كيفية ضغط محولات الطاقة الصوتية بيزو في الأجهزة المتقلصة
كيفية ضغط محولات الطاقة الصوتية بيزو في الأجهزة المتقلصة
يمكن لبرامج محاكاة الفيزياء المتعددة أن تساعد المهندسين في تصميم محولات طاقة صوتية كهرضغطية لتلبية متطلبات تصغير الجهاز.
ماذا ستتعلم:
التطبيق الواسع لتكنولوجيا كهرضغطية.
لماذا تمثل اتجاهات تصغير الأجهزة مع الاحتفاظ بالدقة تحديات لمهندسي التصميم.
كيف يمكن لأدوات برامج الفيزياء المتعددة معالجة تحديات الفيزياء المتعددة الكامنة في تصميم محولات الطاقة الصوتية الكهرضغطية.
إن تصغير المنتجات الإلكترونية وتطورها المتزايد ، بدءًا من أجهزة الوسائط الاستهلاكية إلى أدوات التشخيص الطبي إلى تطبيقات السونار المتعلقة بالدفاع ، يقدم الكثير من المنفعة والسهولة للمستهلكين - وتحديًا مستمرًا لمهندسي التصميم.تشترك هذه المنتجات المتباينة على ما يبدو (مكبرات الصوت للأجهزة المحمولة ، وبعض الأجهزة الطبية غير الغازية ، ومصفوفات السونار) في الاعتماد المشترك على محولات الطاقة الكهروضغطية لتوليد واستقبال الإشارات الصوتية.
تم تقييم المواد الكهرضغطية منذ النصف الأول من القرن العشرين لقدرتها على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية والعكس صحيح.ومع ذلك ، تتطلب تكنولوجيا القرن الحادي والعشرين أن تنتج هذه المواد نفسها صوتًا أكثر أو ترددات أكثر دقة داخل عبوات أصغر وأصغر ، وكل ذلك مع استخدام أقل قدر ممكن من الطاقة.
إن التحدي المتمثل في تصميم الأجهزة المحتوية على الكهرباء الانضغاطية هو في جوهره متعدد الفيزياء في الطبيعة بسبب التقاء الكهرباء والاهتزاز والصوتيات.وبالتالي ، يجب أن يكون لدى المصممين أدوات يمكنها حساب الفيزياء المتعددة داخل منتجاتهم.
نظرة عامة على المواد الكهرضغطية
المواد الكهرضغطية هي المواد التي يمكن أن تنتج الكهرباء بسبب الإجهاد الميكانيكي ، مثل الضغط.يمكن أن تتشوه هذه المواد أيضًا عند تطبيق الجهد (الكهرباء).يتم وضع مواد السيراميك البيزو النموذجية ، سواء كانت سيراميك غير موصل أو بلوري ، بين لوحين معدنيين.
لتوليد الكهرباء الانضغاطية ، يجب ضغط المادة أو عصرها.الضغط الميكانيكي المطبق على مادة السيراميك الكهرضغطية يولد الكهرباء.يمكن عكس التأثير الكهرضغطية ، والذي يشار إليه بالتأثير الكهرضغطية العكسي.يتم إنشاء هذا عن طريق تطبيق الجهد الكهربائي لجعل بلورة كهرضغطية تتقلص أو تتوسع.يعمل التأثير الكهروإجهادي العكسي على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.
تم العثور على المواد الكهرضغطية في مجموعة مدهشة من المنتجات اليومية.اللهب الذي يقفز إلى الحياة عندما تضغط على زر ولاعة "النقر واللهب" تم دعمه من خلال ضغط مادة كهرضغطية ، مما ينتج عنه شرارة.
الآن ، دعونا نلقي نظرة على بعض المنتجات الأخرى التي تمثل تحديًا أكبر لمهندسي التصميم بسبب الحاجة إلى زيادة الإنتاج داخل الأجهزة الأصغر.
الميكروفونات ومكبرات الصوت
تستخدم المواد الكهرضغطية على نطاق واسع في الصوتيات.تحتوي الميكروفونات على بلورات كهرضغطية تعمل على تحويل الموجات الصوتية الواردة إلى إشارات يتم معالجتها بعد ذلك لإنشاء صوت مضخم صادر.مكبرات الصوت الصغيرة ، مثل تلك الموجودة في الهواتف المحمولة والأجهزة المحمولة الأخرى ، يتم تشغيلها أيضًا بواسطة بلورات كهرضغطية.تعمل بطارية الجهاز على اهتزاز الكريستال بتردد ينتج صوتًا.
يكمن التحدي هنا في تصميم محولات طاقة كهرضغطية يمكنها إنتاج صوت عالي الجودة ضمن حزمة صغيرة ، ودون استنزاف الكثير من بطارية الجهاز.
أجهزة طبية
تعتمد الأجهزة الطبية غير الغازية مثل المعينات السمعية أيضًا على أجهزة كهرضغطية في جزء من عملياتها.وكذلك الأمر بالنسبة لتكنولوجيا الموجات فوق الصوتية ، وهي أحد التطبيقات الرئيسية للمواد الكهروضغطية.
في الموجات فوق الصوتية ، يتم كهربة المواد الكهرضغطية لإنشاء موجات صوتية عالية التردد (بين 1.5 و 8 ميجاهرتز) قادرة على اختراق أنسجة الجسم.عندما تعود الموجات إلى الوراء ، تقوم البلورات الكهرضغطية بتحويل الطاقة الميكانيكية المستلمة إلى طاقة كهربائية ، وإرسالها مرة أخرى إلى آلة الموجات فوق الصوتية لتحويلها إلى صورة.
