Πώς να συμπιέσει τους piezo ακουστικούς μετατροπείς να συρρικνωθεί τις συσκευές

Αυτό που θα μάθετε:

• Η ευρεία εφαρμογή της πιεζοηλεκτρικής τεχνολογίας.
• Γιατί τάσεις για να μικρογραφήσει τις συσκευές διατηρώντας τις παρούσες προκλήσεις ακρίβειας για τους μηχανικούς σχεδίου.
• Πώς τα εργαλεία λογισμικού multiphysics μπορούν να εξετάσουν τις έμφυτες προκλήσεις multiphysics του σχεδιασμού των πιεζοηλεκτρικών ακουστικών μετατροπέων.

Η αυξανόμενες μικρογράφηση και η εκλέπτυνση των ηλεκτρονικών προϊόντων, που κυμαίνονται από τις συσκευές καταναλωτικών μέσων ως τα ιατρικά διαγνωστικά εργαλεία ως τις υπεράσπιση-σχετικές με τον εφαρμογές σόναρ, παρουσιάζουν μια γενναιοδωρία της χρησιμότητας και της ευκολίας για καταναλωτής-και μια τρέχουσα πρόκληση για τους μηχανικούς σχεδίου. Αυτά τα φαινομενικά ανόμοια προϊόντα (ακουστικοί/κινητοί ομιλητές συσκευών, ορισμένες μη καταπατητικές ιατρικές συσκευές, και σειρές σόναρ) μοιράζονται από κοινού μια εμπιστοσύνη στους πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς για και να παραγάγουν και να λάβουν τα ακουστικά σήματα.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν εκτιμηθεί από το πρώτο μισό του 20ου αιώνα για τη δυνατότητά τους να μετατρέψουν τη μηχανική ενέργεια στην ηλεκτρική ενέργεια και αντίστροφα. Εντούτοις, η τεχνολογία του 21$ου αιώνα απαιτεί να παραγάγουν αυτά τα ίδια υλικά τις υγιέστερες ή ακριβέστερες συχνότητες μέσα στις μικρότερες και μικρότερες συσκευασίες, όλες χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια.

Η πρόκληση του σχεδιασμού των πιεζοηλεκτρικός-περιέχοντας συσκευών είναι εγγενώς multiphysics στη φύση λόγω της συμβολής της ηλεκτρικής ενέργειας, της δόνησης, και της ακουστικής. Κατά συνέπεια, οι σχεδιαστές πρέπει να έχουν τα εργαλεία που μπορούν να υπολογίσουν την πολλαπλάσια φυσική μέσα στα προϊόντα τους.

Πιεζοηλεκτρική υλική επισκόπηση

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι υλικά που μπορούν να παραγάγουν την ηλεκτρική ενέργεια λόγω της μηχανικής πίεσης, όπως η συμπίεση. Αυτά τα υλικά μπορούν επίσης να παραμορφώσουν όταν εφαρμόζεται η τάση (ηλεκτρική ενέργεια). Τα χαρακτηριστικά piezoceramic υλικά, είτε non-conductive κεραμικός είτε κρύσταλλο, τοποθετούνται μεταξύ δύο μεταλλικών πιάτων.

Για να παραγάγει τον πιεζοηλεκτρισμό, το υλικό πρέπει να συμπιεστεί ή να συμπιεστεί. Η μηχανική πίεση που εφαρμόζεται στο πιεζοηλεκτρικό κεραμικό υλικό παράγει την ηλεκτρική ενέργεια. Η πιεζοηλεκτρική επίδραση μπορεί να αντιστραφεί, η οποία αναφέρεται ως αντίστροφη πιεζοηλεκτρική επίδραση. Αυτό δημιουργείται με την εφαρμογή της ηλεκτρικής τάσης για να γίνει ένα πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο να συρρικνωθεί ή να επεκταθεί. Η αντίστροφη πιεζοηλεκτρική επίδραση μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια στη μηχανική ενέργεια.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά βρίσκονται σε μια εκπληκτική σειρά καθημερινών προϊόντων. Η φλόγα που πηδά στη ζωή όταν πιέζετε το κουμπί ενός αναπτήρα «κρότος-και-φλογών» βοηθήθηκε στην ύπαρξη από τη συμπίεση του πιεζοηλεκτρικού υλικού, το οποίο παράγει έναν σπινθήρα.

Τώρα, εξετάστε μερικά άλλα προϊόντα που παρουσιάζουν περισσότερων μιας πρόκλησης για τους μηχανικούς σχεδίου λόγω της ανάγκης για την αυξανόμενη παραγωγή μέσα στις μικρότερες συσκευές.

