چگونه مبدل های صوتی پیزو را در دستگاه های کوچک شونده فشرده کنیم

آنچه یاد خواهید گرفت:

• کاربرد گسترده فناوری پیزوالکتریک.
• چرا گرایش های کوچک سازی دستگاه ها در عین حفظ دقت، چالش هایی را برای مهندسان طراح ایجاد می کند.
• چگونه ابزارهای نرم‌افزار چندفیزیکی می‌توانند چالش‌های ذاتی چندفیزیکی طراحی مبدل‌های صوتی پیزوالکتریک را برطرف کنند.

کوچک‌سازی و پیچیدگی روزافزون محصولات الکترونیکی، از دستگاه‌های رسانه مصرفی گرفته تا ابزارهای تشخیصی پزشکی تا کاربردهای سونار مرتبط با دفاع، سودمندی و سهولت فراوانی را برای مصرف‌کنندگان به همراه دارد و چالشی مداوم برای مهندسان طراح است.این محصولات به ظاهر متفاوت (بلندگوهای دستگاه های صوتی/موبایل، دستگاه های پزشکی غیر تهاجمی خاص، و آرایه های سونار) به طور مشترک بر مبدل های پیزوالکتریک برای تولید و دریافت سیگنال های صوتی تکیه دارند.

مواد پیزوالکتریک از نیمه اول قرن بیستم به دلیل توانایی آنها در تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس مورد توجه قرار گرفته اند.با این حال، فناوری قرن بیست و یکم ایجاب می‌کند که همین مواد صدای بیشتری یا فرکانس‌های دقیق‌تری را در بسته‌های کوچک‌تر و کوچک‌تر تولید کنند و در عین حال از انرژی کمتری استفاده کنند.

چالش طراحی دستگاه های حاوی پیزوالکتریک به دلیل تلاقی الکتریسیته، ارتعاش و آکوستیک ذاتاً ماهیت چندفیزیکی دارد.بنابراین، طراحان باید ابزارهایی داشته باشند که بتوانند چندین فیزیک را در محصولات خود محاسبه کنند.

بررسی اجمالی مواد پیزوالکتریک

مواد پیزوالکتریک موادی هستند که می توانند در اثر تنش های مکانیکی مانند تراکم برق تولید کنند.این مواد همچنین می توانند با اعمال ولتاژ (الکتریسیته) تغییر شکل دهند.مواد پیزوسرامیک معمولی، چه سرامیکی غیر رسانا یا کریستالی، بین دو صفحه فلزی قرار می گیرند.

برای تولید پیزوالکتریک، مواد باید فشرده یا فشرده شوند.تنش مکانیکی اعمال شده به مواد سرامیکی پیزوالکتریک باعث تولید الکتریسیته می شود.اثر پیزوالکتریک را می توان معکوس کرد که به آن اثر پیزوالکتریک معکوس می گویند.این با اعمال ولتاژ الکتریکی برای ایجاد انقباض یا انبساط کریستال پیزوالکتریک ایجاد می شود.اثر پیزوالکتریک معکوس انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.

مواد پیزوالکتریک در مجموعه‌ای شگفت‌انگیز از محصولات روزمره یافت می‌شوند.شعله ای که با فشار دادن دکمه فندک «کلیک و شعله» جان می گیرد، با فشرده سازی مواد پیزوالکتریک، که جرقه تولید می کند، به وجود می آید.

اکنون، بیایید به برخی محصولات دیگر نگاه کنیم که به دلیل نیاز به افزایش خروجی در دستگاه های کوچکتر، چالش بیشتری را برای مهندسان طراح ایجاد می کنند.

میکروفون و بلندگو

مواد پیزوالکتریک به طور گسترده در آکوستیک استفاده می شود.میکروفون ها حاوی کریستال های پیزوالکتریک هستند که امواج صوتی ورودی را به سیگنال هایی تبدیل می کنند که سپس برای ایجاد صدای تقویت شده خروجی پردازش می شوند.بلندگوهای کوچک، مانند آنهایی که در تلفن های همراه و سایر دستگاه های تلفن همراه هستند، نیز توسط کریستال های پیزوالکتریک هدایت می شوند.باتری دستگاه کریستال را با فرکانسی لرزانده که صدا تولید می کند.

