چگونه مبدل‌های صوتی پیزوالکتریک را در دستگاه‌های کوچک قرار دهیم

آنچه یاد خواهید گرفت:

• کاربرد گسترده فناوری پیزوالکتریک.
• چرا گرایش به کوچک‌سازی دستگاه‌ها در عین حفظ دقت، چالش‌هایی را برای مهندسان طراح ایجاد می‌کند.
• چگونه ابزارهای نرم‌افزاری چندفیزیکی می‌توانند به چالش‌های چندفیزیکی ذاتی طراحی مبدل‌های صوتی پیزوالکتریک بپردازند.

کوچک‌سازی و پیچیدگی فزاینده محصولات الکترونیکی، از دستگاه‌های رسانه‌ای مصرف‌کننده گرفته تا ابزارهای تشخیصی پزشکی و کاربردهای سونار مرتبط با دفاع، مجموعه‌ای از ابزارها و سهولت را برای مصرف‌کنندگان ارائه می‌دهد - و یک چالش مداوم برای مهندسان طراح. این محصولات به ظاهر نامرتبط (بلندگوهای صوتی/دستگاه‌های تلفن همراه، برخی از دستگاه‌های پزشکی غیرتهاجمی و آرایه‌های سونار) در یک ویژگی مشترک سهیم هستند: اتکا به مبدل‌های پیزوالکتریک برای تولید و دریافت سیگنال‌های صوتی.

مواد پیزوالکتریک از نیمه اول قرن بیستم به دلیل توانایی‌شان در تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس، ارزشمند بوده‌اند. با این حال، فناوری قرن بیست و یکم ایجاب می‌کند که همین مواد، صدای بیشتر یا فرکانس‌های دقیق‌تری را در بسته‌بندی‌های کوچک‌تر و کوچک‌تر تولید کنند، در حالی که تا حد امکان از انرژی کمتری استفاده می‌کنند.

چالش طراحی دستگاه‌های حاوی پیزوالکتریک، به دلیل تلاقی برق، ارتعاش و آکوستیک، ذاتاً چندفیزیکی است. بنابراین، طراحان باید ابزارهایی داشته باشند که بتوانند فیزیک‌های متعدد را در محصولات خود محاسبه کنند.

مروری بر مواد پیزوالکتریک

مواد پیزوالکتریک موادی هستند که می‌توانند به دلیل تنش مکانیکی، مانند فشرده‌سازی، برق تولید کنند. این مواد همچنین می‌توانند هنگام اعمال ولتاژ (برق) تغییر شکل دهند. مواد پیزوسرامیک معمولی، چه سرامیک غیر رسانا و چه کریستال، بین دو صفحه فلزی قرار می‌گیرند.

برای تولید پیزوالکتریسیته، ماده باید فشرده یا فشرده شود. تنش مکانیکی اعمال شده بر مواد سرامیکی پیزوالکتریک، برق تولید می‌کند. اثر پیزوالکتریک را می‌توان معکوس کرد که به آن اثر پیزوالکتریک معکوس می‌گویند. این کار با اعمال ولتاژ الکتریکی برای کوچک یا منبسط کردن یک کریستال پیزوالکتریک ایجاد می‌شود. اثر پیزوالکتریک معکوس، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.

مواد پیزوالکتریک در مجموعه‌ای شگفت‌انگیز از محصولات روزمره یافت می‌شوند. شعله‌ای که هنگام فشار دادن دکمه فندک «کلیک و شعله» به وجود می‌آید، با فشرده‌سازی مواد پیزوالکتریک که جرقه تولید می‌کند، کمک شده است.

اکنون، بیایید به برخی از محصولات دیگر نگاهی بیندازیم که به دلیل نیاز به خروجی بیشتر در دستگاه‌های کوچک‌تر، چالش‌های بیشتری را برای مهندسان طراح ایجاد می‌کنند.

میکروفون‌ها و بلندگوها

مواد پیزوالکتریک به طور گسترده در آکوستیک استفاده می‌شوند. میکروفون‌ها حاوی کریستال‌های پیزوالکتریک هستند که امواج صوتی ورودی را به سیگنال‌هایی تبدیل می‌کنند که سپس برای ایجاد صدای تقویت‌شده خروجی پردازش می‌شوند. بلندگوهای کوچک، مانند بلندگوهای داخل تلفن‌های همراه و سایر دستگاه‌های تلفن همراه، نیز توسط کریستال‌های پیزوالکتریک هدایت می‌شوند. باتری دستگاه، کریستال را با فرکانسی که صدا تولید می‌کند، به ارتعاش در می‌آورد.

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

دستگاه‌های پزشکی

دستگاه‌های پزشکی غیرتهاجمی مانند سمعک‌ها نیز برای بخشی از عملکرد خود به پیزوالکتریک‌ها متکی هستند. فناوری اولتراسوند نیز همین‌طور است که یک کاربرد اصلی مواد پیزوالکتریک است.

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

سایر دستگاه‌های پزشکی مانند اسکالپل‌های هارمونیک از خواص ارتعاشی مواد پیزوالکتریک برای برش و سوزاندن بافت در حین جراحی استفاده می‌کنند. کریستال‌های پیزوالکتریک داخل دستگاه، انرژی جنبشی و انرژی گرمایی مورد نیاز برای برش و سوزاندن همزمان را تولید می‌کنند.

