Piezoelektrik Akustik Dönüştürücüleri Küçülen Cihazlara Nasıl Sıkıştırılır?

Öğrenecekleriniz:

• Piezoelektrik teknolojisinin geniş uygulaması.
• Cihazları minyatürleştirme eğilimlerinin, hassasiyeti korurken tasarım mühendisleri için neden zorluklar oluşturduğu.
• Çoklu fizik yazılım araçlarının, piezoelektrik akustik dönüştürücülerin tasarımında ortaya çıkan çoklu fizik zorluklarını nasıl ele aldığı.

Tüketici medya cihazlarından tıbbi teşhis araçlarına ve savunma ile ilgili sonar uygulamalarına kadar uzanan elektronik ürünlerin artan minyatürleştirilmesi ve sofistike hale gelmesi, tüketiciler için bir fayda ve kolaylık bolluğu ve tasarım mühendisleri için devam eden bir zorluk sunmaktadır. Bu görünüşte farklı ürünler (ses/mobil cihaz hoparlörleri, bazı invazif olmayan tıbbi cihazlar ve sonar dizileri), hem akustik sinyaller üretmek hem de almak için piezoelektrik dönüştürücülere güvenme ortak noktasını paylaşır.

Piezoelektrik malzemeler, 20. yüzyılın ilk yarısından beri mekanik enerjiyi elektrik enerjisine ve tersi yönde dönüştürme yetenekleri nedeniyle değer görmüştür. Ancak, 21. yüzyıl teknolojisi, aynı malzemelerin daha küçük ve daha küçük paketler içinde daha fazla ses veya daha hassas frekanslar üretmesini ve mümkün olduğunca az enerji kullanmasını talep etmektedir.

Piezoelektrik içeren cihazlar tasarlamanın zorluğu, elektrik, titreşim ve akustiğin birleşimi nedeniyle doğası gereği çoklu fiziktir. Bu nedenle, tasarımcıların ürünlerindeki çoklu fiziği hesaplayabilen araçlara sahip olması gerekir.

Piezoelektrik Malzemeye Genel Bakış

Piezoelektrik malzemeler, sıkıştırma gibi mekanik gerilim 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 malzemenin sıkıştırılması veya sıkıştırılması gerekir. Piezoelektrik seramik malzemeye uygulanan mekanik gerilim elektrik üretir. Piezoelektrik etki tersine çevrilebilir, buna ters piezoelektrik etki denir. Bu, bir piezoelektrik kristalin küçülmesini veya genişlemesini sağlamak için elektrik voltajı uygulayarak oluşturulur. Ters piezoelektrik etki, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür.

Piezoelektrik malzemeler, şaşırtıcı bir dizi günlük üründe bulunur. Bir “tıkla ve alev al” çakmağının düğmesine bastığınızda ortaya çıkan alev, bir kıvılcım üreten piezoelektrik malzemenin sıkıştırılmasıyla desteklenmiştir.

Şimdi, daha küçük cihazlar içinde daha fazla çıktıya ihtiyaç duyulması 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 daha sonra giden yükseltilmiş sesi oluşturmak için işlenen sinyallere dönüştüren piezoelektrik kristaller içerir. Cep telefonları ve diğer mobil cihazlar gibi küçük hoparlörler de piezoelektrik kristaller tarafından çalıştırılır. Cihazın pili, kristali ses üreten bir frekansta titreştirir.

Buradaki zorluk, küçük bir pakette ve cihazın pilini çok fazla tüketmeden çok yüksek kalitede ses üretebilen piezoelektrik dönüştürücüler tasarlamaktır.

Tıbbi Cihazlar

İşitme cihazları gibi invazif olmayan tıbbi cihazlar da çalışmalarının bir bölümü için piezoelektriklere güvenir. Ultrason teknolojisi de piezoelektrik malzemenin önemli bir uygulamasıdır.

Ultrasonikte, piezoelektrik malzemeler, vücut dokularına nüfuz edebilen yüksek frekanslı ses dalgaları (1,5 ile 8 MHz arasında) oluşturmak için elektriklendirilir. Dalgalar geri döndüğünde, piezoelektrik kristaller alınan mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürerek görüntüyü oluşturmak üzere ultrason makinesine geri gönderir.

Harmonik neşterler gibi diğer tıbbi cihazlar, ameliyat sırasında dokuyu kesmek ve koterize etmek için piezoelektrik malzemelerin titreşim özelliklerinden yararlanır. Cihaz içindeki piezoelektrik kristaller, aynı anda kesmek ve koterize etmek için gereken hem kinetik enerjiyi hem de ısı enerjisini üretir.

