Πώς να συμπιέσετε ακουστικούς μετατροπείς Piezo σε συσκευές που συρρικνώνονται

Τι θα μάθετε:

• Η ευρεία εφαρμογή της πιεζοηλεκτρικής τεχνολογίας.
• Γιατί οι τάσεις για τη μικρογραφία συσκευών, διατηρώντας παράλληλα την ακρίβεια, παρουσιάζουν προκλήσεις για τους μηχανικούς σχεδιασμού.
• Πώς τα εργαλεία λογισμικού πολλαπλής φυσικής μπορούν να αντιμετωπίσουν τις εγγενείς προκλήσεις πολλαπλής φυσικής του σχεδιασμού ακουστικών μετατροπέων πιεζοηλεκτρικών.

Η αυξανόμενη μικρογραφία και η πολυπλοκότητα των ηλεκτρονικών προϊόντων, που κυμαίνονται από συσκευές μέσων μαζικής ενημέρωσης καταναλωτών έως ιατρικά διαγνωστικά εργαλεία και εφαρμογές σόναρ που σχετίζονται με την άμυνα, παρουσιάζουν μια αφθονία χρησιμότητας και ευκολίας για τους καταναλωτές—και μια συνεχή πρόκληση για τους μηχανικούς σχεδιασμού. Αυτά τα φαινομενικά ετερόκλητα προϊόντα (ηχεία ήχου/κινητών συσκευών, ορισμένες μη επεμβατικές ιατρικές συσκευές και συστοιχίες σόναρ) μοιράζονται κοινώς την εξάρτησή τους από πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς για την παραγωγή και τη λήψη ακουστικών σημάτων.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν εκτιμηθεί από το πρώτο μισό του 20ού αιώνα για την ικανότητά τους να μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και αντίστροφα. Ωστόσο, η τεχνολογία του 21ου αιώνα απαιτεί αυτά τα ίδια υλικά να παράγουν περισσότερο ήχο ή πιο ακριβείς συχνότητες μέσα σε μικρότερα και μικρότερα πακέτα, όλα χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν λιγότερη ενέργεια.

Η πρόκληση του σχεδιασμού συσκευών που περιέχουν πιεζοηλεκτρικά είναι εγγενώς πολλαπλής φυσικής λόγω της συμβολής της ηλεκτρικής ενέργειας, της δόνησης και της ακουστικής. Έτσι, οι σχεδιαστές πρέπει να έχουν εργαλεία που μπορούν να υπολογίσουν τις πολλαπλές φυσικές ιδιότητες μέσα στα προϊόντα τους.

Επισκόπηση πιεζοηλεκτρικού υλικού

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι υλικά που μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια λόγω μηχανικής καταπόνησης, όπως η συμπίεση. Αυτά τα υλικά μπορούν επίσης να παραμορφωθούν όταν εφαρμόζεται τάση (ηλεκτρική ενέργεια). Τυπικά πιεζοκεραμικά υλικά, είτε μη αγώγιμα κεραμικά είτε κρύσταλλοι, τοποθετούνται μεταξύ δύο μεταλλικών πλακών.

Για να παραχθεί πιεζοηλεκτρισμός, το υλικό πρέπει να συμπιεστεί ή να συμπιεστεί. Η μηχανική καταπόνηση που εφαρμόζεται στο πιεζοηλεκτρικό κεραμικό υλικό παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο μπορεί να αντιστραφεί, το οποίο αναφέρεται ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Αυτό δημιουργείται με την εφαρμογή ηλεκτρικής τάσης για να συρρικνωθεί ή να διασταλεί ένας πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος. Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά βρίσκονται σε μια εκπληκτική σειρά καθημερινών προϊόντων. Η φλόγα που αναπηδά στη ζωή όταν πατάτε το κουμπί ενός αναπτήρα «κλικ και φλόγα» βοηθήθηκε στην ύπαρξη από τη συμπίεση του πιεζοηλεκτρικού υλικού, το οποίο παράγει μια σπίθα.

Τώρα, ας δούμε μερικά άλλα προϊόντα που παρουσιάζουν περισσότερες προκλήσεις για τους μηχανικούς σχεδιασμού λόγω της ανάγκης για αυξημένη απόδοση σε μικρότερες συσκευές.

Μικρόφωνα και Ηχεία

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται εκτενώς στην ακουστική. Τα μικρόφωνα περιέχουν πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους που μετατρέπουν τα εισερχόμενα ηχητικά κύματα σε σήματα που στη συνέχεια υποβάλλονται σε επεξεργασία για τη δημιουργία εξερχόμενου ενισχυμένου ήχου. Μικρά ηχεία, όπως αυτά σε κινητά τηλέφωνα και άλλες κινητές συσκευές, οδηγούνται επίσης από πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Η μπαταρία της συσκευής δονεί τον κρύσταλλο σε μια συχνότητα που παράγει ήχο.

