壓電材料在暴露于電場(chǎng)時(shí)會(huì)改變形狀。了解我們?nèi)绾卫盟鼈儊懋a(chǎn)生聲音。

原子理論

根據(jù)玻爾模型描繪氦原子

根據(jù)玻爾模型描繪的氦原子。

原子的中心原子核由中性電荷（稱為中子）和正電荷（稱為質(zhì)子）組成。原子核周圍移動(dòng)的是負(fù)電荷（稱為電子）。

異性電荷相互吸引，因此電子會(huì)被原子核中的質(zhì)子吸引。與此同時(shí)，同性電荷會(huì)相互排斥，因此一個(gè)區(qū)域內(nèi)過多的電子會(huì)將一個(gè)或多個(gè)電子推離。

電子圍繞原子不斷運(yùn)動(dòng)。

化學(xué)

當(dāng)多個(gè)原子彼此靠近時(shí)，電子可以在相鄰原子之間移動(dòng)。電子必須遵循考慮到其恒定運(yùn)動(dòng)、對(duì)質(zhì)子的吸引力以及對(duì)其他電子的排斥力的路徑。平衡許多原子聚集在一起的所有這些規(guī)則有時(shí)會(huì)產(chǎn)生 規(guī)則的圖案或晶體形狀。

NaCl 晶體（左）和晶體結(jié)構(gòu)中的原子表示（右）NaCl 晶體（左）和晶體結(jié)構(gòu)中的原子表示（右）。NaCl 圖像由NASA提供。

壓電效應(yīng)

某些材料在特定方向上膨脹或收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電位差。

通過擠壓、撞擊或彎曲晶體來增加或減少原子之間的空間，會(huì)導(dǎo)致電子重新分布，從而導(dǎo)致電子離開晶體，或?yàn)殡娮舆M(jìn)入晶體創(chuàng)造空間。晶體上的物理力會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而在電路中移動(dòng)電荷。

反之亦然：對(duì)壓電晶體施加電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致電子的增加或去除，這反過來又導(dǎo)致晶體變形，從而產(chǎn)生微小的物理力。

壓縮（左）和拉伸（右）晶體結(jié)構(gòu)的表示。

壓電揚(yáng)聲器如何移動(dòng)

壓電效應(yīng)可用于制造薄型揚(yáng)聲器，在空間受限的應(yīng)用中，這種揚(yáng)聲器是傳統(tǒng)電動(dòng)揚(yáng)聲器的有力替代品。這些設(shè)備被稱為壓電揚(yáng)聲器和陶瓷揚(yáng)聲器。

對(duì)壓電材料施加電場(chǎng)，其尺寸會(huì)發(fā)生變化。隨著電荷的引入或移除，壓電材料會(huì)收縮或增大，但基底材料則不會(huì)。

壓電效應(yīng)

這會(huì)導(dǎo)致材料朝著或遠(yuǎn)離垂直于揚(yáng)聲器表面的方向發(fā)生彈性變形。一旦電場(chǎng)從壓電材料上移除，它就會(huì)恢復(fù)到原來的形狀。

當(dāng)揚(yáng)聲器彎曲并撞擊空氣分子時(shí)，會(huì)引起連鎖反應(yīng)，終傳到您的耳朵。如果有足夠的空氣分子撞擊您的耳朵，神經(jīng)細(xì)胞就會(huì)向您的大腦發(fā)送信號(hào)，您將該信號(hào)解讀為聲音。

干擾如何傳播

我們周圍有難以想象數(shù)量的原子和分子，它們不斷運(yùn)動(dòng)。這些粒子沿直線運(yùn)動(dòng)，直到它們撞到其他原子，方向才發(fā)生變化。單個(gè)粒子在碰撞前永遠(yuǎn)不會(huì)移動(dòng)太遠(yuǎn)，但當(dāng)新粒子與相鄰粒子發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞的影響可以傳播很遠(yuǎn)的距離。

想象一下，在游泳池中央滴入一滴食用色素。食用色素顆粒可能需要幾分鐘或幾小時(shí)才能到達(dá)邊緣，但一滴色素產(chǎn)生的波浪會(huì)在幾秒鐘內(nèi)到達(dá)泳池邊緣。

空氣粒子始終不斷隨機(jī)地撞擊我們的身體。當(dāng)碰撞不再不那么頻繁和隨機(jī)，而是開始變得更加有規(guī)律和有規(guī)律時(shí)，我們會(huì)在特定時(shí)間受到更多粒子的撞擊。我們耳朵中的某些神經(jīng)細(xì)胞可以檢測(cè)到這些增加的、有規(guī)律的碰撞并向我們的大腦發(fā)送信號(hào)，我們的大腦將這些模式解釋為聲音。

 

德州儀器的TPA2100是一款 D 類音頻放大器，可用于驅(qū)動(dòng)壓電揚(yáng)聲器。

壓電揚(yáng)聲器與電動(dòng)揚(yáng)聲器

壓電揚(yáng)聲器與電動(dòng)揚(yáng)聲器類似，它們都能將電位差轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)。但它們還具有其他特性，這使得它們?cè)诂F(xiàn)代電子產(chǎn)品中具有重要價(jià)值。

傳統(tǒng)的電動(dòng)揚(yáng)聲器是在磁場(chǎng)中通過線圈來制造的。然后，導(dǎo)線和磁鐵之間產(chǎn)生的吸引力或排斥力會(huì)用于移動(dòng)揚(yáng)聲器錐體，從而在空氣中產(chǎn)生擾動(dòng)。磁鐵、導(dǎo)線和錐體在厚度方面存在實(shí)際的物理限制，超過這一限制，它們將無法再有效地以可接受的質(zhì)量或音量傳遞聲音。壓電揚(yáng)聲器可以制造得非常薄，同時(shí)仍具有可接受的聲音特性。

由于電動(dòng)揚(yáng)聲器中用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈的特性，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須將這些揚(yáng)聲器視為電感負(fù)載。而壓電揚(yáng)聲器在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)則更多地被視為電容器。

壓電揚(yáng)聲器比電動(dòng)揚(yáng)聲器更耐環(huán)境，可以直接與空氣以外的物質(zhì)接觸；這一特性在水下應(yīng)用等中非常有用。傳統(tǒng)的電動(dòng)揚(yáng)聲器必須受到保護(hù)以免受惡劣天氣的影響。

與電動(dòng)揚(yáng)聲器相比，壓電揚(yáng)聲器需要更高的驅(qū)動(dòng)電壓，而且它們?cè)谳^高頻率下的低阻抗意味著高頻音頻信號(hào)需要大量的驅(qū)動(dòng)電流。但如果多一點(diǎn)電壓和電流意味著我們可以購買像撲克牌一樣薄的揚(yáng)聲器，我認(rèn)為這是一種公平的折衷。