Пьезо акустика что это

Что такое пьезо-звукосниматель

После выпуска некоторых наших новых моделей, таких, как LTD EC-1000 Piezo и LTD BB-600 Baritone (подписная модель Бена Бёрнли из Breaking Benjamin), к нам стали поступать вопросы от людей, которые хотели бы знать больше о пьезо-звукоснимателях и о том, как они работают. И вот мы спешим на помощь!

Мы не будем углубляться в научные дискуссии о пьезо-датчиках, но всё же объясним базовые принципы и отличия их от обычных магнитных датчиков, которые мы все знаем и любим.

Абсолютное большинство датчиков на электрогитарах — это магнитные звукосниматели. Независимо от того, активные они (например, большинство EMG) или пассивные (большая часть Seymour Duncan), магнитные датчики работают по одному принципу. В них находится магнит или несколько магнитов, вокруг которых установлена обмотка. При звукоизвлечении (ударе по струне) струна вибрирует. Магнитное поле, создаваемое магнитом благодаря явлению электромагнитной индукции создаёт электрический ток в обмотке, преобразовывая таким образом вибрацию струны в электрический сигнал. По похожему принципу работает и большинство микрофонов, кстати. Они преобразуют акустическую энергию в слабый электрический сигнал, который Вы потом можете усилить.

Пьезо-звукосниматель же очень отличается. Во-первых, как правило, Вы даже не увидите его на гитаре. В отличии от магнитных датчиков, которые совсем несложно увидеть под струнами между грифом и бриджем, пьезо-датчики на электрогитаре, как правило, находятся внутри бриджа. Причина простая – «пьеза» снимает непосредственно вибрацию струны и инструмента, а не перемещение металлической струны в магнитном поле. Именно поэтому пьезо-датчики обычно используют на акустических гитарах, например, с нейлоновыми струнами, на которых магнитный звукосниматель просто не сможет работать.

Как работает пьезо-звукосниматель (немного физики).

Вместо магнитного поля, как упоминалось выше, пьезо-датчики измеряют давление вибраций струн/инструмента чтобы создать электрический ток. Обычно используются созданные под высоким давлением кристаллы для создания электрического сигнала (звучит сомнительно, но поверьте, это правда), и сигнал преобразуется и предварительно усиливается перед тем, как попасть на выходной джек гитары. Пьезоэлектрические датчики (назовём их полным именем), на самом деле, появились раньше магнитных. Но намного важнее для музыкантов, разумеется, знать какого звучания от них ожидать.

Как же они звучат на электрогитаре?

Если информация выше вызывает у Вас только недоумение и зевоту – ничего страшного, потому что Вы, разумеется, пришли сюда чтобы узнать как же «пьеза» звучит.

Говорят, что пьезо-датчики на электрогитаре производят звук, больше похожий на акустическую гитару, но это не совсем верно. То, что снимает «пьеза» — это звук струн и вибрация, вызванная резонансом древесины и фурнитуры… другими словами – это настоящий звук гитары. Это можно назвать «больше похожим на звук акустической гитары» по сравнению с магнитными датчиками. Пьезо-звукосниматели, как правило, имеют более яркое и менее тёплое звучание, нежели магнитные, благодаря чему можно добиться неимоверной динамики и чистоты звучания. И, не смотря на то, что они могут и не сделать звук Вашей электрогитары акустическим, они, безусловно, передают «честную» акустическую энергию инструмента.

Другой важный момент – динамика пьезо-датчиков. Нередко активная схема пьезо-звукоснимателя требует включения компрессора, потому как Вы наверняка заметите что «пьеза» ведёт себя совсем не так, как магнитный датчик в плане того, насколько он громкий или тихий в зависимости от того, как жёстко или мягко Вы играете. Но одно в схеме с пьезо хорошо наверняка – Вам не придётся беспокоиться о фоне, так как в схеме не участвуют магниты.

