วิธีการบีบเครื่องแปลงสัญญาณเสียง Piezo Acoustic ลงในอุปกรณ์หดตัว

สิ่งที่คุณจะได้เรียนรู้:

• การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเพียโซอิเล็กทริกอย่างกว้างขวาง
• เหตุใดแนวโน้มในการลดขนาดอุปกรณ์โดยที่ยังคงความแม่นยำไว้จึงทำให้เกิดความท้าทายสำหรับวิศวกรออกแบบ
• เครื่องมือซอฟต์แวร์ multiphysics สามารถจัดการกับความท้าทาย multiphysics โดยธรรมชาติของการออกแบบทรานสดิวเซอร์อะคูสติกแบบเพียโซอิเล็กทริกได้อย่างไร

การย่อขนาดและความซับซ้อนของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้น ตั้งแต่อุปกรณ์สื่อสำหรับผู้บริโภคไปจนถึงเครื่องมือวินิจฉัยทางการแพทย์ ไปจนถึงแอปพลิเคชันโซนาร์ที่เกี่ยวข้องกับการป้องกัน นำเสนอประโยชน์ใช้สอยและความง่ายสำหรับผู้บริโภค และเป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่องสำหรับวิศวกรออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ดูเหมือนแตกต่างกันเหล่านี้ (ลำโพงอุปกรณ์เสียง/อุปกรณ์เคลื่อนที่ อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ไม่รุกราน และโซนาร์อาร์เรย์) มีส่วนแบ่งในการพึ่งพาทรานสดิวเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกในการสร้างและรับสัญญาณอะคูสติก

วัสดุ Piezoelectric มีคุณค่าตั้งแต่ช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 สำหรับความสามารถในการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าและในทางกลับกันอย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีแห่งศตวรรษที่ 21 ต้องการให้วัสดุชนิดเดียวกันนี้ให้เสียงที่มากกว่าหรือความถี่ที่แม่นยำยิ่งขึ้นภายในแพ็คเกจที่เล็กกว่าและเล็กกว่า โดยใช้พลังงานน้อยที่สุด

ความท้าทายในการออกแบบอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยเพียโซอิเล็กทริกนั้นเป็นลักษณะพหุฟิสิกส์โดยเนื้อแท้เนื่องจากการบรรจบกันของไฟฟ้า การสั่นสะเทือน และเสียงดังนั้นนักออกแบบต้องมีเครื่องมือที่สามารถคำนวณฟิสิกส์หลายตัวภายในผลิตภัณฑ์ของตนได้

ภาพรวมวัสดุเพียโซอิเล็กทริก

วัสดุเพียโซอิเล็กทริกเป็นวัสดุที่สามารถผลิตไฟฟ้าได้เนื่องจากความเค้นทางกล เช่น แรงอัดวัสดุเหล่านี้ยังสามารถทำให้เสียรูปได้เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า (ไฟฟ้า)วัสดุ piezoceramic ทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นเซรามิกที่ไม่นำไฟฟ้าหรือคริสตัล จะวางอยู่ระหว่างแผ่นโลหะสองแผ่น

ในการผลิตเพียโซอิเล็กทริก วัสดุจะต้องถูกบีบอัดหรือบีบความเค้นทางกลที่ใช้กับวัสดุเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเพียโซอิเล็กทริกเอฟเฟกต์สามารถย้อนกลับได้ ซึ่งเรียกว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผันสิ่งนี้ถูกสร้างขึ้นโดยการใช้แรงดันไฟฟ้าเพื่อทำให้คริสตัลเพียโซอิเล็กทริกหดตัวหรือขยายตัวผลกระทบเพียโซอิเล็กทริกผกผันแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล

วัสดุเพียโซอิเล็กทริกพบได้ในผลิตภัณฑ์ประจำวันที่น่าประหลาดใจมากมายเปลวไฟที่ลุกโชติช่วงเมื่อคุณกดปุ่มไฟแช็ค "คลิกและเปลวไฟ" นั้นได้รับความช่วยเหลือจากการบีบอัดวัสดุเพียโซอิเล็กทริกซึ่งทำให้เกิดประกายไฟ

ตอนนี้ มาดูผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่นำเสนอความท้าทายมากขึ้นสำหรับวิศวกรออกแบบ เนื่องจากความต้องการผลผลิตที่เพิ่มขึ้นภายในอุปกรณ์ขนาดเล็ก

ไมค์และลำโพง

วัสดุเพียโซอิเล็กทริกถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในด้านเสียงไมโครโฟนประกอบด้วยคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกที่แปลงคลื่นเสียงที่เข้ามาเป็นสัญญาณที่จะถูกประมวลผลเพื่อสร้างเสียงที่ขยายออกไปลำโพงขนาดเล็ก เช่น ลำโพงในโทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์เคลื่อนที่อื่นๆ ก็ถูกขับเคลื่อนด้วยคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกด้วยเช่นกันแบตเตอรี่ของอุปกรณ์สั่นคริสตัลด้วยความถี่ที่สร้างเสียง

