Как встряхнуть пиезоакустические преобразователи в уменьшающие устройства

Что вы узнаете:

• Широкое применение пьезоэлектрической технологии.
• Почему тенденция уменьшать устройства при сохранении точности создает проблемы для конструкторов.
• Как программные инструменты мультифизики могут решать проблемы мультифизики при разработке пьезоэлектрических акустических преобразователей.

Растущая миниатюризация и изощренность электронных продуктов, начиная от потребительских медиа-устройств и заканчивая медицинскими диагностическими инструментами и применениями сонара в сфере обороны.Предлагает большую полезность и удобство для потребителей и непрерывный вызов для конструкторовЭти, казалось бы, разные продукты (звуковые громкоговорители/мобильные устройства, некоторые неинвазивные медицинские устройства,и сонарные массивы) имеют в общем зависимость от пьезоэлектрических преобразователей для генерирования и приема акустических сигналов.

Пиезоэлектрические материалы ценились с первой половины 20 века за их способность преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот.Технологии 21-го века требуют, чтобы эти же материалы производили больше звука или более точные частоты в меньших и меньших упаковках, при этом используя как можно меньше энергии.

Проблема проектирования устройств, содержащих пьезоэлектрик, по своей сути является мультифизикой в природе из-за слияния электричества, вибрации и акустики.Дизайнеры должны иметь инструменты, которые могут рассчитать многократную физику в своих продуктах.

Обзор пьезоэлектрического материала

Пиезоэлектрические материалы - это материалы, которые могут производить электричество из-за механического напряжения, такого как сжатие.Типичные пьезокерамические материалы, будь то непроводящая керамика или кристалл, помещаются между двумя металлическими пластинами.

Для получения пьезоэлектричества материал должен быть сжат или сжат. Механическое напряжение, наносимое на пьезоэлектрический керамический материал, генерирует электричество.который называется обратным пьезоэлектрическим эффектомЭто создается путем применения электрического напряжения, чтобы заставить пьезоэлектрический кристалл сокращаться или расширяться.

Пиезоэлектрические материалы встречаются в удивительном количестве повседневных изделий.Пламя, которое оживает при нажатии кнопки зажигателя, возникло благодаря сжатию пьезоэлектрического материала, который производит искру.

Теперь давайте посмотрим на некоторые другие продукты, которые представляют большую проблему для инженеров-конструкторов из-за необходимости увеличения производительности в меньших устройствах.

Микрофоны и динамики

Пиезоэлектрические материалы широко используются в акустике.Микрофоны содержат пиезоэлектрические кристаллы, которые преобразуют входящие звуковые волны в сигналы, которые затем обрабатываются для создания исходящего усиленного звукаНебольшие динамики, такие как те, которые находятся в сотовых телефонах и других мобильных устройствах, также работают с помощью пьезоэлектрических кристаллов.

Проблема здесь заключается в разработке пьезоэлектрических преобразователей, которые могут производить очень высококачественный звук в небольшом пакете, и не истощая слишком много батареи устройства.

Медицинские изделия

Неинвазивные медицинские устройства, такие как слуховые аппараты, также зависят от пьезоэлектрики для части своей работы.который является основным применением пьезоэлектрического материала.

В ультразвуковой технике пиезоэлектрические материалы электрифицируются для создания высокочастотных звуковых волн (от 1,5 до 8 МГц), которые способны проникать в ткани тела.Пьезоэлектрические кристаллы преобразуют полученную механическую энергию в электрическую энергию, отправляя его обратно в УЗИ для преобразования в изображение.

Другие медицинские приборы, такие как гармонические скальпели, используют пьезоэлектрические материалы с вибрационными свойствами для разрезания и обжига тканей во время операции.Пьезоэлектрические кристаллы внутри устройства генерируют как кинетическую энергию, так и тепловую энергию, необходимую для одновременного резания и обжига.