Для EC-1000 Piezo мы выбрали Fishman Powerbridge, очень продвинутую пьезо-систему, которая специально сделана для того, чтобы добавить «акустического» звука Вашей электрогитае. В BB-600 Baritone же используются сёдла Graph Tech Ghost Loaded ResoMax, которые служат для тех же целей. В обеих гитарах установлены двойные выходные джеки, которые позволят направить сигналы от «пьезы» и магнитных датчиков раздельно (например, в два разных усилителя или входа на интерфейсе для записи и т.п.), или, например, смешать два сигнала чтобы получить свежий и неповторимый звук!

Сейчас в нашем магазине можно купить следующие гитары с пъезо-датчиком:
LTD EC-1000PIEZO QM STBLK гитара чёрного цвета
LTD EC-1000PIEZO QM STB гитара синего цвета

Источник

Акустические системы: альтернативные варианты излучателей звука (часть 4)

После того, как мы достаточно подробно разобрались с устройством и вариантами использования динамика, стоит обратить внимание и на то, что на свете существуют другие варианты преобразования электрического сигнала в акустический.

Магнитопланар (изодинамический излучатель)

Этот планарный (плоский, пленочный) излучатель звука работает по тому же принципу, что и динамик: проводник с током движется в магнитном поле. Но в отличие от традиционного динамика голосовая катушка здесь фактически равномерно распределена по всей площади излучения, и вся эта излучающая поверхность находится в магнитном поле.

В случае с магнитопланарным излучателем источником звука является синтетическая пленка с нанесенными на нее проводниками с током. Эта плёнка размещается в поле решетки, сделанной из магнитов. Таким образом, вся площадь плёнки оказывается в магнитном поле, и пленка излучает звук равномерно со всей поверхности.

В начале существования магнитопланарных систем проводники из фольги просто наклеивали на пленку. Проблемой такого варианта было отслоение проводника после интенсивной эксплуатации: он нагревался, и клей не выдерживал. Наглядным примером могут служить выпускавшиеся в СССР динамические пищалки 10ГИ-1, наушники ТДС-7, ТДС-17.

Затем технология совершенствовалась, для приклеивания проводника на пленку стали применять температурную адгезию, закрепляя, например, алюминий (реже — медь) на майлар (лавсан, тефлон). Это более дорогой вариант технологии планарного излучателя — чуть дешевле обходится прошивание пленки токопроводящей проволокой.

Преимущества технологии состоят в том, что масса планарной подвижной системы на несколько порядков меньше, чем у классического динамика. В результате резко уменьшаются искажения. С другой стороны, магнитопланары предполагают излучение с большой площади, что, как минимум, создает проблему стереосцены.

Особое развитие принцип получил в наушниках, где используются различные его варианты, например, ортодинамические излучатели.

Электростат

Неплохие результаты удалось получить с электростатическим вариантом планарного (пленочного) излучателя. Принцип действия следует из названия: речь идет о движении диэлектрической пленки в электрическом поле. До этого пленку натягивают между двумя токопроводящими сетками (статорами), на которые подается модулированное звуковым сигналом напряжение, а на саму пленку — потенциал приблизительно в 3 000 В.

Преимущество такого варианта излучения по сравнению с магнитопланарным — отсутствие проблем с нанесенными на пленку проводниками тока. Их просто нет. С другой стороны, такой излучатель нуждается в объемистой мощной электронике и, естественно, требует отдельного питания. В остальном электростат и магнитопланар схожи.

Стоит подробнее остановиться на вопросе воспроизведения низкочастотного диапазона с помощью планарных систем. Они по определению не готовы обеспечить серьезную амплитуду. И если в магнитопланарных громкоговорителях более распространена конфигурация в виде сочетания узкого высокочастотного излучателя и низкочастотной секции большей площади, то в электростатических системах, чаще всего, сам электростат занимается средне- и высокочастотным диапазоном, хотя бы потому, что модели большой площади достаточно дороги.

Поэтому за низкочастотный диапазон у них отвечает, как правило, интегрированный в систему сабвуфер, работающий с применением классического динамика. Такие системы называются гибридными. Изготовители магнитопланарных спикеров также иногда предлагают доукомплектование своих изделий сабвуферами на базе классических динамиков.