Mics και ομιλητές

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται εκτενώς στην ακουστική. Τα μικρόφωνα περιέχουν τα πιεζοηλεκτρικά κρύσταλλα που μετατρέπουν τα εισερχόμενα υγιή κύματα στα σήματα που υποβάλλονται σε επεξεργασία έπειτα για να δημιουργήσουν τον εξερχόμενο ενισχυμένο ήχο. Οι μικροί ομιλητές, όπως εκείνοι μέσα στα τηλέφωνα κυττάρων και άλλες κινητές συσκευές, επίσης οδηγούνται από τα πιεζοηλεκτρικά κρύσταλλα. Η μπαταρία της συσκευής δονείται το κρύσταλλο σε μια συχνότητα που παράγει τον ήχο.

Η πρόκληση είναι εδώ στο σχεδιασμό των πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων που μπορούν να παραγάγουν τον ίδιος-υψηλός-ποιοτικό ήχο μέσα σε μια μικρή συσκευασία, και χωρίς στράγγιγμα πάρα πολύ της μπαταρίας της συσκευής.

Ιατρικές συσκευές

Οι μη καταπατητικές ιατρικές συσκευές όπως οι ενισχύσεις ακρόασης στηρίζονται επίσης στο piezoelectrics για μια μερίδα της λειτουργίας τους. Έτσι, επίσης, κάνει την τεχνολογία υπερήχου, η οποία είναι μια σημαντική εφαρμογή του πιεζοηλεκτρικού υλικού.

Ultrasonics, τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι ηλεκτρισμένα για να δημιουργήσουν τα κύματα ήχων υψηλής συχνότητας (μεταξύ 1,5 και 8 MHZ) που είναι σε θέση να διαπεράσουν τους σωματικούς ιστούς. Δεδομένου ότι τα κύματα αναπηδούν πίσω, τα πιεζοηλεκτρικά κρύσταλλα μετατρέπουν τη λαμβανόμενη μηχανική ενέργεια στην ηλεκτρική ενέργεια, που στέλνει την πίσω στη μηχανή υπερήχου για τη μετατροπή σε μια εικόνα.

Άλλες ιατρικές συσκευές όπως τα αρμονικά χειρουργικά νυστέρια χρησιμοποιούν τις παλμικές ιδιότητες των πιεζοηλεκτρικών υλικών που κόβουν και ο ιστός κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης. Τα πιεζοηλεκτρικά κρύσταλλα μέσα στη συσκευή παράγουν και την κινητική ενέργεια και την ενέργεια θερμότητας που απαιτούνται για να κόψει ταυτόχρονα και.

Οι υπερηχητικές προκλήσεις σχεδίου εστιάζουν στην ανάγκη να αποφασιστεί η σωστή μορφή και η υλική σύνθεση των πιεζοηλεκτρικών συστατικών για να δημιουργήσουν τις πολύ ακριβείς συχνότητες που χρησιμοποιούνται στον υπέρηχο. Και, στο παράδειγμα των αρμονικών χειρουργικών νυστεριών, το σχέδιο πρέπει να αποτελέσει τα αποτελέσματα της θέρμανσης στην παλμική απάντηση της συσκευής.

Σόναρ

Ίσως η ευρύτερη και από μακρού πιό υφιστάμενη χρήση της πιεζοηλεκτρικής τεχνολογίας μπορεί να βρεθεί μέσα στις εφαρμογές σόναρ. Κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκόσμιου Πολέμου, το σόναρ ήταν η πρώτη εμπορική εφαρμογή του πιεζοηλεκτρισμού, και η χρήση της ανέβασε στα ύψη στην περίοδο μεταξύ των δύο παγκόσμιων πολέμων.

Σήμερα, όλα τα σόναρ-βασισμένα στο συστήματα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που χρησιμοποιούνται από τους στρατιωτικούς, εμπορικούς ψαράδες, και σε πολυάριθμες άλλες θαλάσσιες εφαρμογές, χρησιμοποιούν έναν piezo-περιέχοντας μετατροπέα για και να παραγάγουν και να λάβουν τα υγιή κύματα.

Φαίνεται απλό, αλλά ο σχεδιασμός των μετατροπέων για τη διάδοση του ήχου μέσω του νερού παρά τον αέρα μπορεί να παρουσιάσει το σύνολό του σύνθετων προκλήσεων εφαρμοσμένης μηχανικής. Αυτές οι εφαρμογές απαιτούν συχνά την πιεζοηλεκτρική συσκευή για να παραγάγουν τα υψηλής ισχύος σήματα για να διαδώσουν τις μεγάλες αποστάσεις χωρίς μείωση κάτω από τα ανιχνεύσιμα επίπεδα.

Νέες χρήσεις

Μια αναδυόμενη εφαρμογή των πιεζοηλεκτρικών υλικών είναι μέσα στην ενέργεια-συγκομιδή της τεχνολογίας. Λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων των piezo υλικών, μπορούν να χρησιμοποιηθούν επιτυχώς σε οποιαδήποτε εφαρμογή που απαιτεί ή παράγει τη δόνηση.

Στην ενεργειακή συγκομιδή, η εξωγενής δόνηση παράγει μια μηχανική πίεση στο πιεζοηλεκτρικό υλικό που μετατρέπεται στην ηλεκτρική ενέργεια. Εκείνη η piezo-δημιουργημένη ενέργεια μπορεί έπειτα να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει άλλα συστατικά της συσκευής ή του συστήματος.

