Comment serrer les transducteurs acoustiques piézo-électriques dans les dispositifs de rétrécissement

Ce que vous apprendrez :

• L'application large de la technologie piézoélectrique.
• Pourquoi tendances de miniaturiser des dispositifs tout en maintenant les défis actuels de précision pour des ingénieurs d'études.
• Comment les outils logiciels de multiphysics peuvent relever les défis inhérents de multiphysics de concevoir les transducteurs acoustiques piézoélectriques.

La miniaturisation et la sophistication croissantes des produits électroniques, s'étendant des dispositifs de médias du consommateur aux outils de diagnostic médicaux aux applications liées à la défense de sonar, présente une générosité d'utilité et soulage pour consommateur-et un défi actuel pour des ingénieurs d'études. Ces la part apparemment disparate de produits (audio/haut-parleurs de périphérique mobile, certains dispositifs médicaux non envahissants, et réseaux sonar) en commun une confiance dans les transducteurs piézoélectriques à chacun des deux produisent et reçoivent des signaux acoustiques.

Des matériaux piézoélectriques ont été évalués depuis la première moitié du 20ème siècle pour que leur capacité convertisse l'énergie mécanique dans l'énergie électrique et vice versa. Cependant, exigences du 21ème siècle de technologie qui ces mêmes matériaux produire des fréquences plus saines ou plus précises dans de plus petits et plus petits paquets, tous tout en utilisant en tant que petite énergie comme possible.

Le défi de concevoir les dispositifs piézoélectrique-contenants est en soi multiphysics en nature due au confluent de l'électricité, de la vibration, et de l'acoustique. Ainsi, les concepteurs doivent avoir des outils qui peuvent calculer la physique multiple dans leurs produits.

Aperçu matériel piézoélectrique

Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux qui peuvent produire l'électricité due à l'effort mécanique, tel que la compression. Ces matériaux peuvent également déformer quand la tension (l'électricité) est appliquée. Des matériaux piezoceramic typiques, si en céramique ou en cristal non-conducteur, sont placés entre deux plaques de métal.

Pour produire de la piézoélectricité, le matériel doit être comprimé ou serré. L'effort mécanique appliqué au matériel en céramique piézoélectrique produit de l'électricité. L'effet piézoélectrique peut être renversé, qui désigné sous le nom de l'effet piézoélectrique inverse. Ceci est créé en appliquant la tension électrique pour faire un rétrécissement en cristal piézoélectrique ou pour augmenter. L'effet piézoélectrique inverse convertit l'énergie électrique en énergie mécanique.

Des matériaux piézoélectriques sont trouvés dans une rangée étonnante de produits quotidiens. La flamme qui saute à la vie où vous appuyez sur le bouton d'un allumeur de « clic-et-flamme » a été facilitée dans l'existence par la compression du matériel piézoélectrique, qui produit une étincelle.

Maintenant, regardons quelques autres produits qui présentent plus d'un défi pour des ingénieurs d'études dus au besoin de sortie accrue dans de plus petits dispositifs.

Mics et haut-parleurs

Des matériaux piézoélectriques sont employés intensivement dans l'acoustique. Les microphones contiennent les cristaux piézoélectriques qui convertissent les ondes sonores entrantes en signaux qui sont alors traités pour créer le bruit amplifié sortant. De petits haut-parleurs, de ce type dans des téléphones portables et d'autres périphériques mobiles, également sont conduits par les cristaux piézoélectriques. La batterie du dispositif vibre le cristal à une fréquence qui produit le bruit.

Le défi ici est en concevant les transducteurs piézoélectriques qui peuvent produire le bruit de très-haut-qualité dans un petit paquet, et sans vidanger trop de la batterie du dispositif.

Dispositifs médicaux

Les dispositifs médicaux non envahissants tels que des prothèses auditives se fondent également sur le piezoelectrics pour une partie de leur opération. Ainsi, aussi, fait la technologie d'ultrason, qui est une application importante de matériel piézoélectrique.

En ultrasons, des matériaux piézoélectriques sont électrifiés pour créer les vagues de son de haute fréquence (entre 1,5 et 8 mégahertz) qui peuvent pénétrer les tissus corporels. Pendant que les vagues rebondissent, les cristaux piézoélectriques convertissent l'énergie mécanique reçue en énergie électrique, l'envoyant de nouveau à la machine d'ultrason pour la conversion dans une image.

D'autres dispositifs médicaux tels que les scalpels harmoniques utilisent les propriétés vibratoires des matériaux piézoélectriques pour couper et cautériser le tissu pendant la chirurgie. Les cristaux piézoélectriques dans le dispositif produisent de l'énergie cinétique et de l'énergie calorifique requises simultanément pour couper et cautériser.