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

Sonar

Belki de piezoelektrik teknolojisinin en geniş ve en uzun süredir devam eden kullanımı sonar uygulamalarında bulunabilir. I. Dünya Savaşı sırasında, sonar piezoelektriğin ilk ticari uygulamasıydı ve kullanımı iki dünya savaşı arasındaki dönemde fırladı.

Günümüzde, askeri, ticari balıkçılar ve diğer birçok deniz uygulamasında kullanılanlar da dahil olmak üzere tüm sonar tabanlı sistemler, hem ses dalgaları üretmek hem de almak için piezo içeren bir dönüştürücü kullanır.

Görünüşe göre basit, 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 mesafelerde yayılmak için yüksek güçlü sinyaller üretmesini gerektirir.

Yeni Kullanımlar

Piezoelektrik malzemelerin ortaya çıkan bir uygulaması, enerji hasadı teknolojisindedir. Piezo malzemelerin benzersiz özellikleri nedeniyle, titreşim gerektiren veya üreten herhangi bir uygulamada başarıyla kullanılabilirler.

Enerji hasadında, eksojen titreşim, piezoelektrik malzemeye elektrik enerjisine dönüştürülen bir mekanik gerilim üretir. Daha sonra piezo tarafından oluşturulan bu enerji, cihazın veya sistemin diğer bileşenlerini çalıştırmak için kullanılabilir.

Pilden 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 sürücünün gösterge paneline bir sinyal gönderir. TPMS'ler tarihsel olarak pille çalışır, ancak çevre dostu pil alternatiflerine artan ilgi, piezoelektrik malzemelerin enerji hasadı potansiyeline yeni bir odaklanmaya yol açmıştır.

Eski Keşif, Modern Zorluklar

Piezoelektrik malzemeler bir yüzyıldan fazla bir süredir kullanılmakta olmasına rağmen, daha küçük ve daha karmaşık ürünlerdeki uygulamalarına yönelik mevcut ihtiyaç, tasarım mühendisleri için bir zorluk oluşturmaktadır. Doğru malzemeleri seçmek ve doğru kristal şeklini tasarlamak, bir prototipin işlevselliği için kritik öneme sahiptir.

Piezolar, son derece iç içe geçmiş çok karmaşık malzeme özelliklerine sahiptir ve malzeme bileşimi önemlidir. Benzer şekilde, bir piezoelektrik kristalin şekli doğru rezonans frekansını üretmezse, cihaz çalışmayacaktır. Ve, “Gözlemci Etkisi” ile zarif bir uyum içinde, bir piezoelektrik kristalin elektriklendirilmesi, şeklini deforme ederken aynı zamanda daha fazla elektrik üretir.

Uzun süren yapım-test prototip süreçlerinde yer alan tahminleri ortadan kaldıran bir tasarım çözümü için yalvaran inanılmaz derecede karmaşık bir geri bildirim döngüsüdür.

Simülasyonun Neden Önemli Olduğu

Simülasyon, doğrusal olmayanlıklarla uğraşırken her zaman yardımcıdır. Tasarımcıları, çok fazla bilinmeyen arasında inşa etme ve test etme gibi minnetsiz (ve genellikle bütçesel olarak uygulanabilir olmayan) bir görevden korur. Elektroakustik dönüştürücüler dikkate alındığında, elektrik enerjisi, mekanik enerji ve akustiğin benzersiz kombinasyonu kesinlikle doğrusal değildir ve doğası gereği çoklu fiziktir.

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

• Mekanik ve elektriksel tepkinin kurucu denklemleri
• Piezoelektrik malzeme özelliklerinin kutuplaşma yönü
• Sınır koşulları
• Yapısal mekanik/titreşimsel ısıtma

Piezoelektrik bağımlı cihazlar, sofistike tüketicilerin (bireyler veya endüstriler olsun) taleplerini karşılamak için küçüldükçe ve daha karmaşık hale geldikçe, tasarım mühendisleri ürünlerindeki çoklu fiziği hesaplayan araçlara sahip olmalıdır. Çoklu fizik simülasyon araçları, karmaşık tasarım zorluklarına açıklık ve yön verebilir.

Piezoelektrik teknolojisi hakkında daha fazla bilgiyi Simülasyonlarla Piezoelektrik Akustik Dönüştürücüler Tasarlamak web seminerini izleyerek öğrenebilirsiniz.