Comment intégrer des transducteurs acoustiques piézoélectriques dans des appareils de plus en plus petits

Ce que vous apprendrez :

• La large application de la technologie piézoélectrique.
• Pourquoi les tendances à la miniaturisation des appareils tout en conservant la précision posent des défis aux ingénieurs concepteurs.
• Comment les outils logiciels multifysiques peuvent relever les défis multifysiques inhérents à la conception de transducteurs acoustiques piézoélectriques.

La miniaturisation et la sophistication croissantes des produits électroniques, allant des appareils multimédias grand public aux outils de diagnostic médical en passant par les applications sonar liées à la défense, offrent une multitude d'avantages et de facilité aux consommateurs, et un défi permanent pour les ingénieurs concepteurs. Ces produits apparemment disparates (haut-parleurs d'appareils audio/mobiles, certains dispositifs médicaux non invasifs et réseaux sonar) ont en commun de s'appuyer sur des transducteurs piézoélectriques pour générer et recevoir des signaux acoustiques.

Les matériaux piézoélectriques sont appréciés depuis la première moitié du XXe siècle pour leur capacité à convertir l'énergie mécanique en énergie électrique et vice versa. Cependant, la technologie du XXIe siècle exige que ces mêmes matériaux produisent plus de son ou des fréquences plus précises dans des boîtiers de plus en plus petits, tout en utilisant le moins d'énergie possible.

Le défi de la conception d'appareils contenant des éléments piézoélectriques est intrinsèquement multifysique en raison de la confluence de l'électricité, des vibrations et de l'acoustique. Ainsi, les concepteurs doivent disposer d'outils capables de calculer les multiples phénomènes physiques au sein de leurs produits.

Aperçu des matériaux piézoélectriques

Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux capables de produire de l'électricité en raison de contraintes mécaniques, telles que la compression. Ces matériaux peuvent également se déformer lorsqu'une tension (électricité) est appliquée. Les matériaux piézocéramiques typiques, qu'il s'agisse de céramique ou de cristal non conducteur, sont placés entre deux plaques métalliques.

Pour générer de la piézoélectricité, le matériau doit être comprimé ou pressé. La contrainte mécanique appliquée au matériau céramique piézoélectrique génère de l'électricité. L'effet piézoélectrique peut être inversé, ce qui est appelé effet piézoélectrique inverse. Ceci est créé en appliquant une tension électrique pour faire rétrécir ou se dilater un cristal piézoélectrique. L'effet piézoélectrique inverse convertit l'énergie électrique en énergie mécanique.

Les matériaux piézoélectriques se trouvent dans une gamme surprenante de produits de tous les jours. La flamme qui jaillit lorsque vous appuyez sur le bouton d'un briquet « clic et flamme » a été aidée à exister par la compression du matériau piézoélectrique, qui produit une étincelle.

Voyons maintenant d'autres produits qui présentent davantage de défis pour les ingénieurs concepteurs en raison de la nécessité d'une production accrue dans des appareils plus petits.

Micros et haut-parleurs

Les matériaux piézoélectriques sont largement utilisés en acoustique. Les microphones contiennent des cristaux piézoélectriques qui convertissent les ondes sonores entrantes en signaux qui sont ensuite traités pour créer un son amplifié sortant. Les petits haut-parleurs, tels que ceux des téléphones portables et autres appareils mobiles, sont également pilotés par des cristaux piézoélectriques. La batterie de l'appareil fait vibrer le cristal à une fréquence qui produit du son.

Le défi ici consiste à concevoir des transducteurs piézoélectriques capables de produire un son de très haute qualité dans un petit boîtier, et sans vider trop la batterie de l'appareil.

Dispositifs médicaux

Les dispositifs médicaux non invasifs tels que les prothèses auditives s'appuient également sur les piézoélectriques pour une partie de leur fonctionnement. Il en va de même pour la technologie des ultrasons, qui est une application majeure des matériaux piézoélectriques.

En ultrasonographie, les matériaux piézoélectriques sont électrifiés pour créer des ondes sonores à haute fréquence (entre 1,5 et 8 MHz) qui peuvent pénétrer les tissus corporels. Lorsque les ondes rebondissent, les cristaux piézoélectriques convertissent l'énergie mécanique reçue en énergie électrique, l'envoyant à la machine à ultrasons pour la convertir en image.

D'autres dispositifs médicaux tels que les bistouris harmoniques utilisent les propriétés vibratoires des matériaux piézoélectriques pour couper et cautériser les tissus pendant la chirurgie. Les cristaux piézoélectriques à l'intérieur de l'appareil génèrent à la fois l'énergie cinétique et l'énergie thermique nécessaires pour couper et cautériser simultanément.

Les défis de la conception ultrasonore se concentrent sur la nécessité de déterminer la forme et la composition matérielle correctes des composants piézoélectriques afin de créer les fréquences très précises utilisées dans les ultrasons. Et, dans l'exemple des bistouris harmoniques, la conception doit tenir compte des effets du chauffage sur la réponse vibratoire de l'appareil.

