Come comprimere i trasduttori piezoacustici nei dispositivi di contrazione

Cosa imparerai:

• L'ampia applicazione della tecnologia piezoelettrica.
• Perché la tendenza a ridurre in dimensioni i dispositivi pur mantenendo la precisione pone sfide agli ingegneri.
• Come gli strumenti software multifisici possono affrontare le sfide intrinseche della multifisica della progettazione di trasduttori acustici piezoelettrici.

L'aumento della miniaturizzazione e della raffinatezza dei prodotti elettronici, che vanno dai dispositivi multimediali di consumo agli strumenti di diagnostica medica alle applicazioni di sonar legate alla difesa,Il progetto presenta una ricchezza di utilità e facilità per i consumatori e una sfida continua per gli ingegneri di progettazioneQuesti prodotti apparentemente disparati (altoparlanti per dispositivi audio/mobili, alcuni dispositivi medici non invasivi,e array sonar) condividono in comune una dipendenza da trasduttori piezoelettrici per generare e ricevere segnali acustici.

I materiali piezoelettrici sono stati valutati dalla prima metà del XX secolo per la loro capacità di convertire l'energia meccanica in energia elettrica e viceversa.La tecnologia del XXI secolo richiede che questi stessi materiali producano più suoni o frequenze più precise in confezioni sempre più piccole., il tutto utilizzando la minor energia possibile.

La sfida della progettazione di dispositivi piezoelettrici è intrinsecamente multifisico in natura a causa della confluenza di elettricità, vibrazione e acustica.I progettisti devono avere strumenti in grado di calcolare la fisica multipla nei loro prodotti..

Visualizzazione dei materiali piezoelettrici

I materiali piezoelettrici sono materiali che possono produrre elettricità a causa di sollecitazioni meccaniche, come la compressione.Materiali piezoceramici tipici, siano essi di ceramica o di cristallo non conduttiva, sono collocati tra due piastre metalliche.

Per generare piezoelettricità, il materiale deve essere compresso o spremuto. Lo stress meccanico applicato al materiale ceramico piezoelettrico genera elettricità.che viene indicato come effetto piezoelettrico inversoL'effetto piezoelettrico inverso converte l'energia elettrica in energia meccanica.

I materiali piezoelettrici si trovano in una sorprendente varietà di prodotti di uso quotidiano.La fiamma che prende vita quando si preme il pulsante di un accendino è stata creata dalla compressione di materiale piezoelettrico, che produce una scintilla.

Ora, diamo un'occhiata ad altri prodotti che rappresentano una sfida maggiore per gli ingegneri di progettazione a causa della necessità di una maggiore produzione all'interno di dispositivi più piccoli.

Microfoni e altoparlanti

I materiali piezoelettrici sono ampiamente utilizzati in acustica.I microfoni contengono cristalli piezoelettrici che convertono le onde sonore in arrivo in segnali che vengono poi elaborati per creare un suono amplificato in uscitaAnche i piccoli altoparlanti, come quelli presenti nei telefoni cellulari e in altri dispositivi mobili, sono azionati da cristalli piezoelettrici.

La sfida qui è quella di progettare trasduttori piezoelettrici in grado di produrre suoni di altissima qualità in un piccolo pacchetto, e senza svuotare troppo la batteria del dispositivo.

Dispositivi medici

Anche i dispositivi medici non invasivi, come gli apparecchi acustici, si basano per una parte del loro funzionamento sulla piezoelettrica.che è una delle principali applicazioni di materiali piezoelettrici.

In ultrasuoni, i materiali piezoelettrici vengono elettrificati per creare onde sonore ad alta frequenza (tra 1,5 e 8 MHz) in grado di penetrare i tessuti corporei.cristalli piezoelettrici convertono l'energia meccanica ricevuta in energia elettrica, inviandolo di nuovo alla macchina ad ultrasuoni per la conversione in immagine.

Altri dispositivi medici come gli scalpelli armonici utilizzano materiali piezoelettrici con proprietà vibrazionali per tagliare e cauterizzare i tessuti durante l'intervento chirurgico.I cristalli piezoelettrici all'interno del dispositivo generano sia l'energia cinetica che l'energia termica necessaria per tagliare e cauterizzare contemporaneamente.

