Wie man Piezoakustische Wandler in Schrumpfgeräte einpresst

Was Sie lernen werden:

• Die breite Anwendung der piezoelektrischen Technologie.
• Warum die Tendenz, Geräte zu miniaturieren und dabei die Präzision zu bewahren, für Konstrukteure eine Herausforderung darstellt.
• Wie Multiphysik-Software-Tools die inhärenten Multiphysik-Herausforderungen bei der Konstruktion piezoelektrischer akustischer Wandler lösen können.

Die zunehmende Miniaturisierung und Verfeinerung elektronischer Produkte, von Konsummediengeräten über medizinische Diagnosetools bis hin zu Sonar-Anwendungen im Verteidigungsbereich,Das Projekt bietet den Verbrauchern eine Menge Nutzen und Leichtigkeit und ist eine ständige Herausforderung für Konstrukteure.Diese scheinbar unterschiedlichen Produkte (Lautsprecher für Mobilgeräte, bestimmte nicht-invasive Medizinprodukte,und Sonar-Arrays) hängen von piezoelektrischen Wandlern ab, um akustische Signale zu erzeugen und zu empfangen.

Piezoelektrische Materialien werden seit der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts für ihre Fähigkeit geschätzt, mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt.Die Technologie des 21. Jahrhunderts verlangt, dass dieselben Materialien in immer kleineren Verpackungen mehr Ton oder genauere Frequenzen erzeugen., wobei möglichst wenig Energie verbraucht wird.

Die Herausforderung beim Entwerfen piezoelektrischer Geräte ist aufgrund des Zusammenflusses von Elektrizität, Vibration und Akustik von Natur aus multiphysikalisch.Designer müssen über Werkzeuge verfügen, mit denen sie die vielfältige Physik in ihren Produkten berechnen können..

Übersicht über piezoelektrische Materialien

Piezoelektrische Materialien sind Materialien, die durch mechanische Belastungen wie Kompression Strom erzeugen können.Typische piezozeramische Materialien, ob nicht leitfähige Keramik oder Kristall, zwischen zwei Metallplatten platziert werden.

Um Piezoelektrik zu erzeugen, muss das Material komprimiert oder gepresst werden.der als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet wirdDer inverse piezoelektrische Effekt wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um.

Piezoelektrische Materialien finden sich in einer überraschenden Vielzahl von Alltagsprodukten.Die Flamme, die beim Drücken der Taste eines "Klick und Flamme"-Züchters zum Leben erweckt wird, entstand durch die Kompression piezoelektrischen Materials., was einen Funken erzeugt.

Schauen wir uns nun einige andere Produkte an, die für Designingenieure aufgrund der Notwendigkeit einer erhöhten Leistung in kleineren Geräten eine größere Herausforderung darstellen.

Mikrofone und Lautsprecher

In der Akustik werden piezoelektrische Materialien weit verbreitet.Mikrofone enthalten piezoelektrische Kristalle, die die eingehenden Schallwellen in Signale umwandeln, die dann verarbeitet werden, um einen ausgehenden verstärkten Ton zu erzeugenKleine Lautsprecher, wie die in Mobiltelefonen und anderen mobilen Geräten, werden ebenfalls von piezoelektrischen Kristallen angetrieben.

Die Herausforderung besteht darin, piezoelektrische Wandler zu entwickeln, die in einem kleinen Paket sehr hochwertigen Klang erzeugen können, ohne zu viel Batterie des Geräts zu entleeren.

Medizinische Geräte

Nicht-invasive medizinische Geräte wie Hörgeräte sind auch teilweise auf Piezoelektrik angewiesen.mit einer Breite von mehr als 20 mm,.

In der Ultraschalltechnik werden piezoelektrische Materialien elektrifiziert, um hoffrequente Schallwellen (zwischen 1,5 und 8 MHz) zu erzeugen, die in die Körpergewebe eindringen können.Piezoelektrische Kristalle wandeln die empfangene mechanische Energie in elektrische Energie um, wird es zur Umwandlung in ein Bild an die Ultraschallmaschine zurückgeschickt.

Andere medizinische Geräte wie harmonische Skalpelle verwenden piezoelektrische Materialien mit Schwingungseigenschaften, um Gewebe während der Operation zu schneiden und zu kauterisieren.Die piezoelektrischen Kristalle innerhalb des Geräts erzeugen sowohl die kinetische Energie als auch die Wärmeenergie, die zur gleichzeitigen Schneidung und Verbrennung erforderlich ist.

Ultraschall-Design-Herausforderungen konzentrieren sich auf die Notwendigkeit, die richtige Form und Materialzusammensetzung der piezoelektrischen Komponenten zu bestimmen, um die sehr genauen Frequenzen zu erzeugen, die im Ultraschall verwendet werden.im Beispiel der harmonischen SkalpelleDie Konstruktion muss die Auswirkungen der Erwärmung auf die Schwingungsreaktion der Vorrichtung berücksichtigen.

