Как увеличить громкость пьезо пищалки

21.10.2014

В электронике часто используют звуковые пьезоэлектрические динамики или буззеры пьезоэлектрические (piezo buzzer). В народе - пищалки или пьезо пищалки. Они могут быть разных размеров, но идея у них одинаковая: использование обратного пьезоэффекта для генерирования звука. Такие пьезо пищалки могут быть со встроенным генератором. Достаточно подать на них напряжение и они будут монотонно пищать. Но большинство из них - без генератора. О них и пойдет речь. Основная проблема при использовании таких пищалок - это повышение их громкости. Вы должны понимать, что речь идет о генерации звука дискретным выходом в цифровых схемах, а не о повышении мощности аналогового звукового сигнала.

Если подключить такую пьезопищалку к микроконтроллеру, как показано на схеме, - громкость будет слабой.

На самом деле, чтобы добиться нормальной громкости пьезопищалки надо обеспечить три основных условия:

оптимальное напряжение, подаваемое на пьезопищалку (около 20 В);
частота должна быть близкой к резонансной. Для многих - в диапазоне 2500..3500 Гц;
правильно подобранный резонансный объем.

Кстати, об этом почти никто не говорит, хотя правильный подбор геометрии объема эффективно влияет на повышение громкости. Вы наверное обратили внимание, что "фирменные" пищалки продаются в корпусе. Этот корпус и создает оптимальный резонансный объем и имеет оптимальное отверстие для выхода звука.

Схема повышения напряжения

Существуют различные схемы повышения напряжения. Я перебрал несколько из них и остановился на той, с которой добился лучших результатов:

Эта схема выдает монополярные импульсы, но она достаточно проста и компактна. Самая большая деталь по размеру - это дроссель. Работает схема следующим образом: когда открывается транзистор, через дроссель начинает течь ток. Ток на дросселе не может вырасти скачком, на индуктивностях ток нарастает постепенно. Когда транзистор закрывается, ток уменьшается, а на выводе дросселя скачком увеличивается напряжение. Уровень этого напряжения зависит от номинала дросселя, входного напряжения питания, и других параметров схемы. В этой схеме задействованы следующие элементы:

пьезопищалка - диаметром 27 мм;
дроссель - RCH855NP-332K 3.3 мГн;
транзистор - полевой IRLML2402. Можно использовать и другие транзисторы, выдерживающие напряжение 20 В и ток 100 мА;
диод - любой;
конденсатор - любой, желательно танталовый или электролитический, включен в параллель с керамическим, общей емкостью от 100 мФ.

Надо позаботиться о том, чтобы транзистор не открывался сам по себе. Поэтому не включайте эту схему, когда затвор транзистора "висит в воздухе".

Частота

Для того, чтобы добиться громкого звука, частота сигнала должна совпадать с резонансной частотой пищалки. Она обычно указывается в документации и для большинства пьезопищалок лежит в пределах 2500..3500 Гц. При желании можно подобрать ее экспериментально. Если в приборе частота звука должна изменяться в зависимости от измеряемых параметров, частота звука почти никогда не попадет в резонансную. В таких случаях надо стараться, чтобы диапазон звуковых частот был как можно ближе к резонансной частоте.

Резонансный объем

Правильный выбор акустического объема - это самая важная вещь, о которой почти никогда не пишут. Что это такое и зачем он нужен? Все вы когда-нибудь видели гитару. Я имею в виду акустическую гитару. У нее тоже есть коробка, которая усиливает звук. Если ее убрать и оставить только гриф со струнами звук будет в разы тише. Аналогичный объем нужен и для нашей пищалки. Обычно, пищалки монтируют в корпус прибора, поэтому элементы корпуса и будут формировать нужный объем. Я реализовал его с помощью кольца, которое вклеивается внутри корпуса. На фото кольца напечатаны на 3D принтере. Вы можете изготовить его из любого прочного материала - пластика, древесины и т.д.. Звук выходит через отверстие в корпусе. Размеры кольца и отверстия:

Диаметр кольца - примерно 28мм Высота кольца - 2.6мм Диаметр выходного отверстия - 5мм.

Обратите внимание, какой стороной вклеена пищалка. Для того, чтобы вывести провода в кольце сделан специальный паз. Проще было бы вклеивать пищалку так, чтобы оба провода выходили сверху. Так раньше и делал. Но оказалось, что при таком положении звук значительно громче.

Успехов!

P.S. Размеры внутренних объемов различных пищалок: