Molte grazie per il vostro supporto gentile sempre!
—— Thalita
società notizie
Come schiacciare i trasduttori acustici piezo-elettrici nei dispositivi di restringimento
Come schiacciare i trasduttori acustici piezo-elettrici nei dispositivi di restringimento
Il software di simulazione di Multiphysics può aiutare gli ingegneri nella progettazione dei trasduttori acustici piezoelettrici per rispondere alle esigenze di miniaturizzazione del dispositivo.
Che cosa imparerete:
L'ampia applicazione di tecnologia piezoelettrica.
Perché tendenze miniaturizzare i dispositivi mentre conservando le sfide attuali di precisione per i tecnici della progettazione.
Come i software tool di multiphysics possono indirizzare le sfide inerenti di multiphysics di progettazione dei trasduttori acustici piezoelettrici.
La miniaturizzazione e la sofisticazione aumentanti dei prodotti elettronici, varianti dai dispositivi di media del consumatore agli strumenti diagnostici medici alle applicazioni in relazione con la difesa del sonar, presenta una bontà di utilità e facilitano per consumatore-e una sfida in corso per i tecnici della progettazione. Questi prodotti apparentemente disparati (audio/altoparlanti del dispositivo mobile, determinati apparecchi medici non invadenti e matrici di sonar) dividono in comune un ricorso ai trasduttori piezoelettrici ad entrambi generano e ricevono i segnali acustici.
I materiali piezoelettrici sono stati stimati dalla prima metà dello XX secolo affinchè la loro capacità convertano l'energia meccanica in energia elettrica e vice versa. Tuttavia, richieste del XXI secolo di tecnologia che questi stessi materiali produrre le frequenze più sane o più precise all'interno di più piccoli e più piccoli pacchetti, tutti mentre utilizzando come piccola energia come possibile.
La sfida di progettazione dei dispositivi piezoelettrico-contenenti è inerentemente multiphysics alla natura dovuto la confluenza dell'elettricità, della vibrazione e dell'acustica. Quindi, i progettisti devono avere strumenti che possono calcolare la fisica multipla all'interno dei loro prodotti.
Panoramica materiale piezoelettrica
I materiali piezoelettrici sono materiali che possono produrre l'elettricità dovuto lo sforzo meccanico, quale compressione. Questi materiali anche possono deformare quando la tensione (elettricità) si applica. I materiali piezoceramic tipici, se ceramico o di cristallo non conduttivo, sono disposti fra due piatti di metallo.
Per generare la piezzoelettricità, il materiale deve essere compresso o schiacciato. Lo sforzo meccanico applicato a materiale ceramico piezoelettrico genera l'elettricità. L'effetto piezoelettrico può essere invertito, che si riferisce a come l'effetto piezoelettrico inverso. Ciò è creata applicando la tensione elettrica per fare gli strizzacervelli di cristallo piezoelettrici o per espandersi. L'effetto piezoelettrico inverso converte l'energia elettrica in energia meccanica.
I materiali piezoelettrici sono trovati in una matrice sorprendente dei prodotti di ogni giorno. La fiamma che salta a vita in cui premete il bottone di un accendino «della clic-e-fiamma» si è aiutata nell'esistenza dalla compressione di materiale piezoelettrico, che produce una scintilla.
Ora, esaminiamo alcuni altri prodotti che presentano più di una sfida per i tecnici della progettazione dovuto l'esigenza di uscita aumentata all'interno di più piccoli dispositivi.
Mics ed altoparlanti
I materiali piezoelettrici sono utilizzati estesamente nell'acustica. I microfoni contengono i cristalli piezoelettrici che convertono le onde sonore ricevute in segnali che poi sono elaborati per creare il suono amplificato uscente. I piccoli altoparlanti, come quelli all'interno dei telefoni cellulari e di altri dispositivi mobili, inoltre sono guidati dai cristalli piezoelettrici. La batteria del dispositivo vibra il cristallo ad una frequenza che produce il suono.
La sfida qui è nella progettazione dei trasduttori piezoelettrici che possono produrre il suono di molto-alto-qualità all'interno di piccolo pacchetto e senza vuotare troppa della batteria del dispositivo.
Apparecchi medici
Gli apparecchi medici non invadenti quali le protesi acustiche inoltre contano sul piezoelectrics per una parte di loro operazione. Così, anche, fa la tecnologia di ultrasuono, che è un'applicazione importante di materiale piezoelettrico.
In ultrasuoni, i materiali piezoelettrici sono elettrificati per creare le onde di suono ad alta frequenza (fra 1,5 e 8 megahertz) che possono penetrare i tessuti corporei. Mentre le onde si riprendono, i cristalli piezoelettrici convertono l'energia meccanica ricevuta in energia elettrica, inviante la di nuovo alla macchina di ultrasuono per la conversione in un'immagine.
Altri apparecchi medici quali i bisturi armonici utilizzano le proprietà vibratorie dei materiali piezoelettrici per tagliare e cauterizzare il tessuto durante la chirurgia. I cristalli piezoelettrici all'interno del dispositivo generano sia l'energia cinetica che l'energia termica state necessaria per tagliare e cauterizzare simultaneamente.