Кроме того, оба основных варианта с применением плёнки являются дипольными системами. То есть назад и вперед они излучают (звучат) практически одинаково. Это приводит к определенным проблемам с правильным размещением таких колонок в комнате прослушивания.

Излучатель Хейла и другие излучатели с гофрированными пленочными мембранами

В принципе, логично было бы разделить звуковой диапазон на несколько полос и в каждой полосе использовать наиболее подходящей для нее вариант звуковоспроизведения. Например, магнитопланарные излучатели часто используются в верхнем диапазоне в качестве твитеров (пищалок). То же самое можно сказать об излучателях Хейла — Air Motion Transformer (AMT).

Речь идет о системе на базе волнообразно-гофрированной пленки с нанесенными на нее проводниками из фольги, помещенной в сильное магнитное поле. Пропускание тока по таким проводникам приводит к тому, что соседние участки притягиваются или отталкиваются, выталкивая или втягивая воздух между гофров. Такой вариант источника звука имеет все преимущества пленочного излучателя, поскольку вес подвижной системы очень мал.

Внешне на излучатель Хейла очень похож ленточный алюминиевый твитер, в котором гофрированная тончайшая фольга окружает постоянный магнит. Ввиду малого сопротивления, сигнал на концы фольги подводится через понижающий трансформатор.

Естественно, что излучатели Хейла и их аналоги используются, в основном, в верхнем частотном диапазоне.

Ионофон (электродуговой плазменный громкоговоритель)

Именно в диапазоне верхних частот важен минимальный вес подвижной системы и ее минимальная инерционность. Идеальным излучателем для верхних частот стало бы невесомое тело, механически никак не связанное с опорами и колеблющееся (изменяющее свой объем) под воздействием электрического сигнала.

И такой вариант, использовавший, по сути, принцип работы радиолампы, был найден в начале второй половины прошлого века. Он получил название ионофон. Принцип действия системы основан на пульсациях электродуговой плазмы в переменном электрическом поле. Первые образцы устройства, представленные на ВДНХ в начале 50-х, имели определенные побочные проблемы. В частности, легкий треск разряда, от которого затем смогли избавиться.

В семидесятых годах прошлого века были выпущены серийные образцы акустических систем с верхнечастотным звеном на базе плазменного излучателя. Сейчас такие излучатели доступны для установки в современную пользовательскую акустику и даже в мощные концертные системы.

Недостатком ионофона можно считать необходимость достаточно мощного электропитания и, как следствие, требования устройства к отводу тепла. В результате, устанавливая такой твитер в замкнутый объем обычной колонки, стоит задуматься о том, как бороться с его перегревом. Повышенное энергопотребление также не добавляет энтузиазма, к тому же внутри устройства — источник сверхвысокого напряжения.

С другой стороны, на базе плазменного излучателя можно получить поистине аудиофильскую систему, поскольку качество его звучания, по идее, приближается к абсолютному.

Пьезоизлучатель

Известное свойство пьезокристалла: генерировать электрический ток в случае приложения к нему деформирующей силы, либо наоборот — деформироваться в случае приложения к нему электрического тока. Этот эффект применяется во многих областях, начиная от производства весов и зажигалок и заканчивая звуковоспроизведением.

Поскольку в данном случае не получается получить большую амплитуду колебаний, рассчитывать на возникновение низкочастотных устройств звуковоспроизведения на базе пьезокристаллов не приходится. Зато пьезокристаллы могут работать на высокой частоте. Поэтому на их базе изготавливаются твитеры.

Данный принцип применяется в недорогих моделях, благодаря дешевизне технологии. К сожалению, и результаты, получаемые с помощью этой технологии — не самые лучшие, а качество звука, как правило, невысокое.

НЧ-система с механическим приводом

Естественно, что в области звуковоспроизведения возможны и экзотические решения. Ведь если проанализировать все существующие технологии, то у них можно найти один общий недостаток — очень низкий коэффициент полезного действия.

Этого недостатка лишены генераторы низкой частоты с механическим приводом. Собственно говоря, эти излучатели не работают со звуковым сигналом. Они применяются для различных технологических целей, в частности — для испытаний готовой продукции на виброустойчивость, выдавая синусоидальные колебания заданной частоты. При этом может обеспечиваться очень большая громкость!

