Wie man piezo akustische Wandler in Schrumpfgeräte zusammendrückt

Was Sie lernen:

• Die breite Anwendung der piezoelektrischen Technologie.
• Warum Tendenzen, Geräte beim Behalten von anwesenden Herausforderungen der Präzision für Konstrukteure zu miniaturisieren.
• Wie multiphysics Software-Tools die inhärenten multiphysics Herausforderungen des Entwerfens von piezoelektrischen akustischen Wandlern ansprechen können.

Die zunehmende Miniaturisierung und die Kultiviertheit von elektronischen Produkten, reichend von den Verbrauchermediengeräten bis zu medizinischen Diagnose-Tools bis zu Verteidigung-bedingten Sonaranwendungen, stellt eine Prämie des Dienstprogrammes dar und lässt für Verbraucher-und eine laufende Herausforderung für Konstrukteure nach. Dieser erzeugen scheinbar unvereinbarer Anteil der Produkte (Audio/Sprecher des tragbaren Geräts, bestimmten nichtinvasiven medizinischen Geräte und Sonarreihen) an allgemeinem ein Vertrauen auf piezoelektrischen Wandlern für beide und empfangen akustische Signale.

Piezoelektrische Materialien sind seit der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts bewertet worden, damit ihre Fähigkeit mechanische Energie in elektrische Energie und vice versa umwandelt. Jedoch Technologienachfragen des 21. Jahrhunderts die diese gleichen Materialien die solideren oder genaueren Frequenzen innerhalb der kleineren und Kleinsendungen, alle produzieren bei der Benutzung als wenig Energie, wie möglich.

Die Herausforderung des Entwerfens von piezoelektrisch-enthaltenen Geräten ist in sich selbst multiphysics in der Natur wegen des Zusammenströmens des Stroms, der Erschütterung und der Akustik. So müssen Designer Werkzeuge haben, die die mehrfache Physik innerhalb ihrer Produkte berechnen können.

Piezoelektrischer materieller Überblick

Piezoelektrische Materialien sind Materialien, die den Strom wegen der mechanischen Belastung produzieren können, wie Kompression. Diese Materialien können auch verformen, wann Spannung (Strom) angewendet wird. Typische piezoceramic Materialien, ob nicht leitfähiges keramisches oder Kristall, werden zwischen zwei Metallplatten gesetzt.

Um Piezoelectricity zu erzeugen, muss das Material zusammengedrückt werden oder zusammengedrückt werden. Die mechanische Belastung, die am piezoelektrischen keramischen Material angewendet wird, erzeugt Strom. Der Piezoeffekt kann aufgehoben werden, der als der umgekehrte Piezoeffekt gekennzeichnet. Dieses wird geschaffen, indem man elektrische Spannung anwendet, um einen piezoelektrischen Kristallpsychiater zu machen oder zu erweitern. Der umgekehrte Piezoeffekt wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um.

Piezoelektrische Materialien werden in einer überraschenden Reihe Alltagsprodukten gefunden. Die Flamme, die zum Leben springt, als Sie den Knopf eines „Klicken-undflammen“ Feuerzeugs bedrängen, wurde in Bestehen durch die Kompression des piezoelektrischen Materials unterstützt, das einen Funken produziert.

Jetzt lassen Sie uns einige andere Produkte betrachten, die mehr einer Herausforderung für die Konstrukteure wegen des Bedarfs an erhöhtem Ertrag innerhalb der kleineren Geräte darstellen.

Mics und Sprecher

Piezoelektrische Materialien werden weitgehend in der Akustik benutzt. Mikrophone enthalten piezoelektrische Kristalle, die die ankommenden Schallwellen in Signale umwandeln, die dann verarbeitet werden, um abgehenden verstärkten Ton zu schaffen. Kleine Sprecher, wie die innerhalb der Handys und anderer tragbarer Geräte, auch werden durch piezoelektrische Kristalle gefahren. Die Batterie des Gerätes vibriert den Kristall bei einer Frequenz, die Ton produziert.

Die Herausforderung hier ist, wenn sie piezoelektrische Wandler entwirft, die Sehr-hochqualitätston innerhalb eines Päckchens produzieren können, und ohne zu viel der Batterie des Gerätes abzulassen.

Medizinische Geräte

Nichtinvasive medizinische Geräte wie Hörgeräte beruhen auch auf piezoelectrics für einen Teil ihrer Operation. So tut auch Ultraschalltechnologie, die eine bedeutende Anwendung des piezoelektrischen Materials ist.

In der Ultraschallehre werden piezoelektrische Materialien elektrifiziert, um Hochfrequenztonwellen herzustellen (zwischen 1,5 und 8 MHZ) die sind, körperliche Gewebe einzudringen. Während die Wellen zurück aufprallen, wandeln piezoelektrische Kristalle die empfangene mechanische Energie in die elektrische Energie um und senden sie zurück zu der Ultraschallmaschine für Umwandlung in ein Bild.

Andere medizinische Geräte wie harmonische Skalpelle verwenden die Schwingungseigenschaften der piezoelektrischen Materialien, um Gewebe während der Chirurgie zu schneiden und abzubrennen. Die piezoelektrischen Kristalle innerhalb des Gerätes erzeugen die kinetische Energie und Wärmeenergie, die benötigt werden, um gleichzeitig zu schneiden und abzubrennen.

Ultraschallentwurfsherausforderungen konzentrieren sich auf den Bedarf, die korrekte Form und die materielle Zusammensetzung der piezoelektrischen Komponenten zu bestimmen, um die sehr genauen Frequenzen zu schaffen, die im Ultraschall verwendet werden. Und, im Beispiel von harmonischen Skalpellen, muss der Entwurf die Wärmewirkungen auf die Schwingungsantwort des Gerätes erklären.

