Hoe Piezo-akoestische Transducers in Krimpende Apparaten te Krijgen

Wat u zult leren:

• De brede toepassing van piëzo-elektrische technologie.
• Waarom trends om apparaten te miniaturiseren en tegelijkertijd precisie te behouden, uitdagingen vormen voor ontwerpers.
• Hoe multiphysics softwaretools de inherente multiphysics-uitdagingen van het ontwerpen van piëzo-akoestische transducers kunnen aanpakken.

De toenemende miniaturisatie en verfijning van elektronische producten, variërend van consumentenmedia-apparaten tot medische diagnostische hulpmiddelen en defensiegerelateerde sonartoepassingen, biedt een overvloed aan nut en gemak voor consumenten - en een voortdurende uitdaging voor ontwerpers. Deze schijnbaar verschillende producten (audio/mobiele apparaatluidsprekers, bepaalde niet-invasieve medische apparaten en sonararrays) delen gemeen dat ze afhankelijk zijn van piëzo-elektrische transducers om zowel akoestische signalen te genereren als te ontvangen.

Piëzo-elektrische materialen worden al sinds de eerste helft van de 20e eeuw gewaardeerd om hun vermogen om mechanische energie om te zetten in elektrische energie en vice versa. De technologie van de 21e eeuw vereist echter dat dezelfde materialen meer geluid of meer precieze frequenties produceren binnen steeds kleinere pakketten, en dat alles met zo min mogelijk energie.

De uitdaging van het ontwerpen van piëzo-elektrische apparaten is inherent van multiphysics-aard vanwege de samenvloeiing van elektriciteit, trillingen en akoestiek. Daarom moeten ontwerpers over tools beschikken die de meerdere fysica binnen hun producten kunnen berekenen.

Overzicht van piëzo-elektrisch materiaal

Piëzo-elektrische materialen zijn materialen die elektriciteit kunnen produceren door mechanische spanning, zoals compressie. Deze materialen kunnen ook vervormen wanneer er spanning (elektriciteit) wordt aangelegd. Typische piëzokeramische materialen, of ze nu niet-geleidend keramiek of kristal zijn, worden tussen twee metalen platen geplaatst.

Om piëzo-elektriciteit op te wekken, moet het materiaal worden samengedrukt of geperst. Mechanische spanning die op piëzokeramisch materiaal wordt uitgeoefend, genereert elektriciteit. Het piëzo-elektrisch effect kan worden omgekeerd, wat het inverse piëzo-elektrisch effect wordt genoemd. Dit wordt gecreëerd door elektrische spanning aan te leggen om een piëzo-elektrisch kristal te laten krimpen of uitzetten. Het inverse piëzo-elektrisch effect zet elektrische energie om in mechanische energie.

Piëzo-elektrische materialen worden in een verrassende reeks alledaagse producten aangetroffen. De vlam die oplaait wanneer u op de knop van een 'klik-en-vlam'-aansteker drukt, werd in het leven geroepen door de compressie van piëzo-elektrisch materiaal, dat een vonk produceert.

Laten we nu eens kijken naar enkele andere producten die meer een uitdaging vormen voor ontwerpers vanwege de behoefte aan meer output binnen kleinere apparaten.

Microfoons en luidsprekers

Piëzo-elektrische materialen worden veel gebruikt in de akoestiek. Microfoons bevatten piëzo-elektrische kristallen die de binnenkomende geluidsgolven omzetten in signalen die vervolgens worden verwerkt om uitgaand versterkt geluid te creëren. Kleine luidsprekers, zoals die in mobiele telefoons en andere mobiele apparaten, worden ook aangedreven door piëzo-elektrische kristallen. De batterij van het apparaat laat het kristal trillen met een frequentie die geluid produceert.

De uitdaging hier is het ontwerpen van piëzo-elektrische transducers die zeer hoogwaardig geluid kunnen produceren in een klein pakket, en zonder te veel van de batterij van het apparaat te verbruiken.

Medische apparaten

Niet-invasieve medische apparaten zoals gehoorapparaten zijn ook afhankelijk van piëzo-elektriciteit voor een deel van hun werking. Dat geldt ook voor echografie, wat een belangrijke toepassing is van piëzo-elektrisch materiaal.

Bij echografie worden piëzo-elektrische materialen geëlektrificeerd om hoogfrequente geluidsgolven (tussen 1,5 en 8 MHz) te creëren die in staat zijn om lichaamsweefsels te penetreren. Terwijl de golven terugkaatsen, zetten piëzo-elektrische kristallen de ontvangen mechanische energie om in elektrische energie, en sturen deze terug naar het echografieapparaat voor omzetting in een beeld.

Andere medische apparaten zoals harmonische scalpel gebruiken de trillingseigenschappen van piëzo-elektrische materialen om weefsel te snijden en te cauteriseren tijdens een operatie. De piëzo-elektrische kristallen in het apparaat genereren zowel de kinetische energie als de warmte-energie die nodig is om tegelijkertijd te snijden en te cauteriseren.