Устройство состоит из жесткой пластины, на которую через шатун с двумя шарнирами передается возвратно-поступательное движение от диска, укрепленного на оси электродвигателя. Все это, очевидно, нужно как следует закрепить.

Частота колебаний такой системы зависит от скорости вращения электродвигателя. Получаем высокоэффективный генератор практически синусоидальных низкочастотных звуковых волн. Интересно, что в далеких восьмидесятых одна из дискотек в США купила такой генератор у НАСА. Он, якобы, затем использовался в составе низкочастотного звена акустики танцевального зала. Или в чисто рекламных целях. О реальном эффекте такого устройства можно только догадываться.

Другие материалы цикла «Акустические системы»:

Источник

Пьезоэлектрический (пьезопленочный или пьезокерамический) громкоговоритель

Довольно распространенным видом нетрадиционных излучателей являются пьезокерамические (с недавнего времени — пьезопленочные) излучатели. Это электроакустические устройства воспроизведения звука, использующие обратный пьезоэлектрический эффект. Пьезоизлучатели широко используются в различных электронных устройствах — часах-будильниках, телефонных аппаратах, электронных игрушках, бытовой технике. Часто используются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний в устройствах отпугивания грызунов и насекомых, увлажнителях воздуха, ультразвуковых «стиральных машинах».

Пьезокерамический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесён слой пьезоэлектрической керамики, 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.

Принцип их действия основан на пьезоэлектрическом эффекте, открытом братьями Пьером и Жаком Кюри еще в 1880 году, и заключающемся в том, что в некоторых кристаллах (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) под действием приложенных механических сил на их гранях образуются электрические заряды. В зависимости от вида кристалла, заряды могут появиться и при сдвиге, изгибе и кручении. Кроме вышеописанного «прямого» эффекта существует и обратный эффект (который был теоретически предсказан в 1881 году Липманом и экспериментально подтвержден в работах Кюри). Если приложить электрическое напряжение к обкладкам пьезокристалла, то кристалл начнет деформироваться: удлиняться, изгибаться, скручиваться и т. д. Идея использовать такие кристаллы в конструкции электроакустических преобразователей появилась очень давно и была реализована в период 1920-1940 годов в звукоснимателях, микрофонах, акселерометрах, ультраакустических преобразователях и пр.

Пьезоизлучатель также может использоваться в качестве пьезоэлектрического микрофона или датчика.

Отечественные пьезоизлучатели имеют обозначения вида ЗП и номера серии. Наиболее распространённые в отечественной бытовой технике излучатели – ЗП-1 и ЗП-3.

Естественно, что на протяжении длительного периода времени изучались возможности использования этого эффекта и в акустических излучателях в звуковом диапазоне частот. В период 1940-1965 годов различные группы исследователей в Америке, Японии и России вели интенсивные исследования по созданию нового поколения пьезоматериалов с высокими значениями пьезомодуля. Наиболее распространенные для применения в аудиоаппаратуре пьезокерамические материалы были созданы на основе титаната бария и цирконата-титаната свинца со стронцием и ниобием. Наиболее известные марки пьезокерамики, используемые в излучателях: PZT-5 (США), PCM-5 (Япония), P1-60 (Франция). Отечественная керамика с аналогичными параметрами — ЦТС-19.

Для увеличения чувствительности обычно используется биморфный элемент, то есть конструкция, состоящая из двух прочно склеенных пластин пьезокерамики, работающих на поперечном пьезоэффекте и возбуждаемых противофазно. Интерес к созданию громкоговорителей на основе пьезокерамики (судя по огромному количеству патентов) был чрезвычайно высок (в основном для высокочастотных громкоговорителей и громкоговорителей для оповещения). Разработчиков привлекала необычайная простота конструкции, отсутствие магнитных цепей, довольно высокий уровень чувствительности, стабильность параметров и т.д. Однако пьезокристаллический элемент, используемый для возбуждения диафрагмы, имеет ярко выраженную резонансную характеристику, поэтому применение его для возбуждения излучателей в широком диапазоне частот потребовало многолетних работ по отработке конструкции.