Η πρόκληση εδώ είναι ο σχεδιασμός πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων που μπορούν να παράγουν ήχο πολύ υψηλής ποιότητας σε ένα μικρό πακέτο και χωρίς να εξαντλούν πολύ την μπαταρία της συσκευής.

Ιατρικές συσκευές

Μη επεμβατικές ιατρικές συσκευές όπως τα ακουστικά βαρηκοΐας βασίζονται επίσης σε πιεζοηλεκτρικά για ένα μέρος της λειτουργίας τους. Το ίδιο ισχύει και για την τεχνολογία υπερήχων, η οποία είναι μια σημαντική εφαρμογή πιεζοηλεκτρικού υλικού.

Στην υπερηχογραφία, τα πιεζοηλεκτρικά υλικά ηλεκτρίζονται για να δημιουργήσουν ηχητικά κύματα υψηλής συχνότητας (μεταξύ 1,5 και 8 MHz) τα οποία είναι σε θέση να διεισδύσουν στους ιστούς του σώματος. Καθώς τα κύματα αναπηδούν, οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι μετατρέπουν τη ληφθείσα μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, στέλνοντάς την πίσω στη μηχανή υπερήχων για μετατροπή σε εικόνα.

Άλλες ιατρικές συσκευές όπως τα αρμονικά νυστέρια χρησιμοποιούν τις ιδιότητες δόνησης των πιεζοηλεκτρικών υλικών για την κοπή και την καυτηρίαση των ιστών κατά τη διάρκεια της χειρουργικής επέμβασης. Οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι μέσα στη συσκευή παράγουν τόσο την κινητική ενέργεια όσο και τη θερμική ενέργεια που απαιτείται για την ταυτόχρονη κοπή και καυτηρίαση.

Οι προκλήσεις σχεδιασμού υπερήχων επικεντρώνονται στην ανάγκη καθορισμού του σωστού σχήματος και της σύνθεσης του υλικού των πιεζοηλεκτρικών εξαρτημάτων για τη δημιουργία των πολύ ακριβών συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται στην υπερηχογραφία. Και, στο παράδειγμα των αρμονικών νυστεριών, ο σχεδιασμός πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις επιπτώσεις της θέρμανσης στην απόκριση δόνησης της συσκευής.

Σόναρ

Ίσως η ευρύτερη και μακροχρόνια χρήση της πιεζοηλεκτρικής τεχνολογίας μπορεί να βρεθεί σε εφαρμογές σόναρ. Κατά τη διάρκεια του Α' Παγκοσμίου Πολέμου, το σόναρ ήταν η πρώτη εμπορική εφαρμογή του πιεζοηλεκτρισμού και η χρήση του εκτοξεύτηκε την περίοδο μεταξύ των δύο παγκοσμίων πολέμων.

Σήμερα, όλα τα συστήματα που βασίζονται σε σόναρ, συμπεριλαμβανομένων αυτών που χρησιμοποιούνται από τον στρατό, τους εμπορικούς ψαράδες και σε πολλές άλλες θαλάσσιες εφαρμογές, χρησιμοποιούν έναν μετατροπέα που περιέχει πιεζο για την παραγωγή και τη λήψη ηχητικών κυμάτων.

Φαίνεται απλό, αλλά ο σχεδιασμός μετατροπέων για τη διάδοση του ήχου μέσω του νερού και όχι του αέρα μπορεί να παρουσιάσει το δικό του σύνολο πολύπλοκων μηχανικών προκλήσεων. Αυτές οι εφαρμογές απαιτούν συχνά η πιεζοηλεκτρική συσκευή να παράγει σήματα υψηλής ισχύος για τη διάδοση μεγάλων αποστάσεων χωρίς εξασθένηση κάτω από ανιχνεύσιμα επίπεδα.

Νέες χρήσεις

Μια αναδυόμενη εφαρμογή πιεζοηλεκτρικών υλικών είναι στην τεχνολογία συλλογής ενέργειας. Λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων των πιεζοϋλικών, μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία σε οποιαδήποτε εφαρμογή που απαιτεί ή παράγει δόνηση.

Στη συλλογή ενέργειας, η εξωγενής δόνηση παράγει μια μηχανική καταπόνηση στο πιεζοηλεκτρικό υλικό που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η ενέργεια που δημιουργείται από πιεζο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία άλλων εξαρτημάτων της συσκευής ή του συστήματος.

