Микрофон из пьезоэлемента

В этом уроке нам понадобится:

1. Arduino uno: http://ali.ski/F2M5FU
2. Контактные провода: http://ali.ski/xUGe19
3. Пьезоизлучатель: http://ali.ski/-jD9q_

В данном уроке мы подключим пьезоизлучатель к ардуино. С помощью пьезоизлучателя, можно генерировать разные тоны и простые 8 битные мелодии.

Пьезоэлектри́ческий излуча́тель, пьезоизлуча́тель — электроакустическое устройство, способное воспроизводить звук, либо излучать ультразвук, благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту.

Конструкция:

Пьезоэлектрический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесён слой пьезоэлектрика, 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.

Пьезоизлучатели бывают 2 видов: Активный и пасивный. Активный пьезоизлучатель имеет 3 пина. Пин +, -, и пин i/o при подаче на который логической 1 будет воспроизводиться звук.

Пассивный пьезоизлучатель имеет 2 ножки +,- он воспроизводит звук сразу же кактолько на него подается напряжение.

В данном примере, мы будем использовать именно активный зумер с тремя контактами.

Применение:

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» (см. ультразвуковая очистка).

Пьезоизлучатель также может использоваться в качестве пьезоэлектрического микрофона или датчика.

Подключение: по схеме видно что +,- зумера мы подключаем к +,- ардуино , а пин i/o зумера мы подключаем к 13 пину ардуино.

После чего  скопируем код приведенный ниже в Arduino IDE и зальем его в ардуино, после чего мы услышим как воспроизводится звук с разной частотой и тональностью.

int SoundPin = 13; //Объявляем переменную, к которой подключен пин пьезоизлучателя
int DelaySound = 1000; //Пауза 1 секунда
 
 
void setup() {
 
 
}
 
void loop() {
tone(SoundPin, 1915); // Воспроизводим сигнал с частотой 1915 Гц
delay(DelaySound); //Пауза 1 секунда (1000 милисекунд - значение переменной DelaySound) - длительность воспроизведения сигнала
tone(SoundPin, 1700);
delay(DelaySound);
tone(SoundPin, 1519);
delay(DelaySound);
tone(SoundPin, 1432);
delay(DelaySound);
tone(SoundPin, 1275);
delay(DelaySound);
tone(SoundPin, 1136);
delay(DelaySound);
tone(SoundPin, 1014);
delay(DelaySound);
noTone(7); //Выключаем звук  
}

Прослушать и увидеть данную реализацию можно ниже в видео.

Пьезоизлучатели отечественного производства

Отечественные пьезоизлучатели имеют обозначения, состоящие из букв «ЗП» (звукоизлучатель пьезоэлектрический) и номера серии. Наиболее распространенные в отечественной бытовой технике излучатели — ЗП-1 и ЗП-3.

Звукоизлучатели типа ЗП приводятся в действие подачей переменного напряжения определенной частоты и амплитуды, обычно, 3…10 В. Частота, при которой звуковое давление максимально, может достигать 75 дБ на расстоянии 1 метр от излучателя. Резонансная частота для большинства пьезоизлучателей составляет 1…4 кГц. Этим обусловлен их характерный, узнаваемый звук, напоминающий «пип».

Преимущественные характеристики устройств

• простота конструкционной сборки;
• габариты;
• надежность;
• преобразование напряжения механики в электрический заряд;
• переменные величины, которые можно быстро измерить.

В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6.

Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь.

В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются пьезоэлектрические преобразователи.

ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:

• все материалы крепятся к титановому основанию;
• два одновременно включенных пьезоэлемента из кварца;
• высокоплотная инерционная масса предназначена для минимальных габаритов;
• снятие сигнала посредством латунной фольги;
• она, в свою очередь, соединена с кабелем, который припаивается;
• датчик закрыт крышкой, навинченной в основании;
• чтобы укрепить измеритель на объекте, нарезают резьбу.

Отличия активного и пассивного зуммера

Главное отличие активного зуммера от пассивного заключается в том, что активный зуммер генерирует звук самостоятельно. Для этого пользователь должен просто включить или выключить его, другими словами, подав напряжение на контакты или обесточив. Пассивный зуммер же требует источника сигнала, который задаст параметры звукового сигнала. В качестве такого источника может выступать плата Ардуино. Активный зуммер будет выдавать более громкий звуковой сигнал в сравнении с его конкурентом. Частота излучаемого звука активного зуммера составляет значения 2,5 кГц +/- 300Гц. Напряжение питания для пищалки варьируется от 3,5 до 5 В.

Активный пьезоизлучатель предпочтительней еще из-за того, что в скетче не потребуется создавать дополнительный фрагмент кода с задержкой, влияющий на рабочий процесс. Также для определения того, что за элемент находится перед пользователем, можно измерить сопротивление между двумя проводами. Более высокие значения будут указывать на активный зуммер ардуино.