ความท้าทายอยู่ที่การออกแบบทรานสดิวเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกที่สามารถผลิตเสียงคุณภาพสูงได้ภายในบรรจุภัณฑ์ขนาดเล็ก และไม่เปลืองแบตเตอรี่ของอุปกรณ์มากเกินไป

อุปกรณ์ทางการแพทย์

อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ไม่รุกราน เช่น เครื่องช่วยฟัง ยังพึ่งพาเพียโซอิเล็กทริกสำหรับส่วนหนึ่งของการผ่าตัดเทคโนโลยีอัลตราซาวนด์ก็เช่นกัน ซึ่งเป็นการใช้งานที่สำคัญของวัสดุเพียโซอิเล็กทริก

ในอัลตราโซนิกส์ วัสดุเพียโซอิเล็กทริกจะถูกจ่ายไฟเพื่อสร้างคลื่นเสียงความถี่สูง (ระหว่าง 1.5 ถึง 8 MHz) ซึ่งสามารถเจาะเนื้อเยื่อของร่างกายได้เมื่อคลื่นสะท้อนกลับ ผลึกเพียโซอิเล็กทริกจะเปลี่ยนพลังงานกลที่ได้รับไปเป็นพลังงานไฟฟ้า แล้วส่งกลับไปยังเครื่องอัลตราซาวนด์เพื่อแปลงเป็นภาพ

อุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ เช่น มีดผ่าตัดฮาร์โมนิก ใช้คุณสมบัติการสั่นของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกเพื่อตัดและกัดกร่อนเนื้อเยื่อระหว่างการผ่าตัดผลึกเพียโซอิเล็กทริกภายในอุปกรณ์สร้างทั้งพลังงานจลน์และพลังงานความร้อนที่จำเป็นในการตัดและกัดกร่อนไปพร้อม ๆ กัน

ความท้าทายในการออกแบบอัลตราโซนิกมุ่งเน้นไปที่ความจำเป็นในการกำหนดรูปร่างและองค์ประกอบวัสดุที่ถูกต้องของส่วนประกอบเพียโซอิเล็กทริกเพื่อสร้างความถี่ที่แม่นยำมากที่ใช้ในอัลตราซาวนด์และในตัวอย่างของมีดผ่าตัดแบบฮาร์มอนิก การออกแบบต้องคำนึงถึงผลกระทบของความร้อนต่อการตอบสนองการสั่นของอุปกรณ์

โซนาร์

บางทีการใช้เทคโนโลยีเพียโซอิเล็กทริกที่กว้างที่สุดและยาวนานที่สุดอาจพบได้ในแอพพลิเคชั่นโซนาร์ในช่วงสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง โซนาร์เป็นแอปพลิเคชั่นเชิงพาณิชย์ครั้งแรกของ piezoelectricity และการใช้งานก็พุ่งสูงขึ้นในช่วงระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง

ทุกวันนี้ ระบบที่ใช้โซนาร์ทั้งหมด รวมทั้งระบบที่ใช้โดยทหาร ชาวประมงเชิงพาณิชย์ และในการใช้งานทางทะเลอื่นๆ อีกมาก ใช้ทรานสดิวเซอร์ที่ประกอบด้วยเพียโซเพื่อสร้างและรับคลื่นเสียง

ดูเหมือนง่าย แต่การออกแบบทรานสดิวเซอร์สำหรับการแพร่กระจายของเสียงผ่านน้ำมากกว่าอากาศสามารถนำเสนอความท้าทายทางวิศวกรรมที่ซับซ้อนของตัวเองได้แอปพลิเคชันเหล่านี้มักต้องการอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริกเพื่อสร้างสัญญาณกำลังสูงเพื่อเผยแพร่ในระยะทางไกลโดยไม่ลดทอนต่ำกว่าระดับที่ตรวจจับได้

การใช้งานใหม่

การประยุกต์ใช้วัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่เกิดขึ้นใหม่นั้นอยู่ในเทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวพลังงานเนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะของวัสดุเพียโซ จึงสามารถนำไปใช้งานที่ต้องการหรือทำให้เกิดการสั่นสะเทือนได้สำเร็จ

ในการเก็บเกี่ยวพลังงาน การสั่นสะเทือนจากภายนอกทำให้เกิดความเครียดทางกลกับวัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่แปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าพลังงานที่สร้างแบบเพียโซนั้นสามารถนำมาใช้เป็นพลังงานให้กับส่วนประกอบอื่นๆ ของอุปกรณ์หรือระบบได้