Uitdagingen bij het ontwerpen van echografie richten zich op de noodzaak om de juiste vorm en materiaalsamenstelling van de piëzo-elektrische componenten te bepalen om de zeer precieze frequenties te creëren die in echografie worden gebruikt. En, in het voorbeeld van harmonische scalpels, moet het ontwerp rekening houden met de effecten van verwarming op de trillingsrespons van het apparaat.

Sonar

Misschien wel het breedste en meest langdurige gebruik van piëzo-elektrische technologie is te vinden in sonartoepassingen. Tijdens de Eerste Wereldoorlog was sonar de eerste commerciële toepassing van piëzo-elektriciteit, en het gebruik ervan schoot omhoog in de periode tussen de twee wereldoorlogen.

Tegenwoordig gebruiken alle op sonar gebaseerde systemen, inclusief die welke door het leger, commerciële vissers en in tal van andere maritieme toepassingen worden gebruikt, een piëzo-bevattende transducer om zowel geluidsgolven te genereren als te ontvangen.

Het lijkt eenvoudig, maar het ontwerpen van transducers voor de voortplanting van geluid door water in plaats van lucht kan zijn eigen reeks complexe technische uitdagingen opleveren. Deze toepassingen vereisen vaak dat het piëzo-elektrische apparaat signalen met een hoog vermogen genereert om lange afstanden af te leggen zonder te verzwakken tot onder detecteerbare niveaus.

Nieuwe toepassingen

Een opkomende toepassing van piëzo-elektrische materialen is binnen energie-oogsttechnologie. Vanwege de unieke eigenschappen van piëzo-materialen kunnen ze met succes worden gebruikt in elke toepassing die trillingen vereist of produceert.

Bij energie-oogst produceert uitwendige trillingen een mechanische spanning op het piëzo-elektrische materiaal dat wordt omgezet in elektrische energie. Die door piëzo gecreëerde energie kan vervolgens worden gebruikt om andere componenten van het apparaat of systeem van stroom te voorzien.

Batterij-onafhankelijke bandenspanningscontrolesystemen (TPMS) vormen zo'n voorbeeld. Terwijl de banden van een voertuig draaien, wordt mechanische energie geproduceerd. Een piëzo-bevattende sensor oogst die energie, slaat deze op en stuurt een signaal naar het displaypaneel van de bestuurder. TPMS'en werden historisch gezien op batterijen gevoed, maar de toenemende interesse in milieuvriendelijke batterijalternatieven heeft geleid tot een nieuwe focus op het energie-oogstpotentieel van piëzo-elektrische materialen.

Oude ontdekking, moderne uitdagingen

Hoewel piëzo-elektrische materialen al meer dan een eeuw worden gebruikt, vormt de huidige behoefte aan hun toepassing binnen kleinere en complexere producten een uitdaging voor ontwerpers. Het kiezen van de juiste materialen en het ontwerpen van de juiste kristalvorm zijn cruciaal voor de functionaliteit van een prototype.

Piëzo's hebben zeer complexe materiaaleigenschappen die sterk met elkaar verweven zijn, en de materiaalsamenstelling is belangrijk. Evenzo, als de vorm van een piëzo-elektrisch kristal niet de juiste resonantiefrequentie produceert, werkt het apparaat niet. En, in elegante gelijkschakeling met het 'Observer Effect', vervormt de elektrificatie van een piëzo-elektrisch kristal zijn vorm en produceert tegelijkertijd meer elektriciteit.

Het is een ongelooflijk ingewikkelde feedbackloop die schreeuwt om een ontwerpoplossing die het giswerk elimineert dat betrokken is bij langdurige bouw-test-prototypeprocessen.

Waarom simulatie belangrijk is

Simulatie is altijd nuttig bij het omgaan met niet-lineariteiten. Het voorkomt dat ontwerpers de ondankbare (en vaak budgettair onhaalbare) taak hebben om te bouwen en te testen te midden van te veel onbekenden. Bij het overwegen van elektro-akoestische transducers is de unieke combinatie van elektrische energie, mechanische energie en akoestiek beslist niet-lineair en inherent van multiphysics-aard.

Multiphysics-simulatie kan ontwerpers de tools bieden om producten effectiever te ontwikkelen door hen in staat te stellen hun apparaatontwerpen te simuleren onder operationele omstandigheden. Bovendien kunnen deze simulaties het hele ecosysteem omvatten, van het besturingscircuit tot de piëzo-elektrische transducer tot de omringende akoestische omgeving. Multiphysics-simulaties houden rekening met factoren zoals:

• De constitutieve vergelijkingen van mechanische en elektrische respons
• Polarisatierichting van piëzo-elektrische materiaaleigenschappen
• Randvoorwaarden
• Structurele mechanica/trillingsverwarming

Naarmate piëzo-afhankelijke apparaten kleiner en complexer worden om te voldoen aan de eisen van veeleisende consumenten (zowel individuen als industrieën), moeten ontwerpers over tools beschikken die de meerdere fysica binnen hun producten berekenen. Multiphysics-simulatietools kunnen duidelijkheid en richting geven aan ingewikkelde ontwerpuitdagingen.

U kunt meer te weten komen over piëzo-elektrische technologie door de Het ontwerpen van piëzo-akoestische transducers met simulaties webinar te bekijken.