วิธีบีบอัดตัวแปลงสัญญาณอะคูสติก Piezo ลงในอุปกรณ์ที่เล็กลง

สิ่งที่คุณจะได้เรียนรู้:

• การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี piezoelectric อย่างกว้างขวาง
• เหตุใดแนวโน้มในการย่อขนาดอุปกรณ์ในขณะที่ยังคงความแม่นยำจึงนำเสนอความท้าทายสำหรับวิศวกรออกแบบ
• ซอฟต์แวร์เครื่องมือแบบหลายฟิสิกส์สามารถแก้ไขความท้าทายแบบหลายฟิสิกส์โดยธรรมชาติในการออกแบบตัวแปลงสัญญาณอะคูสติก piezoelectric ได้อย่างไร

การย่อขนาดและความซับซ้อนที่เพิ่มขึ้นของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ตั้งแต่อุปกรณ์สื่อสำหรับผู้บริโภคไปจนถึงเครื่องมือวินิจฉัยทางการแพทย์ ไปจนถึงการใช้งานโซนาร์ที่เกี่ยวข้องกับการป้องกันประเทศ นำเสนอประโยชน์ใช้สอยและความสะดวกสบายมากมายสำหรับผู้บริโภค และความท้าทายอย่างต่อเนื่องสำหรับวิศวกรออกแบบ ผลิตภัณฑ์ที่ดูเหมือนแตกต่างกันเหล่านี้ (ลำโพงอุปกรณ์เสียง/มือถือ อุปกรณ์ทางการแพทย์บางชนิดที่ไม่รุกราน และอาร์เรย์โซนาร์) มีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกันคือการพึ่งพาตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric เพื่อสร้างและรับสัญญาณเสียง

วัสดุ Piezoelectric ได้รับการประเมินค่าตั้งแต่ช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 สำหรับความสามารถในการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าและในทางกลับกัน อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีในศตวรรษที่ 21 กำหนดให้วัสดุเดียวกันเหล่านี้ผลิตเสียงมากขึ้นหรือความถี่ที่แม่นยำยิ่งขึ้นภายในแพ็คเกจที่เล็กลงเรื่อยๆ ทั้งหมดนี้ในขณะที่ใช้พลังงานให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

ความท้าทายในการออกแบบอุปกรณ์ที่มี piezoelectric นั้นเป็นแบบหลายฟิสิกส์โดยธรรมชาติเนื่องจากการบรรจบกันของไฟฟ้า การสั่นสะเทือน และเสียง ดังนั้น นักออกแบบต้องมีเครื่องมือที่สามารถคำนวณฟิสิกส์หลายรายการภายในผลิตภัณฑ์ของตนได้

ภาพรวมวัสดุ Piezoelectric

วัสดุ Piezoelectric เป็นวัสดุที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้เนื่องจากความเครียดทางกล เช่น การบีบอัด วัสดุเหล่านี้ยังสามารถเสียรูปเมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า (ไฟฟ้า) วัสดุ piezoceramic ทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นเซรามิกที่ไม่นำไฟฟ้าหรือคริสตัล จะถูกวางระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่น

ในการสร้าง piezoelectricity วัสดุจะต้องถูกบีบอัดหรือบีบ ความเครียดทางกลที่ใช้กับวัสดุเซรามิก piezoelectric จะสร้างไฟฟ้า สามารถย้อนกลับผลกระทบ piezoelectric ได้ ซึ่งเรียกว่าผลกระทบ piezoelectric ผกผัน สิ่งนี้สร้างขึ้นโดยการใช้แรงดันไฟฟ้าเพื่อให้คริสตัล piezoelectric หดตัวหรือขยายตัว ผลกระทบ piezoelectric ผกผันจะแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล

วัสดุ Piezoelectric พบได้ในผลิตภัณฑ์ในชีวิตประจำวันที่น่าประหลาดใจ เปลวไฟที่พุ่งขึ้นมาเมื่อคุณกดปุ่มไฟแช็กแบบ “คลิกแล้วมีเปลวไฟ” ได้รับความช่วยเหลือในการดำรงอยู่โดยการบีบอัดวัสดุ piezoelectric ซึ่งทำให้เกิดประกายไฟ

ตอนนี้ มาดูผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่นำเสนอความท้าทายมากขึ้นสำหรับวิศวกรออกแบบ เนื่องจากความต้องการเอาต์พุตที่เพิ่มขึ้นภายในอุปกรณ์ขนาดเล็ก

ไมโครโฟนและลำโพง

วัสดุ Piezoelectric ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในด้านเสียง ไมโครโฟนมีคริสตัล piezoelectric ที่แปลงคลื่นเสียงที่เข้ามาเป็นสัญญาณ ซึ่งจะถูกประมวลผลเพื่อสร้างเสียงที่ขยายออกไป ลำโพงขนาดเล็ก เช่น ลำโพงภายในโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์พกพาอื่นๆ ก็ขับเคลื่อนด้วยคริสตัล piezoelectric แบตเตอรี่ของอุปกรณ์จะสั่นคริสตัลด้วยความถี่ที่สร้างเสียง

