Cara Memperset Transduser Piezo Akustik ke Perangkat Penyusut

Apa yang akan Anda pelajari:

• Penerapan teknologi piezoelektrik yang luas.
• Mengapa kecenderungan untuk memperkecil perangkat sambil mempertahankan presisi menimbulkan tantangan bagi insinyur desain.
• Bagaimana alat perangkat lunak multifisika dapat mengatasi tantangan multifisika yang melekat dalam merancang transduser akustik piezoelektrik.

Meningkatnya miniaturisasi dan kecanggihan produk elektronik, mulai dari perangkat media konsumen hingga alat diagnostik medis hingga aplikasi sonar yang terkait dengan pertahanan,memberikan manfaat dan kemudahan bagi konsumen dan tantangan yang berkelanjutan bagi insinyur desainProduk-produk yang tampaknya berbeda ini (pembesar suara perangkat audio/mobile, perangkat medis non-invasif tertentu,dan array sonar) berbagi kesamaan ketergantungan pada transduser piezoelektrik untuk menghasilkan dan menerima sinyal akustik.

Bahan piezoelektrik telah dihargai sejak paruh pertama abad ke-20 karena kemampuan mereka untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dan sebaliknya.Teknologi abad ke-21 menuntut bahwa bahan yang sama menghasilkan lebih banyak suara atau frekuensi yang lebih tepat dalam paket yang lebih kecil dan lebih kecil, semua dengan menggunakan energi sesedikit mungkin.

Tantangan merancang perangkat yang mengandung piezoelektrik secara inheren multifisika di alam karena pertemuan listrik, getaran, dan akustik.desainer harus memiliki alat yang dapat menghitung fisika ganda dalam produk mereka.

Gambaran Umum Materi Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik adalah bahan yang dapat menghasilkan listrik karena tekanan mekanik, seperti kompresi.Bahan piezokeramik khas, baik keramik tidak konduktif atau kristal, ditempatkan di antara dua pelat logam.

Untuk menghasilkan piezoelektrik, bahan harus dikompresi atau diperas. tegangan mekanik yang diterapkan pada bahan keramik piezoelektrik menghasilkan listrik. efek piezoelektrik dapat dibalikkan,yang disebut sebagai efek piezoelektrik terbalikIni diciptakan dengan menerapkan tegangan listrik untuk membuat kristal piezoelektrik menyusut atau berkembang.

Bahan piezoelektrik ditemukan dalam berbagai produk sehari-hari yang mengejutkan.Api yang hidup ketika Anda menekan tombol "klik dan api" pencahayaan telah membantu keberadaan oleh kompresi bahan piezoelektrik, yang menghasilkan percikan.

Sekarang, mari kita lihat beberapa produk lain yang lebih menantang bagi insinyur desain karena kebutuhan untuk peningkatan output dalam perangkat yang lebih kecil.

Mikrofon dan Speaker

Bahan piezoelektrik banyak digunakan dalam akustik.Mikrofon mengandung kristal piezoelektrik yang mengubah gelombang suara yang masuk menjadi sinyal yang kemudian diproses untuk menciptakan suara amplifikasi yang keluarSpeaker kecil, seperti yang ada di dalam ponsel dan perangkat seluler lainnya, juga digerakkan oleh kristal piezoelektrik.

Tantangan di sini adalah dalam merancang transduser piezoelektrik yang dapat menghasilkan suara berkualitas tinggi dalam paket kecil, dan tanpa menguras terlalu banyak baterai perangkat.

Perangkat Medis

Perangkat medis non-invasif seperti alat bantu dengar juga bergantung pada piezoelektrik untuk sebagian operasi mereka.yang merupakan aplikasi utama dari bahan piezoelektrik.

Dalam ultrasonik, bahan piezoelektrik dielektrifikasi untuk menciptakan gelombang suara frekuensi tinggi (antara 1,5 dan 8 MHz) yang mampu menembus jaringan tubuh.kristal piezoelektrik mengubah energi mekanik yang diterima menjadi energi listrik, mengirimnya kembali ke mesin USG untuk konversi menjadi gambar.

Perangkat medis lainnya seperti skalpel harmonik menggunakan bahan piezoelektrik untuk memotong dan membakar jaringan selama operasi.Kristal piezoelektrik dalam perangkat menghasilkan energi kinetik dan energi panas yang dibutuhkan untuk memotong dan cauterize secara bersamaan.

Tantangan desain ultrasonik berfokus pada kebutuhan untuk menentukan bentuk yang benar dan komposisi bahan dari komponen piezoelektrik untuk menciptakan frekuensi yang sangat tepat yang digunakan dalam ultrasound.dalam contoh sarung tangan harmonik, desain harus memperhitungkan efek pemanasan pada respon getaran perangkat.