По своей геометрической форме пищалки никак не различаются, и отнести элемент к тому или иному виду по данной характеристике не представляется возможным. Визуально зуммер можно идентифицировать, как активный, если на плате присутствуют резистор и усилитель. В пассивном зуммере в наличии только маленький пьезоэлемент на плате.

2Извлекаем звук из пьезоизлучателяс помощью функции analogWrite()

Пьезопищалку можно задействовать разными способами. Самый простой из них – это использовать функцию analogWrite(). Пример скетча – во врезке. Данный скетч попеременно включает и выключает звук с частотой 1 раз в 2 секунды.

Задаём номер пина, определяем его как выход. Функция analogWrite() принимает в качестве аргументов номер вывода и уровень, который может быть от 0 до 255, т.к. ШИМ-выводы Ардуино имеют 8-битный ЦАП. Это значение будет изменять громкость пьезопищалки в небольших пределах. Чтобы выключить пьезопищалку, нужно послать в порт значение «0».

Используя функцию analogWrite(), нельзя изменять тональность звука, к сожалению. Пьезоизлучатель всегда будет звучать на частоте примерно 980 Гц, что соответствует частоте работы выводов с широтно-импульсной модуляцией сигнала (ШИМ) на платах Arduino UNO и подобных.

Принципы работы

Сердце устройства — пьезокристалл. Окружен проводниками, преобразующими сигнал не только из вибрации струн, но и из резонирования корпуса инструмента. Устройство имеет один характерный параметр — емкость. Электрическая схема — напряжение с емкостью, которая имеет последовательность, причем ее величина составляет всего 100-500 пикофарад. Пьезодатчик используют с другой электроникой, например, с эквалайзером.

Устройство является электромеханическим. За счет малой емкости и отсутствия индуктивности, он не образует фонов и шумов.

На заметку! Пьезокристалл имеет свойство генерировать напряжение, если к нему приложить механические силы.

Основное преимущество устройства — способен снимать звук колебания по двум пространственным направлениям, а также вибрации корпуса из дерева, чем не могут похвастаться синглы и хамбакеры. Пьезодатчики используются для акустических гитар, так как принцип их работы похож на работу микрофона. Способны взаимодействовать с любым видом струн: металлическими или нейлоновыми.

Конструкционные особенности преобразователей

Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием

Кабель должен соответствовать следующим требованиям:

• изоляционное сопротивление должно быть высоким;
• экран размещен рядом с жилой;
• антивибрационность;
• гибкость.

То есть на вход усилителя не должна производиться тряска кабеля. Измерительная цепь создается симметрично, чтобы не возникало помех. В датчике связь несимметричная, сопротивление выводов и корпуса соединено таким образом, что получается изоляция внешних пластин. Чтобы добиться нужного результата, требуется измеритель выполнить из нечетного количества материалов, которые используются в процессе. Элементы прижимаются к усилителю сквозь отверстия в центральной части и через изоляторы, которые привинчены к корпусу.

3 Извлекаем звук из пьезоизлучателяс помощью функции tone()

Но частоту звучания можно менять по-другому. Для этого извлечём звук из пьезоизлучателя посредством встроенной функции tone(). Пример простейшего скетча приведён на врезке.

int soundPin = 3; /* объявляем переменную с номером пина, 
  на который мы подключили пьезоэлемент */
void setup() {
    pinMode(soundPin, OUTPUT); //объявляем пин 3 как выход.
    Serial.begin(9600); // будем выводить в порт текущую частоту
}

void loop() {
    for (int i=20; i

Функция tone() принимает в качестве аргументов номер вывода Arduino и звуковую частоту. Нижний предел частоты – 31 Гц, верхний предел ограничен параметрами пьезоизлучателя и человеческого слуха. Чтобы выключить звук, посылаем в порт команду noTone().

А вот так будет выглядеть временная диаграмма сигнала, который генерирует функция tone(). Видно, что каждые 100 мс частота увеличивается, что мы и слышим:

Временная диаграмма сигнала функции tone()

Как видите, с помощью пьезоизлучателя из Ардуино можно извлекать звуки. Можно даже написать несложную музыкальную композицию, задав ноты соответствующими частотами, а также определив длительность звучания каждой ноты посредством функции delay().

Обратите внимание, что если к Ардуино подключены несколько пьезоизлучателей, то единовременно будет работать только один. Чтобы включить излучатель на другом выводе, нужно прервать звук на текущем, вызвав функцию noTone()

Важный момент: функция tone() накладывается на ШИМ сигнал на «3» и «11» выводах Arduino. Т.е., вызванная, например, для пина «5», функция tone() может мешать работе выводов «3» и «11». Имейте это в виду, когда будете проектировать свои устройства.

Особенности приборов, измеряющих вибрации

Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.

Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.

Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:

• пьезопреобразователь включают в автогенератор;
• кристалл находится на резонансной частоте;
• как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.

Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.

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.

Продолжение следует…

Другие материалы цикла «Акустические системы»:

Подключения зуммера к Arduino

Подключение модуля пьезоэлемента к Ардуино выглядит достаточно простым. Потребляемый ток маленький, поэтому можно просто напрямую соединить с нужным пином.

Электрическая схема подключения пьезоэлемента без сопровождающих модулей выглядит следующим образом.

На некоторых вариантах корпусов зуммера можно найти отверстие для фиксации платы при помощи винта.

Зуммер arduino имеет два выхода

Следует обратить внимание на их полярность. Темный провод должен быть подключен к «земле», красный – к цифровому пину с PWM

Один вывод настраивается в программе как «вход». Arduino отслеживает колебания напряжения на выводе, на который подаётся напряжение с кнопки, резистора и датчиков.

Напряжение на «вход» подается различное по значениям, система четко фиксирует только два состояния – вышеупомянутые 1 и 0 (логические ноль и единица). К логической единице будет относиться напряжение 2,3-5 В. Режим «выход» – это когда Arduino подает на вывод логический ноль/единицу. Если брать режим логического нуля, тут величина напряжения настолько мала, что ее не хватает для зажигания светодиода.

Обратите внимание, что входы довольно чувствительны к внешним помехам разного рода, поэтому ножку пьезопищалки через резистор следует подключать к выводу. Это даст высокий уровень напряжения на ножке

Обратный пьезоэлектрический эффект

Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств.

Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки.

Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах.

Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Высота, тембр и громкость звука

Звуки бывают разными. Для характеристики звука вводят
специальные величины: громкость, высота и тембр звука.

Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше
амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие
громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в
звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как
более громкие.

Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше
частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук.
Человеческие голоса по высоте делят на несколько диапазонов.

Звуки от разных источников представляет собой совокупность
гармонических колебаний разных частот. Составляющая наибольшего
периода (наименьшей частоты) называется основным тоном.
Остальные составляющие звука — обертонами. Набор этих
составляющих создает окраску, тембр звука. Совокупность
обертонов в голосах разных людей хоть немного, но отличается,
это и определяет тембр конкретного голоса.

Что такое ультразвуковой отпугиватель

Есть разные варианты, которые по многим параметрам отличаются. Но все же дальность работы зависит от мощности прибора. Например, в продаже встречаются изделия, которые выполнены из сирены и работают на расстояние до 50 м. Такие отпугиватели позволяют защититься как от животных, так и от воров. Работа многих приборах основана на ультразвуковом принципе, что позволяет чувствовать себя на улице безопасно.

Поскольку заводские изделия стоят недешево, многие люди стараются собирать их самостоятельно. Однако для этого понадобятся не только знания, но и необходимые компоненты, инструменты. Самодельный прибор будет подавать сигнал, который слышат только животные. На ультразвук они откликаются довольно резко и практически сразу убегают от человека.

Подготовка к работе

На нашем TutorShield’е установлен пьезоизлучатель. Для его подключения установите перемычку между отмеченными выводами. Эти контакты подписаны как «buz». При их замыкании пьезоизлучатель подключается к выводу микроконтроллера PC5.

Подключение пьезоизлучателя

Пьезоизлучатели бывают двух типов — со встроенным генератором и без. Зуммеры со встроенным генератором излучают фиксированный тональный сигнал сразу после подачи на них номинального напряжения. Они не могут воспроизводить произвольный сигнал. Их обычно используют для простого звукового оповещения. Если требуется проиграть мелодию, или в разных ситуациях по-разному «пищать», то используют пьезоизлучатели без встроенного генератора и генерируют сигнал отдельно. На нашем шилде установлен зуммер без встроенного генератора и мы сможем воспроизводить различные мелодии. Если вы не используете наш шилд, то можете просто подключить зуммер между выводом PC5 и землей, и все примеры будут работать и у вас тоже на микроконтроллере Atmega8.

Правила безопасности при использовании ультразвукового увлажнителя

Эта деталь без проблем меняется самостоятельно и стоит недорого

• Увлажнитель воздуха используется строго по назначению: запрещается применять его для сушки белья или проветривания помещения.
• Поток пара должен быть направлен на безопасное место: запрещается направлять холодный туман на предметы интерьера, бытовую технику, кровать или иную мебель.
• Ремонтировать прибор необходимо в отключенном состоянии: запрещается работать с увлажнителем в момент питания или при наличии воды.
• Собирать прибор необходимо в соответствии с первоначальным положением всех элементов и проводов.
• После ремонта необходимо проверить прибор на работоспособность: включить увлажнитель в защитное УЗО. Если защита сработала – без визита в сервисный центр не обойтись.

