Piezo Akustik Dönüştürücüleri Küçülen Cihazlara Nasıl Sıkıştırırsınız

Öğrenecekleriniz:

• Piezoelektrik teknolojisinin geniş uygulaması.
• Hassasiyeti korurken cihazları küçültme eğilimleri neden tasarım mühendisleri için zorluklar yaratır?
• Çoklu fizik yazılım araçları, piezoelektrik akustik dönüştürücüler tasarlamanın doğasında bulunan çoklu fizik zorluklarını nasıl ele alabilir?

Tüketici medya cihazlarından tıbbi teşhis araçlarına ve savunmayla ilgili sonar uygulamalarına kadar elektronik ürünlerin artan minyatürizasyonu ve karmaşıklığı, tüketiciler için bol miktarda fayda ve kolaylık ve tasarım mühendisleri için devam eden bir zorluk sunuyor.Bu görünüşte farklı ürünler (ses/mobil cihaz hoparlörleri, belirli non-invaziv tıbbi cihazlar ve sonar dizileri), akustik sinyalleri hem üretmek hem de almak için piezoelektrik dönüştürücülere güvenir.

Piezoelektrik malzemeler, 20. yüzyılın ilk yarısından beri mekanik enerjiyi elektrik enerjisine veya tam tersine çevirebilme yetenekleri nedeniyle değer kazanmıştır.Bununla birlikte, 21. yüzyıl teknolojisi, bu aynı malzemelerin mümkün olduğunca az enerji kullanarak daha küçük ve daha küçük paketler içinde daha fazla ses veya daha hassas frekanslar üretmesini talep ediyor.

Piezoelektrik içeren cihazlar tasarlamanın zorluğu, elektrik, titreşim ve akustiğin birleşmesi nedeniyle doğası gereği çok fiziklidir.Bu nedenle tasarımcılar, ürünlerindeki çoklu fiziği hesaplayabilecek araçlara sahip olmalıdır.

Piezoelektrik Malzemeye Genel Bakış

Piezoelektrik malzemeler, sıkıştırma gibi mekanik stres nedeniyle elektrik üretebilen malzemelerdir.Bu malzemeler ayrıca voltaj (elektrik) uygulandığında deforme olabilir.İletken olmayan seramik veya kristal olsun, tipik piezoseramik malzemeler iki metal plaka arasına yerleştirilir.

Piezoelektrik üretmek için malzeme sıkıştırılmalı veya sıkıştırılmalıdır.Piezoelektrik seramik malzemeye uygulanan mekanik stres elektrik üretir.Ters piezoelektrik etki olarak adlandırılan piezoelektrik etki tersine çevrilebilir.Bu, bir piezoelektrik kristali küçültmek veya genişletmek için elektrik voltajı uygulanarak oluşturulur.Ters piezoelektrik etki, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür.

Piezoelektrik malzemeler, şaşırtıcı bir dizi günlük üründe bulunur.Bir "tıkla ve alev" çakmağının düğmesine bastığınızda canlanan alev, bir kıvılcım oluşturan piezoelektrik malzemenin sıkıştırılmasıyla ortaya çıktı.

Şimdi, daha küçük cihazlarda daha fazla çıktıya duyulan ihtiyaç nedeniyle tasarım mühendisleri için daha fazla zorluk oluşturan diğer bazı ürünlere bakalım.

Mikrofonlar ve Hoparlörler

Piezoelektrik malzemeler akustikte yaygın olarak kullanılmaktadır.Mikrofonlar, gelen ses dalgalarını sinyallere dönüştüren ve daha sonra giden güçlendirilmiş ses oluşturmak için işlenen piezoelektrik kristaller içerir.Cep telefonları ve diğer mobil cihazlardakiler gibi küçük hoparlörler de piezoelektrik kristaller tarafından çalıştırılır.Cihazın pili, kristali ses üreten bir frekansta titreştirir.

Buradaki zorluk, küçük bir paket içinde ve cihazın pilini çok fazla tüketmeden çok yüksek kaliteli ses üretebilen piezoelektrik dönüştürücüler tasarlamaktır.

Tıbbi cihazlar

İşitme cihazları gibi invaziv olmayan tıbbi cihazlar da operasyonlarının bir kısmı için piezoelektriklere güvenir.Piezoelektrik malzemenin önemli bir uygulaması olan ultrason teknolojisi de öyle.

Ultrasonikte, piezoelektrik malzemeler, vücut dokularına nüfuz edebilen yüksek frekanslı ses dalgaları (1,5 ile 8 MHz arasında) oluşturmak için elektriklendirilir.Dalgalar geri sıçradıkça, piezoelektrik kristaller alınan mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür ve bir görüntüye dönüştürülmesi için ultrason makinesine geri gönderir.

Harmonik neşter gibi diğer tıbbi cihazlar, ameliyat sırasında dokuyu kesmek ve dağlamak için piezoelektrik malzemelerin titreşim özelliklerini kullanır.Cihaz içindeki piezoelektrik kristaller, aynı anda kesmek ve dağlamak için gereken hem kinetik enerjiyi hem de ısı enerjisini üretir.

Ultrasonik tasarım zorlukları, ultrasonda kullanılan çok hassas frekansları oluşturmak için piezoelektrik bileşenlerin doğru şeklini ve malzeme bileşimini belirleme ihtiyacına odaklanır.Ve harmonik neşter örneğinde, tasarım, ısıtmanın cihazın titreşim tepkisi üzerindeki etkilerini hesaba katmalıdır.

