可听压电换能器(PZTs)常被用作报警装置或报警器。压电换能器的制造商公布了有关其各自器件的曲线和规格。然而，有几个重要的问题不能直接从他们的数据表中得到回答。

驱动可听PZT时，源阻抗与声压的影响是什么?

这对用于驱动PZT的电源的峰值容量有直接影响。

当驱动可听PZT单端与双极时，具有相同的峰对峰振幅，是否存在可检测的声压差?

这可能会影响驱动电路的复杂性。

PZT的阻抗是什么样的?

这可能会影响峰值供电能力以及滤波要求。

选取北美电容器公司Mallory生产的3种常用PZT，研究驱动源阻抗与声压、单、双极驱动与声压、PZT阻抗特性。

压电陶瓷的结构

图1显示了典型可听PZT的剖面图。压电陶瓷板两面镀银。用粘合剂将一面粘在压电陶瓷板周围的薄铜板上。这一侧成为一个电极连接。压电陶瓷板的另一侧成为第二电极触点。黄铜板连接到一个支撑环，这是模塑塑料外壳的一部分，使用硅酮粘合剂。

图1所示 可听PZT的切割视图。

激发可听PZT产生声音有两种可能的方法;通过单端信号(即0V至+5V)或双极信号(即-2.5V至+2.5V)驱动。图2说明了用双极信号驱动可听PZT时，机械零点中点的机械偏转。

图2 双极偏转。

图3显示了当使用单端信号驱动PZT时的机械偏转。当施加单端信号时，PZT从机械零点偏转一个方向。这种单极偏转的幅度将比图2中应用双极信号时的幅度大。由此产生的总偏转对于-2.5V至+2.5V的双极信号与0V至+5V的单端信号是相同的。

图3 单端挠度。

设备和测试设置

设备:

泰克TDS3012 2通道彩色数字荧光粉示波器(100MHz, 1.25GS/s)
HP 33120 15MHz函数/任意波形发生器
泰克AM503电流探头放大器
泰克A6302电流探头
R o Shack -显示声级计，Cat。#33-2050(见图4)

图4 R o Shack -显示声级计。

测试设置:

测试声压的测试装置如图5所示。一个由具有消声特性的加工有机复合材料制成的盒子，内衬有“凹陷”的聚氨酯泡沫，形成一个伪消声室。R o Shack声级计被放置在室外，仪表的麦克风通过室后部的一个孔插入室内。我们搭建了一个l型的纸板支架，用来固定PZT。这允许从仪表的麦克风精确定位PZT。

图5 声压测试装置。

测试数据曲线和马洛里PZT规格

注意:PT-2745W频率特性和封装轮廓见Mallory数据表www.mallory-sonalert.com

图6 PT-2745W, 5V(P-P)励磁。

图7 PT-2745W, 3V(P-P)励磁。

图8 PT-2745W声压vs.资源。

注意:有关PT-2060W频率特性和封装大纲，请参阅Mallory数据表www.mallory-sonalert.com

图9 PT-2060W, 5V(P-P)励磁。

图10 PT-2060W, 3V(P-P)励磁。

图11 PT-2060W声压vs.资源。

注意:有关PT-1240P频率特性和封装大纲，请参阅Mallory数据表www.mallory-sonalert.com

图12 PT-1240P, 5V(P-P)励磁。

图13 PT-1240P, 3V(P-P)励磁。

图14 PT-1240P声压与声源。

数据- PZT阻抗的评估

需要确定的第一个事实是PZT的阻抗。从马洛里规格来看，PZT似乎完全是电容式的。在PT-1240P上进行了一项测试，以研究PZT对已知源阻抗的方波激励的反应。用不同的源阻抗进行了几次试验。这里记录的示例如图15所示。本次测试的源阻抗为253.5欧姆，在峰值声压输出频率5.6kHz时，以0V至5V的方波驱动PZT。对上升边和下降边进行了分析。图15显示了上升沿的扩展视图。

图15 PT-1240P电流和电压波形。

由于PZT上的电压波形有更多的分辨率，它被用来分析由源阻抗和PZT疑似近纯电容形成的时间常数。记住RC电路驱动源的经典完全响应公式:

PT-1240P的指定电容为17000 pf±30%。我们测量的电容为16,062pF，比标称规定值17,000pF低约5%。这看起来很合理。

该测试的预期峰值电流应为5V/253.5 = 19.72mA。测量电流为18.5mA，这是可信的，因为电缆阻抗和潜在的其他误差源没有考虑在内。从这个测试和在所有PZT上进行的类似测试来看，对于所有实际目的来说，可听的PZT阻抗是纯电容性的，因此，通过知道驱动源电压和源阻抗，可以预测电流和电压波形。