Les défis ultrasoniques de conception se concentrent sur la nécessité de déterminer la forme correcte et la composition matérielle des composants piézoélectriques pour créer les fréquences très précises utilisées dans l'ultrason. Et, dans l'exemple des scalpels harmoniques, la conception doit expliquer les effets de la chaleur sur la réponse vibratoire du dispositif.

Sonar

La peut-être plus large et la plus de longue date utilisation de la technologie piézoélectrique peut être trouvée dans des applications de sonar. Pendant la Première Guerre Mondiale, le sonar était la première application commerciale de la piézoélectricité, et son utilisation a monté en flèche pendant la période entre les deux guerres mondiales.

Aujourd'hui, tous les systèmes basés sur sonar, y compris ceux utilisés par les militaires, les pêcheurs commerciaux, et dans nombreux d'autres applications marines, utilisent un transducteur piézo-électrique-contenant à pour produire et recevoir des ondes sonores.

Il semble simple, mais concevoir des transducteurs pour la propagation du bruit par l'eau plutôt que l'air peut présenter son propre ensemble de défis de construction complexes. Ces applications exigent souvent du dispositif piézoélectrique de produire des signaux de haute puissance pour propager de longues distances sans atténuer au-dessous des niveaux décelables.

Nouvelles utilisations

Une application naissante des matériaux piézoélectriques est dans la technologie de énergie-moisson. En raison des propriétés uniques des matériaux piézo-électriques, ils peuvent être avec succès employés dans n'importe quelle application qui exige ou produit la vibration.

Dans l'énergie moissonnant, la vibration exogène produit une tension mécanique au matériel piézoélectrique qui est converti en énergie électrique. Cette énergie piézo-électrique-créée peut alors être employée pour actionner d'autres composants du dispositif ou du système.

les systèmes Batterie-indépendants de pneu-pression-surveillance (TPMS) représentent un tel exemple. Pendant que les pneus d'un véhicule tournent, de l'énergie mécanique est produite. Un capteur piézo-électrique-contenant moissonne que l'énergie, le stocke, et envoie un signal au panneau de l'affichage du conducteur. TPMSs ont historiquement été à piles, mais l'intérêt croissant pour des solutions de rechange favorables à l'environnement de batterie a mené à un nouveau foyer sur le potentiel de énergie-moisson des matériaux piézoélectriques.

Vieille découverte, défis modernes

Bien que des matériaux piézoélectriques aient été utilisés pendant plus d'un siècle, le besoin actuel de leur application dans de plus petits et plus complexes produits présente un défi pour des ingénieurs d'études. Le choix des matériaux corrects et concevoir la bonne forme en cristal sont en critique importants pour la fonctionnalité d'un prototype.

Piezos ont des propriétés matérielles très complexes qui sont fortement entrelacées, et des sujets matériels de composition. De même, si la forme d'un cristal piézoélectrique ne produit pas la fréquence de résonance correcte, le dispositif ne fonctionnera pas. Et, dans le lockstep élégant avec le « effet d'observateur, » l'électrification même d'un cristal piézoélectrique déforme sa forme tout en également produisant plus d'électricité.

C'est une boucle de contre-réaction incroyablement compliquée pleurant pour une solution de conception qui élimine la conjecture impliquée dans des processus prolongés de prototype de construction-essai.

Pourquoi sujets de simulation

La simulation est toujours utile en traitant des non-linéarités. Elle empêche des concepteurs de la tâche ingrate (et souvent budgetarily irréalisable) du bâtiment et de l'essai parmi trop d'inconnus. En considérant les transducteurs électroacoustiques, la combinaison unique de l'énergie électrique, de l'énergie mécanique, et de l'acoustique est décidément non linéaire, et en soi multiphysics en nature.

La simulation de Multiphysics peut fournir à des ingénieurs d'études les outils pour développer des produits plus effectivement en leur permettant de simuler leurs conceptions de dispositif dans des conditions de fonctionnement. En outre, ces simulations peuvent inclure l'écosystème entier du circuit de commande au transducteur piézoélectrique à l'environnement acoustique environnant. Les simulations de Multiphysics prendront en considération des facteurs comme :

• Les équations constitutives de la réponse mécanique et électrique
• Direction de Poling des propriétés matérielles piézoélectriques
• États de frontière
• Mécanique structurale/chauffage vibratoire

Pendant que les dispositifs piézoélectrique-dépendants deviennent plus petits et plus complexes pour satisfaire les exigences des consommateurs sophistiqués (être ces personnes ou industries), les ingénieurs d'études doivent avoir des outils qui calculent la physique multiple dans leurs produits. Les outils de simulation de Multiphysics peuvent fournir la clarté et la direction aux défis compliqués de conception.

Vous pouvez découvrir plus au sujet de la technologie piézoélectrique en observant les transducteurs acoustiques piézoélectriques concevants avec des simulations webinar.