Sonar

Piezoelektrik teknolojisinin belki de en geniş ve en uzun süreli kullanımı sonar uygulamalarında bulunabilir.Birinci Dünya Savaşı sırasında, sonar piezoelektrikliğin ilk ticari uygulamasıydı ve kullanımı iki dünya savaşı arasındaki dönemde hızla arttı.

Bugün, askeri, ticari balıkçılar ve çok sayıda diğer deniz uygulamalarında kullanılanlar da dahil olmak üzere tüm sonar tabanlı sistemler, ses dalgalarını hem üretmek hem de almak için piezo içeren bir dönüştürücü kullanır.

Basit görünüyor, ancak sesin hava yerine su yoluyla yayılması için dönüştürücüler tasarlamak, kendi karmaşık mühendislik zorluklarını sunabilir.Bu uygulamalar genellikle piezoelektrik cihazın, algılanabilir seviyelerin altına düşmeden uzun mesafeler yaymak için yüksek güçlü sinyaller üretmesini gerektirir.

Yeni Kullanımlar

Piezoelektrik malzemelerin gelişmekte olan bir uygulaması, enerji hasat teknolojisi içindedir.Piezo malzemelerinin benzersiz özellikleri nedeniyle, titreşim gerektiren veya üreten herhangi bir uygulamada başarıyla kullanılabilirler.

Enerji hasadında, dışsal titreşim, elektrik enerjisine dönüştürülen piezoelektrik malzemede mekanik bir gerilim oluşturur.Piezo tarafından oluşturulan bu enerji daha sonra cihazın veya sistemin diğer bileşenlerine güç sağlamak için kullanılabilir.

Bataryadan bağımsız lastik basıncı izleme sistemleri (TPMS) böyle bir örneği temsil eder.Bir aracın lastikleri döndükçe mekanik enerji üretilir.Piezo içeren bir sensör bu enerjiyi toplar, depolar ve sürücü gösterge paneline bir sinyal gönderir.TPMS'ler tarihsel olarak pille çalışır, ancak çevre dostu pil alternatiflerine artan ilgi, piezoelektrik malzemelerin enerji toplama potansiyeline yeni bir odaklanmaya yol açmıştır.

Eski Keşif, Modern Zorluklar

Piezoelektrik malzemeler bir asırdan fazla bir süredir kullanılmasına rağmen, bunların daha küçük ve daha karmaşık ürünlerde uygulanmasına yönelik mevcut ihtiyaç, tasarım mühendisleri için bir zorluk teşkil etmektedir.Doğru malzemeleri seçmek ve doğru kristal şeklini tasarlamak, bir prototipin işlevselliği için kritik öneme sahiptir.

Piezolar, oldukça iç içe geçmiş çok karmaşık malzeme özelliklerine sahiptir ve malzeme bileşimi önemlidir.Benzer şekilde, bir piezoelektrik kristalin şekli doğru rezonans frekansı üretmezse, cihaz çalışmayacaktır.Ve "Gözlemci Etkisi" ile zarif bir adım içinde, bir piezoelektrik kristalin elektrifikasyonu şeklini bozar ve aynı zamanda daha fazla elektrik üretir.

Uzun inşa-test prototip süreçlerinde yer alan varsayımları ortadan kaldıran bir tasarım çözümü için haykıran inanılmaz derecede karmaşık bir geri bildirim döngüsüdür.

Simülasyon Neden Önemlidir?

Simülasyon, doğrusal olmayan durumlarla uğraşırken her zaman yararlıdır.Tasarımcıları çok fazla bilinmeyenin ortasında inşa etme ve test etme gibi nankör (ve çoğu zaman bütçe açısından mümkün olmayan) görevden alıkoyar.Elektroakustik dönüştürücüler düşünüldüğünde, elektrik enerjisi, mekanik enerji ve akustiğin benzersiz kombinasyonu kesinlikle doğrusal değildir ve doğası gereği multifiziktir.

Çoklu fizik simülasyonu, tasarım mühendislerine, cihaz tasarımlarını çalışma koşullarında simüle etmelerini sağlayarak ürünleri daha etkin bir şekilde geliştirmeleri için araçlar sağlayabilir.Ek olarak, bu simülasyonlar, kontrol devresinden piezoelektrik dönüştürücüye ve çevreleyen akustik ortama kadar tüm ekosistemi içerebilir.Çoklu fizik simülasyonları aşağıdaki gibi faktörleri dikkate alacaktır:

• Mekanik ve elektriksel tepkinin kurucu denklemleri
• Piezoelektrik malzeme özelliklerinin kutuplanma yönü
• Sınır şartları
• Yapısal mekanik/titreşimli ısıtma

Piezoelektrik bağımlı cihazlar, sofistike tüketicilerin (bu bireyler veya endüstriler) taleplerini karşılamak için daha küçük ve daha karmaşık hale geldikçe, tasarım mühendislerinin ürünlerindeki çoklu fiziği hesaplayan araçlara sahip olması gerekir.Çoklu fizik simülasyon araçları, karmaşık tasarım zorluklarına netlik ve yön sağlayabilir.

Piezoelektrik teknolojisi hakkında daha fazla bilgiyi aşağıdaki videoyu izleyerek öğrenebilirsiniz.Simülasyonlarla Piezoelektrik Akustik Dönüştürücüler Tasarlamaweb semineri.