Прежде всего, для проектирования широкополосных излучателей пьезоэлемент должен быть сконструирован таким образом, чтобы его резонансная частота лежала на нижней границе рабочего диапазона. Для снижения резонансной частоты необходимо увеличивать радиус и уменьшать толщину. Увеличивать размеры не позволяет общая конструкция высокочастотных излучателей, а над снижением толщины и подбором специальных конфигураций пьезоэлементов в настоящее время продолжают работать многие фирмы. Необходимо отметить также, что излучатели с пьезоэлементом имеют емкостной характер нагрузки и требуют применения повышающего трансформатора.

Модели с пьезоизлучателями

Несмотря на указанные проблемы, только в период 80-90 годов примерно 43 фирмы выпускали более ста моделей акустических систем с высокочастотными пьезоизлучателями. К числу таких фирм относятся Motorola, Pioneer, Gemini, Celestion и др.

Бесспорным лидером в создании высококачественных пьезоизлучателей, которые нашли широкое применение во многих типах акустических систем целого ряда других фирм, была и остается компания Motorola. Многолетние исследования (что подтверждают многочисленные патенты) позволили им выбрать конструкцию, обеспечивающую излучение в достаточно широком диапазоне частот. Излучатель состоит из биморфного пьезокерамического элемента на металлической подложке, демпфирующих элементов, опорного кольца диффузора и диффузородержателя.

Такой излучатель нагружается на рупор специальной формы. С помощью рупора удается согласовать высокий механический импеданс пьезокерамического вибратора с низким импедансом воздушной среды, что позволяет повысить эффективность излучения. Фирма Motorola после многочисленных экспериментов предложила широкогорлую конструкцию рупора (диаметр горла которого совпадает с диаметром диафрагмы излучателя), но для повышения эффективности его излучения разработала специальную форму экспоненциального рупора с множеством продольных ребер внутри него.

Наряду с пьезокерамическими излучателями, в 70-е годы, после создания новых видов материалов — пьезоэлектрических полимеров, стало развиваться особое направление в создании громкоговорителей, использующих этот эффект. В 1969 году японский физик Н. Камаи открыл пьезоэффект у поливинилиденфторидной пленки (ПВДФ). ПВДФ является высокомолекулярным, высококристаллическим полимером, отличающимся высокой прочностью, жесткостью, стойкостью к износу и др. Физические свойства его зависят от типа кристаллической структуры. Процесс, который придает высокополимерным пленочным материалам пьезоэлектрические свойства, имеет сложную технологию.

Если пленка растягивается в одном направлении, то она обладает разными пьезомодулями в разных направлениях и называется одноосноориентированной. На первом этапе была отработана технология изготовления именно таких пленок. Если теперь такую пленку изогнуть и закрепить ее концы, то при приложении переменного электрического напряжения перпендикулярно ее поверхности она начнет деформироваться, пульсировать и излучать звук.

Первые образцы высокочастотных излучателей в виде пленки, свернутой и натянутой на цилиндр, создала фирма Pioneer (Япония). На их базе компания разработала и выпускала на протяжении длительного времени линейку акустических систем HPM-40, HPM-60, HPM-100, HPM-150, HPM-200, HPM-1100. Несомненным преимуществом таких излучателей является простота конструкции и отсутствие дорогостоящих магнитов. К недостаткам можно отнести емкостный характер сопротивления и необходимость применения повышающего трансформатора.

В 80-е годы в Японии была отработана надежная технология поляризации двуосноориентированных пленок с одинаковым пьезомодулем в двух направлениях. Это дало возможность фирмам Audax и Brandt Electronique разработать и в 1980 году представить на выставке в Париже акустические системы с купольными пьезопленочными громкоговорителями. Конструкция одного из них показана на рисунке ниже. Громкоговоритель содержит изогнутую пьезопленку (1), демпфирующую прокладку (2) и специальную сетку (3). Параметры представленных высокочастотных громкоговорителей оказались следующими: диапазон воспроизводимых частот 5-20 кГц с неравномерностью +/-1 дБ, чувствительность 90 дБ/Вт/м, максимальное звуковое давление 110 дБ.