Le sfide ultrasoniche di progettazione mettono a fuoco sulla necessità di determinare la forma corretta e la composizione materiale delle componenti piezoelettriche per creare le frequenze molto precise utilizzate nell'ultrasuono. E, nell'esempio dei bisturi armonici, la progettazione deve rappresentare gli effetti del calore sulla risposta vibratoria del dispositivo.
Sonar
L'uso forse più vasto e più di lunga durata della tecnologia piezoelettrica può essere trovato all'interno delle applicazioni del sonar. Durante la prima guerra mondiale, il sonar era la prima applicazione commerciale di piezzoelettricità ed il suo uso è salito alle stelle nel periodo fra le due guerre mondiali.
Oggi, tutti i a sistemi basati a sonar, compreso quelli utilizzati dai militari, dai pescatori commerciali ed in numeroso altre applicazioni marine, utilizzano un trasduttore piezo-elettrico-contenente a sia per generare che ricevere le onde sonore.
Per più di 100 anni, i trasduttori piezoelettrici sono stati utilizzati per individuare gli oggetti sommersi. (iStock)
Sembra semplice, ma progettare i trasduttori per la propagazione del suono attraverso l'acqua piuttosto che l'aria può presentare il suo proprio insieme delle sfide d'organizzazione complesse. Queste applicazioni richiedono spesso il dispositivo piezoelettrico di generare i segnali ad alta potenza propagare le distanze lunghe senza attenuare sotto i livelli rilevabili.
Nuovi usi
Un'applicazione emergente dei materiali piezoelettrici è all'interno della tecnologia diraccolta. A causa delle proprietà uniche dei materiali piezo-elettrici, possono essere utilizzati con successo in tutta l'applicazione che richiede o produce la vibrazione.
Nell'energia che raccoglie, la vibrazione esogena produce uno sforzo meccanico al materiale piezoelettrico che è convertito in energia elettrica. Quell'energia piezo-elettrico-creata può poi essere usata per alimentare altre componenti del dispositivo o del sistema.
i sistemi del gomma-pressione-monitoraggio dell'Batteria-indipendente (TPMS) rappresentano un tale esempio. Mentre le gomme di un veicolo girano, l'energia meccanica è prodotta. Un sensore piezo-elettrico-contenente raccoglie che l'energia, lo immagazzina ed invia un segnale al quadro comandi dell'autista. TPMSs è stato storicamente a pile, ma l'interesse aumentante nelle alternative rispettose dell'ambiente della batteria ha condotto ad un nuovo fuoco sul potenziale diraccolta dei materiali piezoelettrici.
Vecchia scoperta, sfide moderne
Sebbene i materiali piezoelettrici siano stati utilizzati per più un secolo, l'esigenza corrente della loro applicazione all'interno di più piccoli e prodotti più complessi presenta una sfida per i tecnici della progettazione. La scelta dei materiali corretti e progettare la giusta forma di cristallo sono estremamente importanti alla funzionalità di un prototipo.
Piezos ha le proprietà materiali molto complesse che altamente sono intrecciate ed argomenti materiali della composizione. Similmente, se la forma di un cristallo piezoelettrico non produce la frequenza di risonanza corretta, il dispositivo non funzionerà. E, nel lockstep elegante con «l'effetto dell'osservatore,» l'elettrificazione stessa di un cristallo piezoelettrico deforma la sua forma mentre però producendo la più elettricità.
È un ciclo di risposte incredibilmente complicato che chiede a gran voce una soluzione di progettazione che elimina la congettura in questione nei lunghi processi del prototipo della configurazione-prova.
Perché argomenti di simulazione
La simulazione è sempre utile quando si occupa delle non linearità. Impedisce i progettisti il compito ingrato (e spesso budgetarily difficile) di costruzione e di prove in mezzo di troppi sconosciuti. Nel considerare i trasduttori elettroacustici, la combinazione unica di energia elettrica, di energia meccanica e di acustica è decisamente non lineare ed inerentemente multiphysics alla natura.
La simulazione di Multiphysics può fornire ai tecnici della progettazione gli strumenti per sviluppare i prodotti più efficacemente permettendo loro di simulare le loro progettazioni del dispositivo all'interno delle condizioni di gestione. Inoltre, queste simulazioni possono comprendere l'intero ecosistema dal circuito di controllo al trasduttore piezoelettrico all'ambiente acustico circostante. Le simulazioni di Multiphysics considereranno i fattori come:
Le equazioni costitutive della risposta meccanica ed elettrica
Direzione di Poling delle proprietà materiali piezoelettriche
Condizioni al contorno
Meccanici strutturali/riscaldamento vibratorio
Mentre i dispositivi piezoelettrico-dipendenti diventano più piccoli e più complessi per rispondere alle esigenze dei consumatori specializzati (essere quegli individui o industrie), i tecnici della progettazione devono avere strumenti che calcolano la fisica multipla all'interno dei loro prodotti. Gli strumenti di simulazione di Multiphysics possono fornire la chiarezza e la direzione alle sfide complicate di progettazione.