چالش اینجا در طراحی مبدل‌های پیزوالکتریک است که می‌توانند صدای بسیار باکیفیتی را در یک بسته کوچک و بدون تخلیه بیش از حد باتری دستگاه تولید کنند.

تجهیزات پزشکی

دستگاه های پزشکی غیرتهاجمی مانند سمعک نیز برای بخشی از عملکرد خود به پیزوالکتریک متکی هستند.فناوری اولتراسوند نیز که کاربرد اصلی مواد پیزوالکتریک است، همینطور است.

در اولتراسونیک، مواد پیزوالکتریک برای ایجاد امواج صوتی با فرکانس بالا (بین 1.5 تا 8 مگاهرتز) که قادر به نفوذ به بافت‌های بدن هستند، الکتریکی می‌شوند.با برگشت امواج، کریستال‌های پیزوالکتریک انرژی مکانیکی دریافتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند و آن را برای تبدیل به تصویر به دستگاه اولتراسوند ارسال می‌کنند.

سایر وسایل پزشکی مانند چاقوی جراحی هارمونیک از خواص ارتعاشی مواد پیزوالکتریک برای برش و سوزاندن بافت در حین جراحی استفاده می کنند.کریستال های پیزوالکتریک درون دستگاه هم انرژی جنبشی و هم انرژی گرمایی لازم برای برش و سوزاندن همزمان را تولید می کنند.

چالش های طراحی اولتراسونیک بر نیاز به تعیین شکل صحیح و ترکیب مواد اجزای پیزوالکتریک برای ایجاد فرکانس های بسیار دقیق مورد استفاده در اولتراسوند تمرکز دارد.و در مثال چاقوی جراحی هارمونیک، طراحی باید اثرات گرمایش بر پاسخ ارتعاشی دستگاه را در نظر بگیرد.

ردیاب آوایی

شاید وسیع‌ترین و طولانی‌ترین کاربرد فناوری پیزوالکتریک را بتوان در کاربردهای سونار یافت.در طول جنگ جهانی اول، سونار اولین کاربرد تجاری پیزوالکتریک بود و استفاده از آن در دوره بین دو جنگ جهانی به شدت افزایش یافت.

امروزه، تمام سیستم‌های مبتنی بر سونار، از جمله سیستم‌هایی که توسط ارتش، ماهیگیران تجاری، و در بسیاری از کاربردهای دریایی دیگر استفاده می‌شوند، از یک مبدل حاوی پیزو برای تولید و دریافت امواج صوتی استفاده می‌کنند.

ساده به نظر می رسد، اما طراحی مبدل هایی برای انتشار صدا از طریق آب به جای هوا می تواند مجموعه ای از چالش های مهندسی پیچیده خود را ارائه دهد.این برنامه‌ها اغلب به دستگاه پیزوالکتریک نیاز دارند تا سیگنال‌هایی با قدرت بالا تولید کند تا در مسافت‌های طولانی بدون تضعیف کمتر از سطوح قابل تشخیص، منتشر شود.

کاربردهای جدید

کاربرد نوظهور مواد پیزوالکتریک در فناوری برداشت انرژی است.به دلیل خواص منحصر به فرد مواد پیزو، می توان آنها را با موفقیت در هر برنامه ای که نیاز به ارتعاش دارد یا تولید می کند، استفاده کرد.

در برداشت انرژی، ارتعاشات اگزوژن باعث ایجاد فشار مکانیکی به ماده پیزوالکتریک می شود که به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.آن انرژی ایجاد شده توسط پیزو می تواند برای تامین انرژی سایر اجزای دستگاه یا سیستم استفاده شود.

