Module Buzzer

Piezo électricité

La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu’on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Cette propriété trouve un très grand nombre d’applications dans l’industrie et la vie quotidienne. Une application parmi les plus familières est l’allume-gaz. Dans un allume-gaz, la pression exercée produit une tension électrique qui se décharge brutalement sous forme d’étincelles. De manière générale, ce comportement appelé effet direct peut être mis à profit dans la réalisation de capteurs (capteur de pression, jauge pour pesée…) tandis que l’effet inverse permet de réaliser des actionneurs de précision (injecteurs à commande piézoélectrique en automobile, nanomanipulateur…) ou comme ici, un buzzer.

Les matériaux piézoélectriques sont très nombreux. Le plus connu est sans doute le quartz, toujours utilisé aujourd’hui dans les montres pour créer des impulsions d’horloge. Mais ce sont des céramiques synthétiques, les PZT qui sont le plus largement utilisées aujourd’hui dans l’industrie.

L’animation ci-dessus peut se lire dans les deux sens :  si on compresse un cristal piézoélectrique, il produit de l’électricité. Si on envoie une tension sur un cristal piézoélectrique, il change de dimension.

Buzzer passif

Principe

Le buzzer passif  de base est une simple plaquette de céramique montée sur une plaque métallique. Une électrode de contact (généralement une fins couche d’argent) est déposée sur la céramique. L’application d’une tension alternative proche de la fréquence de résonance entraine la mise en vibration de l’ensemble et la production d’un son. La plaquette métallique amplifie la vibration de l’élément en céramique piézoélectrique et augmente l’intensité du son.

Images du buzzer passif

Le buzzer piézoélectrique passif peut se présenter nu, sous forme de plaquette avec les fils soudés ou sans les fils soudés. La soudure du fil sur l’électrode argentée est délicate et nécessite de l’expérience pour sa réussite…
Le buzzer peut également être intégré dans un boîtier pour faciliter sa mise en place sur un circuit imprimé. Le haut-parleur piézoélectrique n’est autre qu’une plaquette piézoélectrique dans un boîtier en forme de haut-parleur destiné à mieux diffuser les ondes sonores.

Utilisation

Le buzzer piézoélectrique passif nécessite obligatoirement un système destiné à lui fournir l’énergie à la fréquence voulu pour le mettre en vibration. C’est le cas de cet oscillateur à base d’inverseurs extrait de la notice d’application (en anglais) de Murata dont la lecture vous apprendra beaucoup sur ces céramiques piézoélectriques.

Mais on trouve beaucoup d’autres schémas d’oscillateurs pour attaquer ce genre de composant.

Buzzer actif

Principe

Le buzzer piézoélectrique actif est en fait un buzzer… passif auquel on a adjoint un oscillateur chargé d’envoyer le signal nécessaire pour faire vibrer la pastille piézo. Le buzzer comporte 2 pattes correspondant à l’alimentation du circuit oscillateur. Sur ce modèle, lorsqu’on connecte l’alimentation, le buzzer… buzze !

Le buzzer actif est encapsulé dans un boîtier en matière plastique, destiné à protéger l’élément piézoélectrique et l’oscillateur. Ce boîtier sert également de résonateur pour augmenter le niveau du bruit délivré par le buzzer. On voit sur l’image de droite un buzzer « éventré ». Au fond du boîtier le circuit imprimé de l’oscillateur et la plaquette piézoélectrique soulevée.

 

Images du buzzer actif

On voit ci-dessus différentes possibilités de trouver un buzzer actif. Le buzzer seul, à souder sur une carte de circuit imprimé ou à utiliser sur une breadboard (carte de prototypage). Deux modules : le premier en haut à droite est celui que j’utilise. Il s’agit d’un simple buzzer actif qui fonctionne quand on l’alimente. Le modèle situé en bas à gauche comporte un transistor de commutation (placé à gauche juste devant le boîtier du buzzer). Il est possible de commander le fonctionnement du buzzer à partir d’un GPIO sans consommer de courant sur cette sortie.

Caractéristiques

Le modèle Keyes KY-012 (et ses clones) fonctionne avec une tension comprise entre 3 et 24 Vcc (courant continu). Avec les 3,3v de la sortie GPIO il n’y a pas de problème. La fréquence nominale est de 2,5 kHz (mesurée 2690 Hz) et le module consomme environ 25 mA. On voit ici que le buzzer est livré avec un opercule de protection qui bouche le trou du résonateur. Cette protection doit être enlevée après lavage de la carte de circuit imprimé, lors de fabrication industrielle.

[stextbox id=’alert’ caption=’ATTENTION AUX OREILLES !’]Dans un premier temps, je vous conseille de laisser l’opercule en place, ce qui diminue légèrement le niveau sonore. Je vous le recommande particulièrement si vous mettez ce composant en œuvre en présence de jeunes enfants dont les oreilles sont très sensibles aux fréquences élevées.[/stextbox]

Connexion au Raspberry Pi

Rien de bien compliqué ici, enfin… presque. La masse (patte 6 du GPIO du Raspberry Pi ) doit être connectée à la borne S (signal ?). La sortie du GPIO 4 (broche 7) rejoindra quand à elle la broche – du module Keyes KY-012…  Il semble que le marquage des broches soit inversé, ce qui semble confirmé pour certains modules 😀

La connexion au GPIO est faite avec 2 fils comme ci-dessus.

Faites du bruit !

 

Le programme est on ne peut plus simple. Une boucle infinie pour mettre le GPIO 4 au niveau 1 pendant une seconde. Pendant ce temps, le chat dit « Bip ! ». Le buzzer se tait ensuite pendant une seconde et le chat se tait pendant ce temps. Attention de bien vider complètement la brique « Say » pour que le chat ne dise rien. A défaut, une bulle vide sera affichée 😉

J’ai dégainé mon plus joli dBmètre. (pour les pinailleurs : non, il n’est pas étalonné mais indique entre 35 et 40 dB dans une pièce silencieuse, et 45 dB lorsque le PC fonctionne, ce qui me semble pas mal). A 30 cm du buzzer, le dBmètre indique 87 dB avec des pointes à 90 dB en bougeant le micro ! C’est suffisant pour déclencher le réflexe stapédien en agissant sur un muscle de l’oreille moyenne, de façon à diminuer la transmission des vibrations sonores. Ce réflexe se déclenche au moment ou vous allez parler, ou lorsque vous subissez une exposition à un niveau sonore supérieur de 80 dB environ au seuil de l’audition⁸. Le muscle stapédien se fatigue, et, au bout d’un certain temps, ne peut plus assurer sa fonction protectrice. C’est pourquoi on estime que le déclenchement du réflexe stapédien correspond à l’entrée dans la zone dangereuse pour l’exposition sonore prolongée.

[stextbox id=’warning’ caption=’Bruit = Danger’]L’utilisation prolongée du buzzer, surtout quand il se trouve près de vous, peut provoquer des lésions de l’oreille interne. Il peut s’ensuivre une baisse de l’audition, des trous dans la courbe d’audition, et même des acouphènes. Il vous appartient de prendre toutes les précautions pour ne pas subir d’exposition prolongée à des niveaux sonores élevés. Cela vaut d’ailleurs également pour l’écoute de la musique au casque ou en salle de concert.[/stextbox]

A l’autre extrémité de la pièce dans laquelle je travaille (4 mètres environ)  on a encore 78 dB. Avec l’opercule en place à 30 cm du buzzer on ne mesure « que » 65 dB.

Vidéo