*8.5mm和12*12mm等。 壓電式的DIP從phi 13mm、phi 17mm和phi 22mm;SMD的從9*9mm、12*12mm和17*17mm; 帶線式的則各種尺寸都有。 有時因為警示音要大聲,所以蜂鳴器的尺寸也會跟著較大,可達直徑30mm~40mm等。 相較之下,喇叭一般的尺寸都比較大,音量較大的喇叭大概都至少phi 20mm, 昊宬的常規尺寸約phi 20mm至phi 40mm左右,所以蜂鳴器有體積尺寸較小的優點。

4. 電壓電流

就電磁式蜂鳴器而言,其中的矽鋼片對電流敏感而非電壓,輸入電流越大,聲音越大聲。 這是因為電磁力為Bli,主要看的還是電流部分。 但這不代表電磁式的電流一定要高,有時輸入電流最低到1.5V,就能讓蜂鳴器發出足夠大聲的聲音,約70或75dB。 不過,電磁式蜂鳴器的電壓輸入範圍通常很窄,約在5V電壓差的範圍之內。 超過電壓上限,聲音大小也已飽和,更有損壞的風險。 。由於電磁式是電磁力驅動,所以他的耗電流一般較高, 可能為40mA~150mA而定,端看電感的Q值與反感應電動勢(back EMF)而定。 反感應電動勢越高, 則諧振頻點的耗電流越低。

壓電片對電壓敏感而非電流, 輸入電壓越大,聲音越大聲。 通常輸入電壓須至少3V,才能讓蜂鳴器發出足夠大聲的聲音。 壓電片可以耐到非常高的電壓,例如20V或30V都行,如此的聲音就會非常大聲。

通常專門的警報器都需要高電壓輸入,而且警報器的響聲較為特殊,通常內部已含音訊電路,只需直流供電即可。 這樣子的警報器發出的通常並非單頻長音或單頻短促音,而是多頻、多聲調的警報聲。 最後,壓電蜂鳴器因為是電容性元件,所以耗電流極低,約莫1mA~10mA,適合用在省電的終端產品上,例如僅靠電池電源來運作的手持式產品等。 更由於壓電是電容,因此要使用此蜂鳴器一定要滿足其完整的充電和放電循環才會動作。 用一般電磁式的方式,接上此壓電式是不會動作的,因為只能充電,卻無法放電。 此時要動作要與蜂鳴器並聯一個電阻,此電阻值的大小與使用電壓和蜂鳴器大小有關,才會動作。

5. 自激 / 他激

若蜂鳴器內含振盪電路,則稱為自激(或稱有緣)蜂鳴器; 若蜂鳴器內不含任何振盪電路,則稱為他激(或稱無緣)蜂鳴器。 他激的好處是可以自由設計輸入的音訊,所以輸入訊號是AC頻率訊號, 但仍建議訊號頻率要設在諧振頻率附近,才能得到最大的聲音。 自激的好處是需直流電源, 所以使用一般電池就可以發出聲音,不過發出的頻率出廠即固定,已由內部的振盪電路所決定。 自激線路的範例如下,有雙晶體振盪電路或是由振盪IC負責, 一般都會用環氧保護此電路。 由於IC有輸入電壓的限制,所以自激式的工作電壓會比他激的還要窄。

就壓電式蜂鳴器而言,他激一般使用邊緣固定式,自激使用節點固定式。 將蜂鳴片固定於約與陶瓷片直徑相同的環形結構內,這周邊點接近壓電片自由諧振(free-state resonance)時的節點圓周部位 如此,壓電片自由諧振時,這個節點理論上恰好是不會振動的,這個自由諧振模式稱為彎曲振動模式(bending vibration mode)

節點支持的振動模式,因為剛好在自由諧振特點上,所以特點阻抗特性影響小,換能效率高 因為振動結構恰在節點,所以這個模式不會壓抑機械性振動,使得諧振頻率之處音壓級很大。 由於節點固定的音壓大與否,取決於有沒有在諧振頻率附近, 所以他通常是自激,也就是給定輸入頻率的。 這種方式比周圍支撐還要穩定, 因為壓電片與外殼的接觸面積愈小越好,壓力比較容易控制得均勻、適中。

邊緣固定式,就是將蜂鳴片外徑邊緣, 也就是銅環外緣固定於共振圈內,或是用支撐環(supporting ring)固定蜂鳴片的邊緣。 這種固定方式,由於不是讓蜂鳴片在自由狀態下在節點附近振動,所以會壓抑蜂鳴片的振動(suppress the fundamental resonant frequency)。 如此一來,諧振頻率該點的音壓值會下降,但是在此點周圍的曲線是很平坦的,不會像節點固定的曲線起伏很大。 通常這種蜂鳴器是他激式,可以在諧振頻率附近寬廣的頻率範圍產生高音壓級, 讓客戶自由選定輸入頻率也不會讓音壓降低太多。

6. 放置方式與連接

電磁式蜂鳴器通常是帶PIN或SMD,比較少是帶線類型。 電磁式蜂鳴器因為有音圈,所以耗電量較大。 電磁式蜂鳴器適合放在靜置的終端產品或穩定水平放置的環境當中。壓電蜂鳴器通常是帶線或是帶PIN,比較少是SMD類型,帶線的好處是可以自由的固定在成品機構上。 此類蜂鳴器十分耐撞擊,也可適用於各種較嚴苛的環境。 若尺寸很大,為了方便固定我們通常會附有鎖耳, 並且盡量以橢圓形為主,方便裝設容差。

尚有一種蜂鳴器為機械式蜂鳴器,設計歷史悠久, 它設計大多是市電的聲音(60hz)或機器動作的聲音(400hz),故名為機器式蜂鳴器。 它的鳴叫聲較一般蜂鳴器還要低沉沙啞且粗糙, 僅用在大型控制機具上,並不普及。 它的優點是控制簡單,例如直接給市電(110V/220V) 或給電瓶電壓(12V /24V)就會鳴叫,無須電子迴路控制。