ระบบตรวจสอบแรงดันลมยางแบบไม่ใช้แบตเตอรี่ (TPMS) เป็นตัวอย่างหนึ่งดังกล่าวเมื่อยางรถยนต์หมุน พลังงานกลก็ถูกผลิตขึ้นเซ็นเซอร์ที่ประกอบด้วยพายโซจะเก็บเกี่ยวพลังงาน จัดเก็บ และส่งสัญญาณไปยังแผงแสดงผลของคนขับTPMS นั้นเคยใช้พลังงานจากแบตเตอรี่มาก่อน แต่ความสนใจที่เพิ่มขึ้นในทางเลือกแบตเตอรี่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้นำไปสู่การมุ่งเน้นใหม่ไปที่ศักยภาพการเก็บเกี่ยวพลังงานของวัสดุเพียโซอิเล็กทริก

การค้นพบเก่า ความท้าทายสมัยใหม่

แม้ว่าวัสดุเพียโซอิเล็กทริกจะถูกนำมาใช้มานานกว่าศตวรรษแล้ว แต่ความต้องการในปัจจุบันสำหรับการใช้งานภายในผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดเล็กและซับซ้อนกว่านั้นถือเป็นความท้าทายสำหรับวิศวกรออกแบบการเลือกวัสดุที่ถูกต้องและการออกแบบรูปทรงคริสตัลที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานของต้นแบบ

Piezos มีคุณสมบัติของวัสดุที่ซับซ้อนมากซึ่งมีความเกี่ยวพันกันอย่างมาก และองค์ประกอบของวัสดุก็มีความสำคัญในทำนองเดียวกัน หากรูปร่างของผลึกเพียโซอิเล็กทริกไม่ได้สร้างความถี่เรโซแนนซ์ที่ถูกต้อง อุปกรณ์จะไม่ทำงานและในขั้นตอนล็อคอันหรูหราด้วย "เอฟเฟกต์สังเกตการณ์" การเกิดกระแสไฟฟ้าของคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกจะทำให้รูปร่างเสียโฉมในขณะที่ยังผลิตกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น

เป็นลูปป้อนกลับที่ซับซ้อนอย่างเหลือเชื่อซึ่งร้องขอโซลูชันการออกแบบที่ขจัดการคาดเดาที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสร้างต้นแบบการทดสอบการสร้างที่ใช้เวลานาน

เหตุใดการจำลองจึงสำคัญ

การจำลองมีประโยชน์เสมอเมื่อต้องรับมือกับความไม่เชิงเส้นมันป้องกันนักออกแบบจากงานสร้างและทดสอบที่ไร้ค่า (และมักจะทำไม่ได้ตามงบประมาณ) ท่ามกลางสิ่งที่ไม่รู้มากเกินไปเมื่อพิจารณาถึงทรานสดิวเซอร์ไฟฟ้า การผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของพลังงานไฟฟ้า พลังงานกล และเสียงจะไม่เป็นเชิงเส้นอย่างแน่นอน และมีลักษณะหลายฟิสิกส์โดยเนื้อแท้

การจำลองแบบ Multiphysics ช่วยให้วิศวกรออกแบบมีเครื่องมือในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยทำให้สามารถจำลองการออกแบบอุปกรณ์ภายในสภาวะการทำงานได้นอกจากนี้ การจำลองเหล่านี้อาจรวมถึงระบบนิเวศทั้งหมดตั้งแต่วงจรควบคุมไปจนถึงทรานสดิวเซอร์เพียโซอิเล็กทริก ไปจนถึงสภาพแวดล้อมทางเสียงโดยรอบการจำลองแบบพหุฟิสิกส์จะพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น:

• สมการองค์ประกอบของการตอบสนองทางกลและทางไฟฟ้า
• ทิศทางเสาของคุณสมบัติของวัสดุเพียโซอิเล็กทริก
• เงื่อนไขขอบเขต
• กลศาสตร์โครงสร้าง/การให้ความร้อนแบบสั่นสะเทือน

เนื่องจากอุปกรณ์ที่ใช้เพียโซอิเล็กทริกมีขนาดเล็กลงและซับซ้อนมากขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของผู้บริโภคที่มีความซับซ้อน (ไม่ว่าจะเป็นบุคคลหรืออุตสาหกรรม) วิศวกรออกแบบจะต้องมีเครื่องมือที่คำนวณฟิสิกส์หลายตัวภายในผลิตภัณฑ์ของตนเครื่องมือการจำลองแบบพหุฟิสิกส์สามารถให้ความชัดเจนและทิศทางต่อความท้าทายในการออกแบบที่ซับซ้อน

คุณสามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนโลยีเพียโซอิเล็กทริกได้โดยดูที่การออกแบบทรานสดิวเซอร์อะคูสติกแบบเพียโซอิเล็กทริกด้วยการจำลองการสัมมนาผ่านเว็บ