Sonar

Die breiteste und langfristigste Anwendung der piezoelektrischen Technologie findet sich vielleicht in Sonar-Anwendungen.und seine Verwendung stieg in der Zeit zwischen den beiden Weltkriegen.

Heute sind alle Sonar-basierten Systeme, einschließlich derjenigen, die vom Militär, kommerziellen Fischer und in zahlreichen anderen maritimen Anwendungen verwendet werden,Verwendung eines piezohaltigen Wandlers zur Erzeugung und Empfang von Schallwellen.

Es scheint einfach zu sein, aber die Konstruktion von Schallwandlern, die durch Wasser und nicht durch Luft Schall verbreiten, kann eine Reihe komplexer technischen Herausforderungen mit sich bringen.Diese Anwendungen erfordern häufig, dass die piezoelektrische Vorrichtung Hochleistungssignale erzeugt, um sich über große Entfernungen zu verbreiten, ohne unter erkennbare Werte abzuschwächen..

Neue Anwendungen

Eine neue Anwendung von piezoelektrischen Materialien ist die Energiegewinnungstechnologie.Sie können in allen Anwendungen erfolgreich eingesetzt werden, die Vibrationen erfordern oder erzeugen.

Bei der Energiegewinnung erzeugt die exogene Vibration eine mechanische Belastung des piezoelektrischen Materials, das in elektrische Energie umgewandelt wird.Diese piezo-erzeugte Energie kann dann verwendet werden, um andere Komponenten des Geräts oder Systems zu versorgen.

Ein Beispiel dafür sind batterieunabhängige Reifendrucküberwachungssysteme (TPMS). Bei der Drehung der Reifen eines Fahrzeugs wird mechanische Energie erzeugt.Bewahrt es auf, und sendet ein Signal an die Anzeigetafel des Fahrers.aber das zunehmende Interesse an umweltfreundlichen Batteriealternativen hat zu einem neuen Fokus auf das Energiegewinnungspotenzial piezoelektrischer Materialien geführt.

Alte Entdeckungen, moderne Herausforderungen

Obwohl piezoelektrische Materialien seit über einem Jahrhundert eingesetzt werden, stellt die aktuelle Notwendigkeit ihrer Anwendung in kleineren und komplexeren Produkten eine Herausforderung für Konstrukteure dar.Die Wahl der richtigen Materialien und die Gestaltung der richtigen Kristallform sind für die Funktionalität eines Prototyps von entscheidender Bedeutung.

Piezen haben sehr komplexe Materialeigenschaften, die stark miteinander verflochten sind, und die Materialzusammensetzung spielt eine Rolle.wenn die Form eines piezoelektrischen Kristalls nicht die richtige Resonanzfrequenz erzeugtUnd im eleganten Lockstep mit dem Beobachter-Effekt verformt die Elektrifizierung eines piezoelektrischen Kristalls seine Form und erzeugt gleichzeitig mehr Strom.

Es ist eine unglaublich komplizierte Rückkopplungsschleife, die nach einer Entwurfslösung verlangt, die die Vermutungen, die mit langwierigen Prototypenbauprozessen verbunden sind, beseitigt.

Warum Simulationen von Bedeutung sind

Die Simulation ist immer hilfreich, wenn es um Nichtlinearitäten geht. Sie verhindert, dass Designer die undankbare (und oft finanziell unmöglich) Aufgabe haben, inmitten zu vieler Unbekanntes zu bauen und zu testen.Bei der Betrachtung von elektroakustischen Wandlern, die einzigartige Kombination aus elektrischer Energie, mechanischer Energie und Akustik ist entschieden nichtlinear und von Natur aus multiphysikalisch.

Multifysikalische Simulationen können Konstrukteuren die Werkzeuge zur Verfügung stellen, um Produkte effektiver zu entwickeln, indem sie ihnen ermöglichen, ihre Gerätendesigns unter Betriebsbedingungen zu simulieren.Diese Simulationen können das gesamte Ökosystem von der Steuerung über den piezoelektrischen Wandler bis hin zur akustischen Umgebung umfassen.Die Multifysik-Simulationen berücksichtigen Faktoren wie:

• Die grundlegenden Gleichungen der mechanischen und elektrischen Reaktion
• Pollierungsrichtung der piezoelektrischen Materialeigenschaften
• Grenzbedingungen
• Strukturmechanik/Vibrationsheizung

Da piezoelektrische Geräte immer kleiner und komplexer werden, um den Anforderungen von anspruchsvollen Verbrauchern (entweder Einzelpersonen oder Industrien) gerecht zu werden, werden dieKonstrukteure müssen Werkzeuge haben, die die Vielfachephysik in ihren Produkten berechnen.. Multifysikalische Simulationswerkzeuge können für komplizierte Designprobleme Klarheit und Orientierung bieten.

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