Τα συστήματα ρόδα-πίεση-ελέγχου μπαταρία-ανεξάρτητων (TPMS) αντιπροσωπεύουν ένα τέτοιο παράδειγμα. Δεδομένου ότι οι ρόδες ενός οχήματος περιστρέφονται, η μηχανική ενέργεια παράγεται. Ένας piezo-που περιέχει αισθητήρας τις συγκομιδές εκείνη η ενέργεια, καταστήματα αυτό, και στέλνει ένα σήμα στην επιτροπή επίδειξης του οδηγού. Το TPMSs είναι ιστορικά με μπαταρίες, αλλά το αυξανόμενο ενδιαφέρον για τις φιλικές προς το περιβάλλον εναλλακτικές λύσεις μπαταριών έχει οδηγήσει σε μια νέα εστίαση στη δυνατότητα ενέργεια-συγκομιδής των πιεζοηλεκτρικών υλικών.

Παλαιά ανακάλυψη, σύγχρονες προκλήσεις

Αν και τα πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί για κατά τη διάρκεια ενός αιώνα, η τρέχουσα ανάγκη για την αίτησή τους μέσα στα μικρότερα και πιό σύνθετα προϊόντα παρουσιάζει μια πρόκληση για τους μηχανικούς σχεδίου. Η επιλογή των σωστών υλικών και ο σχεδιασμός της σωστής μορφής κρυστάλλου είναι αυστηρά σημαντικοί στη λειτουργία ενός πρωτοτύπου.

Το Piezos έχει τις πολύ σύνθετες υλικές ιδιότητες που συνδυάζονται ιδιαίτερα, και υλικά θέματα σύνθεσης. Ομοίως, εάν η μορφή ενός πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου δεν παράγει τη σωστή ηχηρή συχνότητα, η συσκευή δεν θα λειτουργήσει. Και, στο κομψό lockstep με τη «επίδραση παρατηρητών,» η ίδια η ηλέκτριση ενός πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου παραμορφώνει τη μορφή της επίσης παράγοντας περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια.

Είναι απίστευτα περίπλοκη ανατροφοδοτεί το βρόχο που φωνάζει έξω για μια λύση σχεδίου που αποβάλλει την εικασία που περιλαμβάνεται στις μεγάλες διαδικασίες πρωτοτύπων κατασκευή-δοκιμής.

Γιατί η προσομοίωση πειράζει

Την η προσομοίωση είναι πάντα χρήσιμη κατά εξέταση των μη γραμμικοτήτων. Αποτρέπει τους σχεδιαστές από το thankless (και συχνά budgetarily ανέφικτο) στόχο και ανάμεσα σε πάρα πολλά unknowns. Κατά εξέταση των ηλεκτροακουστικών μετατροπέων, μοναδικός τη συνδυασμός ηλεκτρικής ενέργειας, μηχανικής ενέργειας, και ακουστικής είναι οριστικά μη γραμμικός, και εγγενώς multiphysics στη φύση.

Η προσομοίωση Multiphysics μπορεί να παρέχει στους μηχανικούς σχεδίου τα εργαλεία για να αναπτύξει τα προϊόντα αποτελεσματικότερα με στη διευκόλυνση σε τους για να μιμηθεί τα σχέδια συσκευών τους μέσα στους λειτουργούντες όρους. Επιπλέον, αυτές οι προσομοιώσεις μπορούν να περιλάβουν το ολόκληρο οικοσύστημα από το κύκλωμα ελέγχου στον πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα να περιβάλουν το ακουστικό περιβάλλον. Οι προσομοιώσεις Multiphysics θα λάβουν υπόψη τους παράγοντες όπως:

• Οι συστατικές εξισώσεις της μηχανικής και ηλεκτρικής απάντησης
• Κατεύθυνση Poling των πιεζοηλεκτρικών υλικών ιδιοτήτων
• Όροι ορίου
• Δομικοί μηχανικοί/παλμική θέρμανση

Δεδομένου ότι οι πιεζοηλεκτρικός-εξαρτώμενες συσκευές γίνονται μικρότερες και πιό σύνθετες για να ικανοποιήσουν τα αιτήματα των περίπλοκων καταναλωτών (να είστε εκείνες οι άτομα ή βιομηχανίες), οι μηχανικοί σχεδίου πρέπει να έχουν τα εργαλεία που υπολογίζουν την πολλαπλάσια φυσική μέσα στα προϊόντα τους. Τα εργαλεία προσομοίωσης Multiphysics μπορούν να παρέχουν τη σαφήνεια και την κατεύθυνση στις περίπλοκες προκλήσεις σχεδίου.

Μπορείτε να ανακαλύψετε περισσότερων για την πιεζοηλεκτρική τεχνολογία με την προσοχή των πιεζοηλεκτρικών ακουστικών μετατροπέων σχεδιασμού με τις προσομοιώσεις webinar.