Ультразвуковой увлажнитель воздуха требует к себе своевременного внимания. Это прибор инновационного типа, работающий при высоких частотах. Используйте его в соответствии с рекомендациями производителя, и он длительное время будет обеспечивать оптимальную влажность в вашем доме.

https://www.youtube.com/watch?v=UrKgl34mUtk

1Схема подключения пьезоизлучателяк Arduino

Пьезоизлучатель, или пьезоэлектрический излучатель, или «пьезопищалка» – это электроакустическое устройство воспроизведения звука, использующие обратный пьезоэлектрический эффект. Принцип действия его основан на том, что под действием электрического поля возникает механическое движение мембраны, которое и вызывает слышимые нами звуковые волны. Обычно такие излучатели звука устанавливают в бытовую электронную аппаратуру в качестве звуковых сигнализаторов, в корпуса настольных персональных компьютеров, в телефоны, в игрушки, в громкоговорители и много куда ещё.

Пьезоизлучатель имеет 2 вывода, причём полярность имеет значение. Поэтому чёрный вывод подключаем к земле (GND), а красный – к любому цифровому пину с функцией ШИМ (PWM). В данном примере положительный вывод излучателя подключён к выводу «D3».

Схема подключения пьезоизлучателя к Arduino и схема, собранная на макетной плате

Принцип работы

Вообще, пьезокерамика неблагодарная субстанция, для того, чтобы свои колебания сообщить воздушной среде. Проиллюстрируем это на таком примере. Пусть в пьезокерамическом образце возбуждена стоячая волна. Она характеризуется некоторым значением звукового давления и амплитудой смещения частиц при колебаниях. Поставим вопрос. Как отличаются амплитуды колебаний частиц в керамике и в воздухе при равных там и там звуковых давлениях? Ответ: в 75 тысяч раз. Причина в том, что произведение плотности воздуха на скорость звука в воздухе в 75 тысяч раз меньше, чем аналогичное произведение для керамики. Доля излучения по мощности еще меньше – одна семидесятипятитысячная в квадрате! Иное дело, звука в воду . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Ее плотность в тысячу раз больше и скорость звука в пять раз больше, чем у воздуха. Поэтому техника гидроакустики и техника воздушной акустики имеют мало общего. Несмотря на такую пессимистическую предпосылку с помощью пьезокерамики удается получать значительные показатели по громкости. Отдельные образцы пьезокерамических преобразователей могут развивать на расстоянии 1м до 130дБ. Как ощутить эту цифру? Это болевой порог. Абсолютное значение звукового давления, соответствующего 130дБ – это 60 н/м2 или 6 кГ/м2. Такой звук давит на барабанную перепонку с силой, примерно 0,2Г. Кто не знает, что такое биметаллическая пластина? Две спеченные металлические пластины с различными коэффициентами линейного расширения при нагревании изгибаются на величину, многократно превышающую термическое удлинение. А если бы одна из пластин удлинялась, а другая пластина укорачивалась?.. Необходимым элементом электроакустического преобразователя с применением пьезокерамики является биморфная конструкция из двух тонких пьезоэлементов, из которых один при подаче напряж ения растягивается, а другой сжимается. Чаще всего между пьезоэлементами вклеивается третий элемент – металлическая мембрана. Металл придает прочность конструкции. Еще чаще бывает достаточно использовать один пьезоэлемент, а в качестве второго элемента биморфа служит сама мембрана (см. рис.1). Такие конструкции называют Биморфными пьезоэлементами или пьезоблоками.

Звуковые явления

Эхо. Эхо образуется в результате отражения звука от
различных преград — гор, леса, стен, больших зданий и т.п. Эхо
возникает только в том случае, когда отраженный звук
воспринимается раздельно от первоначально произнесенного звука.
Если отражающих поверхностей много и они находятся на разных
расстояниях от человека, то отраженные звуковые волны дойдут до
него в разные моменты времени. В этом случае эхо будет
многократным. Препятствие должно находится на расстоянии 11м от
человека, чтобы можно было услышать эхо.

Отражение звука. Звук отражается от гладких
поверхностей. Поэтому при использовании рупора звуковые волны не
рассеиваются во все стороны, а образуют узконаправленный пучок,
за счет чего мощность звука увеличивается, и он распространяется
на большее расстояние.

Некоторые животные (например, летучая мышь, дельфин) издают
ультразвуковые колебания, затем воспринимают отраженную волну от
препятствий. Так они определяют местоположение и расстояние до
окружающих предметов.

Похожие записи:

Лапчатка в ландшафтном дизайне сада Луковый суп Технология приготовления и нанесения известкового раствора для оштукатуривания стен Как построить самый дешёвый дом из глины и дров? (часть 2) Замок для калитки уличный с ручкой: виды и варианты на фото, какой выбрать и поставить Как просверлить бетонную стену обычной дрелью