چالش‌های طراحی اولتراسونیک بر نیاز به تعیین شکل و ترکیب مواد صحیح اجزای پیزوالکتریک برای ایجاد فرکانس‌های بسیار دقیقی که در اولتراسوند استفاده می‌شود، متمرکز است. و، در مثال اسکالپل‌های هارمونیک، طراحی باید اثرات گرما بر پاسخ ارتعاشی دستگاه را در نظر بگیرد.

سونار

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

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

به نظر ساده می‌رسد، اما طراحی مبدل‌ها برای انتشار صدا از طریق آب به جای هوا می‌تواند مجموعه‌ای از چالش‌های مهندسی پیچیده را ایجاد کند. این کاربردها اغلب نیاز دارند که دستگاه پیزوالکتریک سیگنال‌های پرقدرتی را برای انتشار در فواصل طولانی بدون تضعیف زیر سطوح قابل تشخیص تولید کند.

کاربردهای جدید

یک کاربرد نوظهور مواد پیزوالکتریک در فناوری برداشت انرژی است. به دلیل خواص منحصربه‌فرد مواد پیزو، می‌توان از آنها با موفقیت در هر برنامه‌ای که نیاز به ارتعاش دارد یا تولید می‌کند، استفاده کرد.

در برداشت انرژی، ارتعاش برون‌زا یک کرنش مکانیکی را به ماده پیزوالکتریک تولید می‌کند که به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. سپس می‌توان از آن انرژی ایجاد شده توسط پیزو برای تأمین انرژی سایر اجزای دستگاه یا سیستم استفاده کرد.

سیستم‌های نظارت بر فشار تایر مستقل از باتری (TPMS) یک نمونه از این موارد را نشان می‌دهند. با چرخش لاستیک‌های خودرو، انرژی مکانیکی تولید می‌شود. یک حسگر حاوی پیزو آن انرژی را برداشت می‌کند، ذخیره می‌کند و سیگنالی را به صفحه نمایش راننده ارسال می‌کند. TPMSها از نظر تاریخی با باتری کار می‌کردند، اما افزایش علاقه به جایگزین‌های باتری سازگار با محیط زیست، منجر به تمرکز جدیدی بر پتانسیل برداشت انرژی مواد پیزوالکتریک شده است.

کشف قدیمی، چالش‌های مدرن

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

پیزوها دارای خواص مواد بسیار پیچیده‌ای هستند که بسیار در هم تنیده شده‌اند و ترکیب مواد اهمیت دارد. به طور مشابه، اگر شکل یک کریستال پیزوالکتریک فرکانس رزونانس صحیح را تولید نکند، دستگاه کار نخواهد کرد. و، در هم‌خوانی ظریف با «اثر ناظر»، خود برق‌رسانی یک کریستال پیزوالکتریک شکل آن را تغییر می‌دهد و در عین حال برق بیشتری نیز تولید می‌کند.

این یک حلقه بازخورد فوق‌العاده پیچیده است که خواستار یک راه‌حل طراحی است که حدس و گمان‌های موجود در فرآیندهای نمونه‌سازی طولانی‌مدت ساخت و آزمایش را از بین می‌برد.

چرا شبیه‌سازی مهم است

شبیه‌سازی همیشه هنگام برخورد با غیرخطی‌ها مفید است. این امر طراحان را از وظیفه ناشایست (و اغلب از نظر بودجه غیرممکن) ساخت و آزمایش در میان ناشناخته‌های بیش از حد باز می‌دارد. هنگام در نظر گرفتن مبدل‌های الکتروآکوستیک، ترکیب منحصربه‌فرد انرژی الکتریکی، انرژی مکانیکی و آکوستیک قطعاً غیرخطی و ذاتاً چندفیزیکی است.

شبیه‌سازی چندفیزیکی می‌تواند ابزارهایی را در اختیار مهندسان طراح قرار دهد تا محصولات را به طور مؤثرتری توسعه دهند و آنها را قادر می‌سازد تا طرح‌های دستگاه خود را در شرایط عملیاتی شبیه‌سازی کنند. علاوه بر این، این شبیه‌سازی‌ها ممکن است کل اکوسیستم را از مدار کنترل تا مبدل پیزوالکتریک تا محیط آکوستیک اطراف شامل شوند. شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی عواملی مانند:

• معادلات ساختاری پاسخ مکانیکی و الکتریکی
• جهت قطبش خواص مواد پیزوالکتریک
• شرایط مرزی
• مکانیک سازه/گرمایش ارتعاشی

از آنجایی که دستگاه‌های وابسته به پیزوالکتریک برای پاسخگویی به نیازهای مصرف‌کنندگان پیچیده (خواه افراد یا صنایع) کوچک‌تر و پیچیده‌تر می‌شوند، مهندسان طراح باید ابزارهایی داشته باشند که فیزیک‌های متعدد را در محصولات خود محاسبه کنند. ابزارهای شبیه‌سازی چندفیزیکی می‌توانند وضوح و جهت را برای چالش‌های طراحی پیچیده فراهم کنند.

شما می‌توانید با تماشای طراحی مبدل‌های صوتی پیزوالکتریک با شبیه‌سازیوبینار، اطلاعات بیشتری در مورد فناوری پیزوالکتریک کسب کنید.