ความท้าทายในที่นี้คือการออกแบบตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric ที่สามารถสร้างเสียงคุณภาพสูงมากภายในแพ็คเกจขนาดเล็ก และโดยไม่ทำให้แบตเตอรี่ของอุปกรณ์หมดเร็วเกินไป

อุปกรณ์ทางการแพทย์

อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ไม่รุกราน เช่น เครื่องช่วยฟัง ยังพึ่งพา piezoelectric สำหรับการทำงานบางส่วน เทคโนโลยีอัลตราซาวนด์ก็เช่นกัน ซึ่งเป็นการประยุกต์ใช้หลักของวัสดุ piezoelectric

ในด้านอัลตราโซนิก วัสดุ piezoelectric จะถูกทำให้เป็นไฟฟ้าเพื่อสร้างคลื่นเสียงความถี่สูง (ระหว่าง 1.5 ถึง 8 MHz) ซึ่งสามารถเจาะเนื้อเยื่อในร่างกายได้ เมื่อคลื่นสะท้อนกลับ คริสตัล piezoelectric จะแปลงพลังงานกลที่ได้รับเป็นพลังงานไฟฟ้า ส่งกลับไปยังเครื่องอัลตราซาวนด์เพื่อแปลงเป็นภาพ

อุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ เช่น มีดผ่าตัดแบบฮาร์มอนิก ใช้คุณสมบัติการสั่นสะเทือนของวัสดุ piezoelectric เพื่อตัดและจี้เนื้อเยื่อระหว่างการผ่าตัด คริสตัล piezoelectric ภายในอุปกรณ์สร้างทั้งพลังงานจลน์และพลังงานความร้อนที่จำเป็นในการตัดและจี้พร้อมกัน

ความท้าทายในการออกแบบอัลตราโซนิกเน้นที่ความจำเป็นในการกำหนดรูปร่างและการจัดองค์ประกอบวัสดุที่ถูกต้องของส่วนประกอบ piezoelectric เพื่อสร้างความถี่ที่แม่นยำมากที่ใช้ในอัลตราซาวนด์ และในตัวอย่างของมีดผ่าตัดแบบฮาร์มอนิก การออกแบบจะต้องคำนึงถึงผลกระทบของความร้อนต่อการตอบสนองการสั่นสะเทือนของอุปกรณ์

โซนาร์

บางทีการใช้เทคโนโลยี piezoelectric ที่กว้างที่สุดและยาวนานที่สุดสามารถพบได้ภายในแอปพลิเคชันโซนาร์ ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 โซนาร์เป็นแอปพลิเคชันเชิงพาณิชย์แรกของ piezoelectricity และการใช้งานเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงระหว่างสงครามโลกทั้งสอง

ปัจจุบัน ระบบที่ใช้โซนาร์ทั้งหมด รวมถึงระบบที่ใช้โดยกองทัพ ชาวประมงเชิงพาณิชย์ และในการใช้งานทางทะเลอื่นๆ อีกมากมาย ใช้ตัวแปลงสัญญาณที่มี piezoelectric เพื่อสร้างและรับคลื่นเสียง

ดูเหมือนง่าย แต่การออกแบบตัวแปลงสัญญาณสำหรับการแพร่กระจายเสียงผ่านน้ำแทนที่จะเป็นอากาศสามารถนำเสนอความท้าทายทางวิศวกรรมที่ซับซ้อนได้ แอปพลิเคชันเหล่านี้มักต้องการให้อุปกรณ์ piezoelectric สร้างสัญญาณกำลังสูงเพื่อเผยแพร่ในระยะทางไกลโดยไม่ลดทอนต่ำกว่าระดับที่ตรวจจับได้

การใช้งานใหม่

แอปพลิเคชันที่เกิดขึ้นใหม่ของวัสดุ piezoelectric อยู่ภายในเทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวพลังงาน เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุ piezo จึงสามารถนำไปใช้ได้สำเร็จในทุกแอปพลิเคชันที่ต้องการหรือสร้างการสั่นสะเทือน

ในการเก็บเกี่ยวพลังงาน การสั่นสะเทือนภายนอกจะสร้างความเครียดทางกลให้กับวัสดุ piezoelectric ซึ่งจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานที่สร้างขึ้นจาก piezo นั้นสามารถนำไปใช้ในการจ่ายไฟให้กับส่วนประกอบอื่นๆ ของอุปกรณ์หรือระบบได้