Sonar

Mungkin penggunaan teknologi piezoelektrik yang paling luas dan paling lama dapat ditemukan dalam aplikasi sonar.dan penggunaannya melonjak di periode antara dua perang dunia.

Saat ini, semua sistem berbasis sonar, termasuk yang digunakan oleh militer, nelayan komersial, dan dalam banyak aplikasi laut lainnya,menggunakan transduser yang mengandung piezo untuk menghasilkan dan menerima gelombang suara.

Kelihatannya sederhana, tetapi merancang transduser untuk menyebarkan suara melalui air daripada udara dapat menghadirkan serangkaian tantangan teknik yang kompleks.Aplikasi ini sering membutuhkan perangkat piezoelektrik untuk menghasilkan sinyal bertenaga tinggi untuk menyebar jarak jauh tanpa meredup di bawah tingkat yang terdeteksi.

Penggunaan Baru

Sebuah aplikasi baru dari bahan piezoelektrik adalah dalam teknologi energy-harvesting.mereka dapat digunakan dengan sukses dalam aplikasi apa pun yang membutuhkan atau menghasilkan getaran.

Dalam pengambilan energi, getaran eksogen menghasilkan ketegangan mekanis pada bahan piezoelektrik yang diubah menjadi energi listrik.Energi piezo-dibuat kemudian dapat digunakan untuk daya komponen lain dari perangkat atau sistem.

Sistem pemantauan tekanan ban independen baterai (TPMS) merupakan salah satu contoh seperti itu. Saat ban kendaraan berputar, energi mekanik dihasilkan. Sensor yang mengandung piezo memanen energi itu,Menyimpan, dan mengirimkan sinyal ke panel tampilan pengemudi.tetapi meningkatnya minat terhadap alternatif baterai ramah lingkungan telah menyebabkan fokus baru pada potensi panen energi dari bahan piezoelektrik.

Penemuan Lama, Tantangan Modern

Meskipun bahan piezoelektrik telah digunakan selama lebih dari satu abad, kebutuhan saat ini untuk penerapannya dalam produk yang lebih kecil dan lebih kompleks menimbulkan tantangan bagi insinyur desain.Memilih bahan yang tepat dan merancang bentuk kristal yang tepat sangat penting untuk fungsi prototipe.

Piezo memiliki sifat material yang sangat kompleks yang sangat saling terkait, dan komposisi material penting.jika bentuk kristal piezoelektrik tidak menghasilkan frekuensi resonansi yang benarDan, dengan elegan lockstep dengan "Observer Effect", "elektrifikasi kristal piezoelectric sendiri merubah bentuknya sementara juga menghasilkan lebih banyak listrik.

Ini adalah lingkaran umpan balik yang sangat rumit menjerit untuk solusi desain yang menghilangkan tebakan yang terlibat dalam proses prototipe konstruksi-tes yang panjang.

Mengapa Simulasi Penting

Simulasi selalu membantu ketika berhadapan dengan nonlinearitas. Hal ini mencegah desainer dari tidak bersyukur (dan sering anggaran tidak layak) tugas membangun dan pengujian di tengah terlalu banyak yang tidak diketahui.Saat mempertimbangkan transduser elektroakustika, kombinasi unik dari energi listrik, energi mekanik, dan akustik adalah jelas non-linier, dan secara inheren multifisika di alam.

Simulasi multifisika dapat memberikan para insinyur desain alat untuk mengembangkan produk dengan lebih efektif dengan memungkinkan mereka mensimulasikan desain perangkat mereka dalam kondisi operasi.simulasi ini dapat mencakup seluruh ekosistem dari sirkuit kontrol untuk piezoelectric transducer untuk lingkungan akustik sekitarSimulasi multifisika akan memperhitungkan faktor seperti:

• Persamaan konstitutif dari respons mekanik dan listrik
• Arah poling dari sifat material piezoelektrik
• Kondisi batas
• Mekanika struktural/pemanasan getaran

Karena perangkat yang bergantung pada piezoelektrik menjadi lebih kecil dan lebih kompleks untuk memenuhi permintaan konsumen yang canggih (baik itu individu atau industri),insinyur desain harus memiliki alat yang menghitung fisika ganda dalam produk merekaAlat simulasi multifisika dapat memberikan kejelasan dan arah untuk tantangan desain yang rumit.

Anda dapat mengetahui lebih lanjut tentang teknologi piezoelektrik dengan menontonMendesain Transduser Akustik Piezoelektrik dengan SimulasiWebinar.