Ультразвуковые задачи проектирования сосредоточены на необходимости определения правильной формы и материального состава пьезоэлектрических компонентов для создания очень точных частот, используемых в ультразвуке.в примере гармонических скальпелей, конструкция должна учитывать влияние нагрева на вибрационную реакцию устройства.

Сонар

Возможно, наиболее широкое и долгосрочное использование пьезоэлектрической технологии можно найти в применении сонара.и его использование взлетело в период между двумя мировыми войнами.

Сегодня все системы, основанные на сонаре, включая те, которые используются военными, коммерческими рыбаками, и во многих других морских приложениях,Использовать пьезо-содержащий преобразователь для генерирования и приема звуковых волн.

Это кажется простым, но проектирование передатчиков для распространения звука через воду, а не через воздух, может представлять собой свой собственный комплекс сложных инженерных задач.Эти приложения часто требуют, чтобы пьезоэлектрическое устройство генерировало сильные сигналы для распространения на большие расстояния без ослабления ниже обнаруживаемых уровней..

Новое применение

Новое применение пьезоэлектрических материалов заключается в технологии сбора энергии.Они могут быть успешно использованы в любом применении, которое требует или производит вибрацию..

При сборе энергии экзогенные вибрации производят механическое напряжение на пьезоэлектрический материал, который преобразуется в электрическую энергию.Эта пьезосоздаваемая энергия может затем использоваться для питания других компонентов устройства или системы.

Системы контроля давления в шинах, независимые от батареи (TPMS), являются одним из таких примеров.хранит его., и посылает сигнал на панель дисплея водителя.но растущий интерес к экологически чистым альтернативным батареям привел к новому вниманию к потенциалу пьезоэлектрических материалов для сбора энергии.

Древние открытия, современные проблемы

Хотя пьезоэлектрические материалы используются уже более века, нынешняя потребность в их применении в более мелких и сложных продуктах представляет собой вызов для инженеров-конструкторов.Выбор правильных материалов и проектирование правильной формы кристалла имеет решающее значение для функциональности прототипа.

Пиезо имеют очень сложные свойства материала, которые очень взаимосвязаны, и состав материала имеет значение.если форма пьезоэлектрического кристалла не производит правильную резонансную частотуИ, в стиле эффекта наблюдателя, электрификация пьезоэлектрического кристалла деформирует его форму и в то же время производит больше электричества.

Это невероятно сложная петля обратной связи, которая требует дизайнерского решения, которое устранит догадки, связанные с длительными процессами построения и тестирования прототипов.

Почему симуляция важна

Симуляция всегда полезна при работе с нелинейностями. Она мешает дизайнерам выполнять неблагодарную (и часто невыполнимую с бюджетной точки зрения) задачу построения и тестирования среди слишком многих неизвестных.При рассмотрении электроакустических преобразователей, уникальная комбинация электрической энергии, механической энергии и акустики является определенно нелинейной и по своей природе мультифизической.

Мультифизическое моделирование может предоставить инженерам-конструкторам инструменты для более эффективной разработки продуктов, позволяя им имитировать конструкции своих устройств в условиях эксплуатации.Эти модели могут включать всю экосистему от схемы управления до пьезоэлектрического преобразователя и окружающей акустической среды.. Мультифизические моделирование будут учитывать такие факторы, как:

• Уравнения механического и электрического ответа
• Направление полирования пьезоэлектрических свойств материала
• Пограничные условия
• Структурная механика/вибрационное нагревание

По мере того как устройства, зависящие от пьезоэлектрической энергии, становятся меньше и сложнее для удовлетворения потребностей сложных потребителей (будь то отдельные лица или промышленность),Инженеры-конструкторы должны иметь инструменты, которые рассчитывают многократную физику в своих продуктах.Инструменты моделирования мультифизики могут обеспечить ясность и направление для решения сложных задач проектирования.

Вы можете узнать больше о пиезоэлектрической технологии, посмотревПроектирование пьезоэлектрических акустических преобразователей с симуляциямиВебинар.