Sonar

L'utilisation la plus large et la plus ancienne de la technologie piézoélectrique se trouve peut-être dans les applications sonar. Pendant la Première Guerre mondiale, le sonar a été la première application commerciale de la piézoélectricité, et son utilisation a grimpé en flèche dans la période entre les deux guerres mondiales.

Aujourd'hui, tous les systèmes basés sur le sonar, y compris ceux utilisés par l'armée, les pêcheurs commerciaux et dans de nombreuses autres applications marines, utilisent un transducteur contenant des éléments piézoélectriques pour générer et recevoir des ondes sonores.

Cela semble simple, mais la conception de transducteurs pour la propagation du son dans l'eau plutôt que dans l'air peut présenter son propre ensemble de défis d'ingénierie complexes. Ces applications nécessitent souvent que l'appareil piézoélectrique génère des signaux de forte puissance pour se propager sur de longues distances sans s'atténuer en dessous des niveaux détectables.

Nouvelles utilisations

Une application émergente des matériaux piézoélectriques se trouve dans la technologie de récupération d'énergie. En raison des propriétés uniques des matériaux piézoélectriques, ils peuvent être utilisés avec succès dans toute application qui nécessite ou produit des vibrations.

Dans la récupération d'énergie, la vibration exogène produit une contrainte mécanique sur le matériau piézoélectrique qui est convertie en énergie électrique. Cette énergie créée par le piézo peut ensuite être utilisée pour alimenter d'autres composants de l'appareil ou du système.

Les systèmes de surveillance de la pression des pneus (TPMS) indépendants de la batterie en représentent un exemple. Lorsque les pneus d'un véhicule tournent, de l'énergie mécanique est produite. Un capteur contenant des éléments piézoélectriques récupère cette énergie, la stocke et envoie un signal au tableau de bord du conducteur. Les TPMS ont toujours été alimentés par batterie, mais l'intérêt croissant pour les alternatives de batterie respectueuses de l'environnement a conduit à une nouvelle concentration sur le potentiel de récupération d'énergie des matériaux piézoélectriques.

Ancienne découverte, défis modernes

Bien que les matériaux piézoélectriques soient utilisés depuis plus d'un siècle, le besoin actuel de leur application dans des produits plus petits et plus complexes pose un défi aux ingénieurs concepteurs. Le choix des bons matériaux et la conception de la bonne forme de cristal sont d'une importance cruciale pour la fonctionnalité d'un prototype.

Les piézos ont des propriétés matérielles très complexes qui sont étroitement liées, et la composition matérielle est importante. De même, si la forme d'un cristal piézoélectrique ne produit pas la bonne fréquence de résonance, l'appareil ne fonctionnera pas. Et, en parfaite synchronisation avec l'« effet d'observation », l'électrification même d'un cristal piézoélectrique déforme sa forme tout en produisant plus d'électricité.

Il s'agit d'une boucle de rétroaction incroyablement compliquée qui appelle une solution de conception qui élimine les conjectures impliquées dans les longs processus de prototypage de construction et de test.

Pourquoi la simulation est importante

La simulation est toujours utile lorsqu'il s'agit de non-linéarités. Elle empêche les concepteurs de la tâche ingrate (et souvent budgétairement irréalisable) de construire et de tester au milieu de trop d'inconnues. Lorsque l'on considère les transducteurs électroacoustiques, la combinaison unique d'énergie électrique, d'énergie mécanique et d'acoustique est résolument non linéaire et intrinsèquement multifysique.

La simulation multifysique peut fournir aux ingénieurs concepteurs les outils nécessaires pour développer des produits plus efficacement en leur permettant de simuler la conception de leurs appareils dans des conditions de fonctionnement. De plus, ces simulations peuvent inclure l'ensemble de l'écosystème, du circuit de commande au transducteur piézoélectrique en passant par l'environnement acoustique environnant. Les simulations multifysiques prendront en compte des facteurs tels que :

• Les équations constitutives de la réponse mécanique et électrique
• La direction de polarisation des propriétés des matériaux piézoélectriques
• Les conditions aux limites
• La mécanique structurelle/le chauffage vibratoire

À mesure que les appareils dépendant des piézoélectriques deviennent plus petits et plus complexes pour répondre aux exigences des consommateurs sophistiqués (qu'il s'agisse d'individus ou d'industries), les ingénieurs concepteurs doivent disposer d'outils qui calculent les multiples phénomènes physiques au sein de leurs produits. Les outils de simulation multifysique peuvent apporter de la clarté et une orientation aux défis de conception complexes.

Vous pouvez en savoir plus sur la technologie piézoélectrique en regardant le Conception de transducteurs acoustiques piézoélectriques avec des simulations webinaire.