سیستم های کنترل فشار تایر مستقل از باتری (TPMS) یکی از این نمونه ها را نشان می دهد.با چرخش لاستیک های خودرو، انرژی مکانیکی تولید می شود.یک حسگر حاوی پیزو آن انرژی را جمع آوری می کند، آن را ذخیره می کند و سیگنالی را به صفحه نمایش راننده ارسال می کند.TPMS ها در طول تاریخ با باتری کار می کردند، اما افزایش علاقه به جایگزین های باتری دوستدار محیط زیست منجر به تمرکز جدیدی بر پتانسیل برداشت انرژی مواد پیزوالکتریک شده است.

کشف قدیمی، چالش های مدرن

اگرچه مواد پیزوالکتریک برای بیش از یک قرن مورد استفاده قرار گرفته‌اند، نیاز فعلی به کاربرد آنها در محصولات کوچک‌تر و پیچیده‌تر چالشی برای مهندسان طراح است.انتخاب مواد صحیح و طراحی شکل کریستالی مناسب برای عملکرد یک نمونه اولیه بسیار مهم است.

پیزوها خواص مواد بسیار پیچیده ای دارند که به شدت در هم تنیده شده اند و ترکیب مواد اهمیت دارد.به طور مشابه، اگر شکل یک کریستال پیزوالکتریک فرکانس رزونانس درستی تولید نکند، دستگاه کار نخواهد کرد.و در گامی زیبا با "اثر ناظر"، خود الکتریکی شدن یک کریستال پیزوالکتریک شکل آن را تغییر می دهد و در عین حال الکتریسیته بیشتری تولید می کند.

این یک حلقه بازخورد فوق‌العاده پیچیده است که برای یک راه‌حل طراحی فریاد می‌زند که حدس و گمان‌های مربوط به فرآیندهای طولانی ساخت نمونه اولیه را حذف می‌کند.

چرا شبیه سازی مهم است

شبیه سازی همیشه هنگام برخورد با غیرخطی ها مفید است.این امر طراحان را از انجام وظیفه بی‌قدردانه (و اغلب از نظر بودجه غیرقابل اجرا) ساخت و آزمایش در میان ناشناخته‌های بسیار باز می‌دارد.هنگام در نظر گرفتن مبدل‌های الکتروآکوستیک، ترکیب منحصر به فرد انرژی الکتریکی، انرژی مکانیکی و آکوستیک کاملاً غیرخطی است و ذاتاً ماهیت چندفیزیکی دارد.

شبیه‌سازی چند فیزیک می‌تواند ابزارهایی را در اختیار مهندسان طراح قرار دهد تا محصولات را به‌طور مؤثرتری توسعه دهند، زیرا آنها را قادر می‌سازد تا طرح‌های دستگاه خود را در شرایط عملیاتی شبیه‌سازی کنند.علاوه بر این، این شبیه‌سازی‌ها ممکن است شامل کل اکوسیستم از مدار کنترل تا مبدل پیزوالکتریک تا محیط صوتی اطراف باشد.شبیه سازی های چند فیزیک فاکتورهایی مانند موارد زیر را در نظر می گیرند:

• معادلات تشکیل دهنده پاسخ مکانیکی و الکتریکی
• جهت قطبی خواص مواد پیزوالکتریک
• شرایط مرزی
• مکانیک سازه/گرمایش ارتعاشی

همانطور که دستگاه های وابسته به پیزوالکتریک کوچکتر و پیچیده تر می شوند تا نیازهای مصرف کنندگان پیشرفته (چه افراد یا صنایع) را برآورده کنند، مهندسان طراح باید ابزارهایی داشته باشند که فیزیک چندگانه را در محصولاتشان محاسبه کنند.ابزارهای شبیه‌سازی چندفیزیکی می‌توانند وضوح و جهت را برای چالش‌های طراحی پیچیده فراهم کنند.

شما می توانید با تماشای بخش پیزوالکتریک اطلاعات بیشتری کسب کنیدطراحی مبدل های صوتی پیزوالکتریک با شبیه سازیوبینار