数据的评估- PZT声压

与Mallory的讨论确认了Mallory的声压与频率的规范是使用“A加权”并通过50欧姆源阻抗驱动PZT进行测试的。为了建立基准参考，在声压测试设置(见图5)中，通过50欧姆源阻抗驱动每个PZT。所得到的曲线与马洛里的曲线并不完全匹配(参见马洛里网站www.mallory-sonalert.com上的相关数据表)，这是基于使用伪消声室和平均声级计所期望的。然而，数据曲线足够接近，可以继续进行实验。相对数据是足够的，因为主要目标是在完全相同的测试环境中，当源驱动阻抗和源驱动类型(双极或单端)的条件发生变化时，确定PZT在测试下的性能变化。

进行了一项经验测试，以了解在什么dB(声压)下PZT的响度衰减可以被检测到。得出的结论是，任何超过10dB的下降将是PZT响度的明显变化。这似乎是合理的，因为当参考图16时，可以看到无回声房间和安静耳语之间的差异约为10dB。在PZT驱动器的集成电路设计中，必须指定源阻抗，因为它是PZT驱动器输出功率级设计的主要因素。源阻抗越低，需要的输出功率器件越大，因此模具面积和成本也就越大。本研究的目标之一是确定在5V(P-P)和3V(P-P)下驱动各种pzt的源阻抗值是可以接受的。一个重要的标准是确保声压下降不超过10dB。

图16 一些常见活动的平均分贝水平

在以5V(P-P)和3V(P-P)驱动每个马洛里PZT的50欧姆源阻抗基线测试之后，分别在5V(P-P)和3V(P-P)下进行源阻抗253.5欧姆和源阻抗355.2欧姆的测试。选择源阻抗的这种差异，使其在50欧姆源阻抗测试的整个频率范围内产生小于10dB的声压差。此外，5V和3V源阻抗的差异与半导体设计输出功率器件的预期相关。

每个Mallory PZT的结果可以在图6、7、9、10、12和13中详细查看。在每种情况下，都可以清楚地看到，对于5V(P-P)，将源阻抗从50欧姆 (100mA峰值电流)增加到253.5欧姆 (19.7mA峰值电流)，在PZT的整个频率范围内，声压的下降远远小于10dB。此外，对于3V(P-P)，将源阻抗从50欧姆 (60mA峰值电流)增加到355.2欧姆 (8.45mA峰值电流)，在PZT的整个频率范围内，声压的下降远远小于10dB。

对所有三种Mallory pzt在双极驱动条件下与单端驱动条件下在3V(P-P)和5V(P-P)下的声压差异进行了广泛的测试。有没有可测量的差异对于这些pzt，无论是驱动双极或单端。

图8、11和14提供了另外一组图表，显示了在各自最高声压产生频率下测试的每个马洛里PZT的声压与源阻抗的关系。从这些图中可以明显看出，可以使用更高的源阻抗来驱动可听pzt，并且仍然可以获得可观的声压幅值。

结论

选取北美电容器公司Mallory生产的3种常用PZT，研究驱动源阻抗与声压、单、双极驱动与声压、PZT阻抗特性。之所以选择马洛里PT-2745W、PT-2060W和PT-1240P，是因为它们的峰值声压频率不同，并且能够在3V(P-P)和5V(P-P)下工作。

驱动可听PZT时，源阻抗与声压的影响是什么?

在测试的所有三个器件中，在5V(P-P)激励下，源阻抗可以从50欧姆增加到253.5欧姆，在3V(P-P)激励下，源阻抗可以从50欧姆增加到355.2欧姆，而在PZT的整个频率工作范围内，声压幅值的降低幅度远小于10dB。在声压产生峰值频率下，对所有三种pzt进行了源阻抗与声压幅值的曲线测试，以指导设计更高的源阻抗驱动器，以最小化峰值电源和驱动器电流，同时保持可接受的声压幅值降低。

当驱动可听PZT单端与双极时，具有相同的峰对峰振幅，是否存在可检测的声压差?

对所有三种Mallory设备的广泛测试强调得出结论，用双极或单端激励从3V(P-P)驱动这些设备到5V(P-P)之间没有可测量的差异。如果要考虑其他器件，则如果要在5V单端驱动下使用，则应确保其V(P-P)驱动额定值高于10V(P-P)，以防止由于压电元件过度延伸而对器件造成机械损坏。

PZT的阻抗是什么样的?

从实际设计考虑，压电陶瓷的主要特性是纯电容。利用驱动源的阻抗和PZT的电容可以准确地预测PZT上的电流和电压波形。

致谢

特别感谢David Kuo, Maxim Integrated, Tucson设计中心的工程实习生，他的奉献精神和勤奋帮助构建和执行分析本应用程序中使用的PZTs所需的实验。

参考电路

1. R o Shack显示声级计操作手册，目录# 33-2050 (www.oshack.com)
   

2. Mallory Sonalert Products, Inc. (www.mallory-sonalert.com)
   

3. 大荣电子(www.buzzer.co.kr)