Sonar

Möglicherweise kann der breiteste und althergebrachteste Gebrauch von piezoelektrischer Technologie innerhalb der Sonaranwendungen gefunden werden. Während des Ersten Weltkrieges war Sonar die erste kommerzielle Anwendung von Piezoelectricity, und sein Gebrauch schnellte in den Zeitraum zwischen die zwei Weltkriege empor.

Heute verwenden alle Sonar-ansässigen Systeme, einschließlich die, die vom Militär, von den Handelsfischern und in zahlreichem andere Marineanwendungen verwendet werden, einen piezo-enthaltenen Wandler zu, Schallwellen zu erzeugen und zu empfangen.

Es scheint einfach, aber das Entwerfen von Wandlern für die Ausbreitung des Tones durch Wasser eher als Luft kann seinen eigenen Satz komplexe Technikherausforderungen darstellen. Diese Anwendungen erfordern häufig das piezoelektrische Gerät, starke Signale zu erzeugen, lange Abstände zu verbreiten, ohne sich zu vermindern unterhalb der nachweisbaren Niveaus.

Neunutzung

Eine auftauchende Anwendung von piezoelektrischen Materialien ist innerhalb der Energie-erntenden Technologie. Wegen der einzigartigen Eigenschaften von piezo Materialien, können sie in jeder möglicher Anwendung erfolgreich benutzt werden, die Erschütterung erfordert oder produziert.

In der erntenden Energie, produziert exogene Erschütterung eine mechanische Belastung zum piezoelektrischen Material, das in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese piezo-geschaffene Energie kann dann verwendet werden, um andere Komponenten des Gerätes oder des Systems anzutreiben.

Batterie-unabhängige Reifen-Drucküberwachungssysteme (TPMS) stellen ein solches Beispiel dar. Während die Reifen eines Fahrzeugs sich drehen, wird mechanische Energie produziert. Ein piezo-enthaltener Sensor erntet, dass Energie, ihn speichert, und schickt dem Anzeigefeld ein Signal des Fahrers. TPMSs sind historisch batteriebetrieben gewesen, aber zunehmendes Interesse an den umweltfreundlichen Batteriealternativen hat zu einen neuen Fokus auf dem Energie-erntenden Potenzial von piezoelektrischen Materialien geführt.

Alte Entdeckung, moderne Herausforderungen

Obgleich piezoelektrische Materialien für ein vorbei Jahrhundert verwendet worden sind, stellt der gegenwärtige Bedarf an ihrer Anwendung innerhalb der kleineren und komplexeren Produkte eine Herausforderung für Konstrukteure dar. Die korrekten Materialien zu wählen und das Entwerfen der rechten Kristallform sind zur Funktionalität eines Prototyps kritisch wichtig.

Piezos haben sehr komplexe Materialeigenschaften, die in hohem Grade verflochten werden, und materielle Zusammensetzungsangelegenheiten. Ähnlich wenn die Form eines piezoelektrischen Kristalles nicht die korrekte Eigenfrequenz produziert, funktioniert das Gerät nicht. Und, im eleganten lockstep mit dem „Beobachter-Effekt,“ verformt die Elektrifizierung eines piezoelektrischen Kristalles seine Form beim mehr Strom auch produzieren.

Es ist eine unglaublich schwierige Rückkopplungsschleife, die heraus für eine Entwurfslösung schreit, die die Spekulation beseitigt, die in langatmige Gestalttestprototypprozesse mit einbezogen wird.

Warum Simulations-Angelegenheiten

Simulation ist immer beim Beschäftigen Nichtlinearitäten hilfreich. Sie verhindert Designer an der undankbaren (und häufig budgetarily unausführbaren) Aufgabe des Gebäudes und der Prüfung unter zu vielen Unbekannten. Wenn sie electroacoustic Wandler betrachtet, ist die einzigartige Kombination der elektrischen Energie, der mechanischen Energie und der Akustik entschieden nichtlinear und in sich selbst multiphysics in der Natur.

Multiphysics-Simulation kann Konstrukteure mit den Werkzeugen versehen, um Produkte effektiv zu entwickeln, indem sie ihnen ermöglicht, ihre Gerätentwürfe innerhalb der Betriebsbedingungen zu simulieren. Darüber hinaus diese Simulationen umfassen möglicherweise das gesamte Ökosystem vom Steuerstromkreis zum piezoelektrischen Wandler zu umgebender akustischer Umwelt. Multiphysics-Simulationen berücksichtigen Faktoren wie:

• Die aufbauenden Gleichungen der mechanischen und elektrischen Antwort
• Polings-Richtung von piezoelektrischen Materialeigenschaften
• Randbedingungen
• Strukturelle Mechaniker/Schwingungsheizung

Während piezoelektrisch-abhängige Geräte kleiner und komplexer werden, um die Nachfragen von hoch entwickelten Verbrauchern zu befriedigen (jene Einzelpersonen oder Industrien sein), müssen Konstrukteure Werkzeuge haben, die die mehrfache Physik innerhalb ihrer Produkte berechnen. Multiphysics-Simulationswerkzeuge können Klarheit und Richtung zu schwierigen Entwurfsherausforderungen zur Verfügung stellen.

Sie können mehr über piezoelektrische Technologie herausfinden, indem Sie die entwerfenden piezoelektrischen akustischen Wandler mit Simulationen webinar aufpassen.