ระบบตรวจสอบแรงดันลมยางที่ไม่ขึ้นกับแบตเตอรี่ (TPMS) เป็นตัวอย่างหนึ่ง เมื่อยางรถหมุน พลังงานกลจะถูกสร้างขึ้น เซ็นเซอร์ที่มี piezo จะเก็บเกี่ยวพลังงานนั้น จัดเก็บ และส่งสัญญาณไปยังแผงแสดงผลของผู้ขับขี่ TPMS ได้รับพลังงานจากแบตเตอรี่ในอดีต แต่ความสนใจที่เพิ่มขึ้นในทางเลือกแบตเตอรี่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้นำไปสู่การมุ่งเน้นใหม่เกี่ยวกับศักยภาพในการเก็บเกี่ยวพลังงานของวัสดุ piezoelectric

การค้นพบเก่า ความท้าทายสมัยใหม่

แม้ว่าวัสดุ piezoelectric จะถูกนำมาใช้มานานกว่าหนึ่งศตวรรษ ความต้องการในปัจจุบันสำหรับการใช้งานภายในผลิตภัณฑ์ที่เล็กกว่าและซับซ้อนกว่านั้นนำเสนอความท้าทายสำหรับวิศวกรออกแบบ การเลือกวัสดุที่ถูกต้องและการออกแบบรูปร่างคริสตัลที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานของต้นแบบ

Piezos มีคุณสมบัติของวัสดุที่ซับซ้อนมากซึ่งมีความเกี่ยวพันกันอย่างมาก และองค์ประกอบของวัสดุมีความสำคัญ ในทำนองเดียวกัน หากรูปร่างของคริสตัล piezoelectric ไม่ได้สร้างความถี่เรโซแนนซ์ที่ถูกต้อง อุปกรณ์จะไม่ทำงาน และในการล็อคขั้นตอนที่สง่างามด้วย “ผลกระทบของผู้สังเกตการณ์” การทำให้คริสตัล piezoelectric เป็นไฟฟ้าจะทำให้รูปร่างของมันเสียรูปทรงในขณะที่สร้างไฟฟ้ามากขึ้น

เป็นวงจรป้อนกลับที่ซับซ้อนอย่างเหลือเชื่อที่เรียกร้องให้มีการออกแบบโซลูชันที่ขจัดความยุ่งยากในการสร้างและทดสอบกระบวนการต้นแบบที่ยาวนาน

เหตุใดการจำลองจึงมีความสำคัญ

การจำลองมีประโยชน์เสมอเมื่อจัดการกับความไม่เป็นเชิงเส้น ช่วยป้องกันไม่ให้นักออกแบบต้องทำงานที่ไม่น่าขอบคุณ (และมักจะไม่สามารถทำได้ตามงบประมาณ) ในการสร้างและทดสอบท่ามกลางสิ่งที่ไม่รู้มากมาย เมื่อพิจารณาถึงตัวแปลงสัญญาณไฟฟ้าอะคูสติก การรวมกันที่เป็นเอกลักษณ์ของพลังงานไฟฟ้า พลังงานกล และเสียงนั้นมีความไม่เป็นเชิงเส้นอย่างแน่นอน และเป็นแบบหลายฟิสิกส์โดยธรรมชาติ

การจำลองแบบหลายฟิสิกส์สามารถให้เครื่องมือแก่วิศวกรออกแบบเพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยทำให้พวกเขาสามารถจำลองการออกแบบอุปกรณ์ภายในสภาวะการทำงานได้ นอกจากนี้ การจำลองเหล่านี้อาจรวมถึงระบบนิเวศทั้งหมดตั้งแต่วงจรควบคุมไปจนถึงตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric ไปจนถึงสภาพแวดล้อมอะคูสติกโดยรอบ การจำลองแบบหลายฟิสิกส์จะคำนึงถึงปัจจัยต่างๆ เช่น:

• สมการองค์ประกอบของการตอบสนองทางกลและไฟฟ้า
• ทิศทางการขั้วของคุณสมบัติวัสดุ piezoelectric
• เงื่อนไขขอบเขต
• กลศาสตร์โครงสร้าง/ความร้อนจากการสั่นสะเทือน

เนื่องจากอุปกรณ์ที่ขึ้นอยู่กับ piezoelectric มีขนาดเล็กลงและซับซ้อนมากขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของผู้บริโภคที่ซับซ้อน (ไม่ว่าจะเป็นบุคคลหรืออุตสาหกรรม) วิศวกรออกแบบต้องมีเครื่องมือที่คำนวณฟิสิกส์หลายรายการภายในผลิตภัณฑ์ของตน เครื่องมือจำลองแบบหลายฟิสิกส์สามารถให้ความชัดเจนและทิศทางแก่ความท้าทายในการออกแบบที่ซับซ้อน

คุณสามารถค้นหาข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนโลยี piezoelectric ได้โดยการดู การออกแบบตัวแปลงสัญญาณอะคูสติก Piezoelectric ด้วยการจำลอง การสัมมนาผ่านเว็บ