Efekt piezoelektryczny został odkryty w XIX wieku i po dzień dzisiejszy ma wiele zastosowań. Jest bardzo prostym łącznikiem między elektrycznością a mechaniką – i to w dwie strony.

Jak działa głośnik – przetwornik piezoelektryczny?

Piezoelektryki to materiały, które potrafią generować ładunek elektryczny na swojej powierzchni. Robią to pod wpływem zewnętrznej siły, która je odkształca. Może to być ściskanie lub rozciąganie: zawarte wewnątrz ładunki elektryczne zostają wtedy rozsunięte i można je zebrać z doczepionych okładzin. Mają najczęściej budowę krystaliczną. Występują naturalnie w przyrodzie – np. kwarc – ale są też sztucznie wytwarzane przez człowieka (np. piezoceramika), aby ów efekt był jak najsilniejszy.

Badacze bardzo szybko zauważyli, że efekt ten można odwrócić. Po przyłożeniu do piezoelektryka napięcia (czyli sztucznym doprowadzeniu na jego powierzchnię ładunków), ten wygina się. Co ciekawsze, ta reakcja mechaniczna jest proporcjonalna do przyłożonego napięcia w bardzo szerokim zakresie. Jeszcze jednym ułatwieniem jest fakt, że piezoelektryki reagują nawet na bardzo szybkie zmiany, rzędu milionów razy w ciągu sekundy.

W typowych głośnikach magnetoelektrycznych, jakie możemy spotkać wszędzie dookoła, dźwięk jest wytwarzany przez poruszającą się membranę. W ruch wprawia ją cewka zawieszona w polu magnetycznym, czyli nic innego, jak elektromagnes. Po przyłożeniu do tej cewki prądu zmiennego, membrana porusza się, wypychając i zasysając powietrze. Jednak to nie jest jedyny sposób wprawienia jej w ruch.

Gdyby zaprzęgnąć do tego materiał piezoelektryczny, otrzymalibyśmy głośnik zasilany… napięciem. Wystarczy przyłożyć do kryształu piezoelektrycznego zmienne napięcie, by ten wyginał się w jedną i drugą stronę. Jeżeli do jego powierzchni zostanie przyczepiona membrana, ona również zacznie się poruszać. I tak oto otrzymaliśmy pełnoprawny przyrząd do zamiany napięcia na falę dźwiękową, zwany przetwornikiem piezoelektrycznym lub, w skrócie, piezoprzetwornikiem.

Jak zbudowany jest piezo-przetwornik?

Piezoprzetwornik ma kilka istotnych różnic w odniesieniu do głośnika. Przede wszystkim, jest płaski – jego grubość oscyluje w granicach 0,5mm. To za sprawą specyficznej budowy: membraną jest mosiężna blaszka, a nie tekturowy stożek. Sam kryształ piezoelektryczny ma postać płaskiego dysku – zazwyczaj w kolorze białym – który jest do niej trwale przyklejony. Po drugiej stronie owego dysku została napylona przewodząca warstwa metalu, będąca drugą okładką. Napięcie zasilające przetwornik jest przykładane do blaszki-membrany oraz tej okładziny. Doprowadzają je przylutowane w tym celu przewody. Takie przetworniki piezoelektryczne nazywamy unimorfami.

Unimorfy piezo z przewodami

Piezoprzetwornik piezo unimorf

Specyficznym wariantem głośnika piezo jest przetwornik bimorficzny, nazywany bimorfem. Zawiera on dwa piezo-kryształy podłączone do jednej membrany. Tworzy to dwa przetworniki piezoelektryczne pracujące przeciwstawnie: jeden z nich wygina membranę w jedną stronę, a drugi w drugą. Połączenie bimorfu z dodatkową membraną stożkową zapewnia najwyższą możliwą głośność.

Przetwornik piezo bimorf

Przetwornik piezo bimorf z membraną stożkową

Charakterystyka przetwornika piezo-elektrycznego.

Ważną cechą przetwornika piezoelektrycznego jest silna wrażliwość na „swoją ulubioną” częstotliwość pracy. Chodzi tu o zjawisko rezonansu. Jeżeli przyłożone napięcie ma właśnie taką częstotliwość, co rezonans własny przetwornika, to jego membrana może wychylać się najsilniej – tłumienie drgań jest najsłabsze. W typowych głośnikach takie zjawisko również istnieje, ale nie jest aż tak bardzo uwypuklone. Z tego powodu, piezo-przetworniki działają na ogół na jednej częstotliwości: rezonansowej lub zbliżonej do niej, aby uzyskać jak największą głośność.

Przetworniki piezo również słabo nadają się do reprodukcji dźwięku w szerokim paśmie, np. ludzkiej mowy. Ich rezonans własny wypada, na ogół, na częstotliwości rzędu kilku kiloherców, a poza nim tłumienie jest znaczące. Z tego powodu, niski głos np. mężczyzny, jest odtwarzany z bardzo dużym tłumieniem. Z kolei wysoki głos kobiecy może być odbierany jako nieprzyjemny, wręcz „jazgotliwy”, ponieważ część zajmowanego przezeń pasma wypada w okolicy rezonansu własnego przetwornika.

Powyższe przyczyny powodują, że piezoelektryczne przetworniki dźwięku znalazły szerokie zastosowanie w sygnalizatorach akustycznych. Emitowany przez nie dźwięk ma postać prostego „bip-bip-bip” lub innych, nieskomplikowanych kompozycji, toteż mogą pracować na jednej częstotliwości – na ogół rezonansowej. Wytwarzany wówczas sygnał dźwiękowy ma dużą donośność i jest dobrze słyszalny nawet w otoczeniu innych dźwięków. Przykładem niech będzie sygnalizator cofania w dużej ciężarówce z hałaśliwym silnikiem diesla.