Le sfide di progettazione degli ultrasuoni si concentrano sulla necessità di determinare la forma corretta e la composizione materiale dei componenti piezoelettrici per creare le frequenze molto precise utilizzate negli ultrasuoni.nell'esempio dei bisturi armonici, il progetto deve tener conto degli effetti del riscaldamento sulla risposta vibrazionale del dispositivo.

Sonar

Durante la prima guerra mondiale, il sonar fu la prima applicazione commerciale della piezoelettricità, e fu utilizzato per la prima volta nel 1950 per la prima volta nel mondo.e il suo uso è salito alle stelle tra le due guerre mondiali.

Oggi, tutti i sistemi basati sul sonar, inclusi quelli utilizzati dai militari, dai pescatori commerciali e in numerose altre applicazioni marine,utilizzare un trasduttore contenente piezo per generare e ricevere onde sonore.

Sembra semplice, ma progettare trasduttori per la propagazione del suono attraverso l'acqua anziché l'aria può presentare una serie di complesse sfide ingegneristiche.Queste applicazioni richiedono spesso che il dispositivo piezoelettrico generi segnali ad alta potenza per propagarsi su lunghe distanze senza attenuarsi al di sotto dei livelli rilevabili.

Nuovi usi

Una nuova applicazione dei materiali piezoelettrici è la tecnologia di raccolta di energia.possono essere utilizzati con successo in qualsiasi applicazione che richieda o produca vibrazioni.

Nella raccolta di energia, la vibrazione esogena produce una tensione meccanica sul materiale piezoelettrico che viene convertita in energia elettrica.Questa energia piezo-creata può poi essere utilizzata per alimentare altri componenti del dispositivo o sistema.

I sistemi di monitoraggio della pressione dei pneumatici indipendenti dalle batterie (TPMS) rappresentano un esempio di questo tipo.lo conserva, e invia un segnale al display del conducente.Ma l'interesse crescente per le alternative di batterie rispettose dell'ambiente ha portato a un nuovo focus sul potenziale di raccolta di energia dei materiali piezoelettrici.

Antiche scoperte, sfide moderne

Sebbene i materiali piezoelettrici siano stati utilizzati per oltre un secolo, l'attuale necessità della loro applicazione in prodotti più piccoli e complessi presenta una sfida per gli ingegneri di progettazione.Scegliere i materiali giusti e progettare la forma del cristallo corretta sono di fondamentale importanza per la funzionalità di un prototipo.

I piezo hanno proprietà materiali molto complesse che sono fortemente intrecciate, e la composizione del materiale è importante.se la forma di un cristallo piezoelettrico non produce la frequenza di risonanza correttaE, in un elegante passo di chiusura con l'effetto osservatore, la stessa elettrificazione di un cristallo piezoelettrico deforma la sua forma producendo al contempo più elettricità.

È un ciclo di feedback incredibilmente complicato che chiede una soluzione di progettazione che elimini le congetture coinvolte nei lunghi processi di costruzione e test dei prototipi.

Perché la simulazione è importante

La simulazione è sempre utile quando si tratta di non linearità. impedisce ai progettisti di svolgere il compito ingrato (e spesso inefficace dal punto di vista del budget) di costruire e testare in mezzo a troppe incognite.Quando si considerano trasduttori elettroacoustici, la combinazione unica di energia elettrica, energia meccanica e acustica è decisamente non lineare e intrinsecamente multifisica in natura.

La simulazione multifisica può fornire agli ingegneri di progettazione gli strumenti per sviluppare prodotti in modo più efficace, consentendo loro di simulare i loro progetti di dispositivi in condizioni di funzionamento.Queste simulazioni possono includere l'intero ecosistema dal circuito di controllo al trasduttore piezoelettrico fino all'ambiente acustico circostanteLe simulazioni di multifisica terranno conto di fattori quali:

• Le equazioni costitutive della risposta meccanica ed elettrica
• Direzione di lucidatura delle proprietà piezoelettriche del materiale
• Condizioni limite
• Meccanica strutturale/riscaldamento vibrazionale

Poiché i dispositivi piezoelettrici diventano sempre più piccoli e complessi per soddisfare le esigenze dei consumatori più sofisticati (sia individui che industrie),Gli ingegneri di progettazione devono avere strumenti che calcolano la fisica multipla nei loro prodottiGli strumenti di simulazione multifisica possono fornire chiarezza e direzione alle complesse sfide di progettazione.

Potete saperne di più sulla tecnologia piezoelettrica guardandoProgettazione di trasduttori piezoelettrici acustici con simulazioniwebinar.