Τα συστήματα παρακολούθησης πίεσης ελαστικών (TPMS) ανεξάρτητα από την μπαταρία αντιπροσωπεύουν ένα τέτοιο παράδειγμα. Καθώς τα ελαστικά ενός οχήματος περιστρέφονται, παράγεται μηχανική ενέργεια. Ένας αισθητήρας που περιέχει πιεζο συλλέγει αυτήν την ενέργεια, την αποθηκεύει και στέλνει ένα σήμα στον πίνακα οθόνης του οδηγού. Τα TPMS τροφοδοτούνταν ιστορικά με μπαταρία, αλλά το αυξανόμενο ενδιαφέρον για φιλικές προς το περιβάλλον εναλλακτικές λύσεις μπαταριών οδήγησε σε νέα εστίαση στις δυνατότητες συλλογής ενέργειας των πιεζοηλεκτρικών υλικών.

Παλιά ανακάλυψη, σύγχρονες προκλήσεις

Αν και τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται εδώ και έναν αιώνα, η τρέχουσα ανάγκη για την εφαρμογή τους σε μικρότερα και πιο σύνθετα προϊόντα παρουσιάζει μια πρόκληση για τους μηχανικούς σχεδιασμού. Η επιλογή των σωστών υλικών και ο σχεδιασμός του σωστού σχήματος κρυστάλλου είναι εξαιρετικά σημαντικοί για τη λειτουργικότητα ενός πρωτοτύπου.

Τα Piezos έχουν πολύπλοκες ιδιότητες υλικών που είναι άρρηκτα συνδεδεμένες και η σύνθεση του υλικού έχει σημασία. Ομοίως, εάν το σχήμα ενός πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου δεν παράγει τη σωστή συντονισμένη συχνότητα, η συσκευή δεν θα λειτουργήσει. Και, σε κομψή αλληλουχία με το «Εφέ Παρατηρητή», η ίδια η ηλεκτροδότηση ενός πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου παραμορφώνει το σχήμα του ενώ παράγει επίσης περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια.

Είναι ένας απίστευτα περίπλοκος βρόχος ανατροφοδότησης που ζητά μια λύση σχεδιασμού που εξαλείφει την εικασία που εμπλέκεται στις χρονοβόρες διαδικασίες πρωτοτύπων κατασκευής-δοκιμής.

Γιατί η προσομοίωση έχει σημασία

Η προσομοίωση είναι πάντα χρήσιμη όταν ασχολείστε με μη γραμμικότητες. Εμποδίζει τους σχεδιαστές από την αχάριστη (και συχνά οικονομικά ανέφικτη) εργασία της κατασκευής και της δοκιμής εν μέσω πάρα πολλών άγνωστων. Όταν εξετάζουμε ηλεκτροακουστικούς μετατροπείς, ο μοναδικός συνδυασμός ηλεκτρικής ενέργειας, μηχανικής ενέργειας και ακουστικής είναι σαφώς μη γραμμικός και εγγενώς πολλαπλής φυσικής.

Η προσομοίωση πολλαπλής φυσικής μπορεί να παρέχει στους μηχανικούς σχεδιασμού τα εργαλεία για την πιο αποτελεσματική ανάπτυξη προϊόντων, επιτρέποντάς τους να προσομοιώνουν τα σχέδια των συσκευών τους εντός συνθηκών λειτουργίας. Επιπλέον, αυτές οι προσομοιώσεις μπορεί να περιλαμβάνουν ολόκληρο το οικοσύστημα από το κύκλωμα ελέγχου έως τον πιεζοηλεκτρικό μετατροπέα έως το περιβάλλον ακουστικό περιβάλλον. Οι προσομοιώσεις πολλαπλής φυσικής θα λάβουν υπόψη παράγοντες όπως:

• Οι συντακτικές εξισώσεις μηχανικής και ηλεκτρικής απόκρισης
• Η κατεύθυνση πόλωσης των πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων υλικού
• Οριακές συνθήκες
• Δομική μηχανική/θέρμανση δόνησης

Καθώς οι συσκευές που εξαρτώνται από πιεζοηλεκτρικά γίνονται μικρότερες και πιο περίπλοκες για να ανταποκριθούν στις απαιτήσεις των εξελιγμένων καταναλωτών (είτε πρόκειται για άτομα είτε για βιομηχανίες), οι μηχανικοί σχεδιασμού πρέπει να έχουν εργαλεία που υπολογίζουν τις πολλαπλές φυσικές ιδιότητες μέσα στα προϊόντα τους. Τα εργαλεία προσομοίωσης πολλαπλής φυσικής μπορούν να παρέχουν σαφήνεια και κατεύθυνση σε πολύπλοκες προκλήσεις σχεδιασμού.

Μπορείτε να μάθετε περισσότερα σχετικά με την πιεζοηλεκτρική τεχνολογία παρακολουθώντας το Σχεδιασμός πιεζοηλεκτρικών ακουστικών μετατροπέων με προσομοιώσεις διαδικτυακό σεμινάριο.