Работы по совершенствованию параметров двуосноориентированной пьезопленки продолжались в Германии, Японии, США и других странах все последние годы. Это дало возможность фирме Audax выпустить новое поколение высокочастотных излучателей и акустических систем с ними. Представителем этого нового поколения является высокочастотный громкоговоритель HD3P. В качестве материала для диафрагмы используется пьезополимерная пленка, покрытая с обеих сторон золотом (методом вакуумного напыления). Пленка натянута в виде эллиптического купола и закреплена на эллиптическом кольце. За диафрагмой находится закрытая камера с воздухом под некоторым давлением, поддерживающим форму купола. К электродам на обеих поверхностях диафрагмы подводится сигнал, под действием которого диафрагма изгибается и излучает звук. Громкоговоритель, естественно, не имеет ни магнитной цепи, ни звуковой катушки. Поскольку движущая масса диафрагмы примерно в двадцать раз меньше, чем масса электродинамического громкоговорителя соответствующего размера, то переходные искажения очень малы, звук необычайно чистый и прозрачный.

На базе этого громкоговорителя была создана новая линейка контрольных агрегатов. В частности, фирма World Audio выпустила небольшие студийные мониторы ближнего поля KLS10 с использованием высокочастотного пьезопленочного излучателя HD3P фирмы Audax. Агрегат относительно недорог, но при этом обладает хорошими параметрами: мощность 60 Вт, чувствительность 89 дБ/Вт/м, диапазон 40-30000 Гц, габариты 190 х 310 х 230 мм. Контрольный агрегат KLS3 Gold использует последнюю разработку фирмы Audax: эллиптический высокочастотный пьезогромкоговоритель. Общий объем — 60 дм 3 , чувствительность 90 дБ/Вт/м. По мнению экспертов, агрегат имеет необычайно чистые и прозрачные высокие частоты благодаря применению пьезоизлучателя.

Неожиданное развитие за последние годы получило направление создания пьезогромкоговорителей в связи с разработкой «мягкой» пьезокерамики, из которой можно формовать диафрагмы и элементы громкоговорителей разных конфигураций. Наибольших успехов в этом направлении добился Междисциплинарный Исследовательский Центр при университете в Бирмингеме (Великобритания), где на протяжении многих лет велись работы по созданию мягких керамических материалов PZT (толстопленочных) и разнообразных изделий из них. Успехи технологии позволили создать биморфные пьезокерамические элементы самых разнообразных конструкций: в виде сферических куполов, пружин и др.

Появление таких пьезоэлементов позволило приступить к разработке новых конструкций излучателей, в частности, создать низкочастотный громкоговоритель, где вместо звуковой катушки использован пьезоэлемент.

Перспективы пьезоизлучателей

Анализ процессов создания пьезоизлучателей, работающих в звуковом диапазоне частот, позволяет выявить три устойчивые тенденции в их развитии:

1. создание пьезокерамических биморфных элементов и разработка конструкций рупорных высокочастотных громкоговорителей на их основе (лидером в этом направлении является фирма Motorola, с использованием громкоговорителей которой различными компаниями создана целая линейка акустических систем);
2. разработка пьезопленочных высокочастотных излучателей и акустических систем с их использованием (ведущими являются фирмы Pioneer и Audax);
3. создание нового поколения мягких пьезокерамических материалов (толстых пьезопленок PZT) и отработка на их основе конструкций не только высокочастотных, но и низкочастотных громкоговорителей.

Большие достижения в технологии пьезокерамических материалов и их широкое использование в разных областях техники позволяют ожидать значительного прогресса в развитии излучателей на их основе.

Наряду с вышеперечисленными видами излучателей проводятся работы по созданию плазменных, пневматических и других видов громкоговорителей, но они еще не выпускаются промышленно. В последние годы большое внимание уделяется созданию цифровых излучателей (своего рода акустического ЦАП), но пока эта работа находится на стадии научных исследований.

Источник