تستخدم الأجهزة الطبية الأخرى مثل المباضع التوافقية الخصائص الاهتزازية للمواد الكهرضغطية لقطع وكي الأنسجة أثناء الجراحة.تولد البلورات الكهرضغطية داخل الجهاز كلاً من الطاقة الحركية والطاقة الحرارية اللازمتين للقطع والكي في نفس الوقت.
تركز تحديات التصميم بالموجات فوق الصوتية على الحاجة إلى تحديد الشكل الصحيح وتركيب المواد للمكونات الكهرضغطية لإنشاء ترددات دقيقة للغاية تستخدم في الموجات فوق الصوتية.وفي مثال المباضع التوافقية ، يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار تأثيرات التسخين على استجابة اهتزاز الجهاز.
سونار
ربما يمكن العثور على أوسع وأطول استخدام لتقنية كهرضغطية ضمن تطبيقات السونار.خلال الحرب العالمية الأولى ، كان السونار هو أول تطبيق تجاري للكهرباء الانضغاطية ، وقد تصاعد استخدامه في الفترة ما بين الحربين العالميتين.
اليوم ، تستخدم جميع الأنظمة القائمة على السونار ، بما في ذلك تلك المستخدمة من قبل الجيش والصيادين التجاريين وفي العديد من التطبيقات البحرية الأخرى ، محول طاقة يحتوي على بيزو لتوليد واستقبال الموجات الصوتية.
لأكثر من 100 عام ، تم استخدام محولات الطاقة الكهرضغطية لتحديد موقع الأجسام المغمورة.(آي ستوك)
يبدو الأمر بسيطًا ، لكن تصميم محولات الطاقة لانتشار الصوت عبر الماء بدلاً من الهواء يمكن أن يقدم مجموعته الخاصة من التحديات الهندسية المعقدة.غالبًا ما تتطلب هذه التطبيقات جهاز كهرضغطية لتوليد إشارات عالية الطاقة لنشر مسافات طويلة دون التخفيف من المستويات التي يمكن اكتشافها.
استخدامات جديدة
أحد التطبيقات الناشئة للمواد الكهروإجهادية هو ضمن تكنولوجيا حصاد الطاقة.نظرًا للخصائص الفريدة لمواد بيزو ، يمكن استخدامها بنجاح في أي تطبيق يتطلب اهتزازًا أو ينتج عنه.
في حصاد الطاقة ، ينتج الاهتزاز الخارجي إجهادًا ميكانيكيًا للمادة الكهرضغطية التي يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية.يمكن بعد ذلك استخدام هذه الطاقة الناتجة عن بيزو لتشغيل المكونات الأخرى للجهاز أو النظام.
تمثل أنظمة مراقبة ضغط الإطارات المستقلة عن البطارية (TPMS) أحد الأمثلة على ذلك.أثناء دوران إطارات السيارة ، يتم إنتاج طاقة ميكانيكية.يحصد مستشعر يحتوي على بيزو تلك الطاقة ويخزنها ويرسل إشارة إلى لوحة عرض السائق.كانت TPMSs تاريخياً تعمل بالبطاريات ، لكن الاهتمام المتزايد ببدائل البطاريات الصديقة للبيئة أدى إلى تركيز جديد على إمكانات حصاد الطاقة للمواد الكهروضغطية.
الاكتشاف القديم والتحديات الحديثة
على الرغم من استخدام المواد الكهرضغطية لأكثر من قرن ، إلا أن الحاجة الحالية لتطبيقها ضمن منتجات أصغر وأكثر تعقيدًا تمثل تحديًا لمهندسي التصميم.يعد اختيار المواد الصحيحة وتصميم الشكل البلوري المناسب أمرًا بالغ الأهمية لوظيفة النموذج الأولي.
تتميز Piezos بخصائص مادية معقدة للغاية ومتشابكة للغاية ، كما أن تكوين المواد مهم.وبالمثل ، إذا كان شكل البلورة الكهرضغطية لا ينتج تردد الرنين الصحيح ، فلن يعمل الجهاز.وبخطوة أنيقة مع "تأثير المراقب" ، فإن كهربة بلورة كهرضغطية تشوه شكلها بينما تنتج أيضًا المزيد من الكهرباء.
إنها حلقة ملاحظات معقدة بشكل لا يصدق تطلب حلًا للتصميم يلغي التخمين الذي ينطوي عليه عمليات النموذج الأولي لاختبار البناء.
لماذا أهمية المحاكاة
المحاكاة مفيدة دائمًا عند التعامل مع اللاخطية.إنه يمنع المصممين من مهمة البناء والاختبار (والتي غالبًا ما تكون غير مجدية من الناحية المالية) في وسط الكثير من الأشياء المجهولة.عند التفكير في المحولات الكهروضوئية ، فإن المزيج الفريد من الطاقة الكهربائية والطاقة الميكانيكية والصوتيات هو بالتأكيد غير خطي ، ومتعدد الفيزياء بطبيعته.
يمكن لمحاكاة الفيزياء المتعددة أن تزود مهندسي التصميم بالأدوات اللازمة لتطوير المنتجات بشكل أكثر فعالية من خلال تمكينهم من محاكاة تصميمات أجهزتهم في ظروف التشغيل.بالإضافة إلى ذلك ، قد تشمل هذه المحاكاة النظام البيئي بأكمله من دائرة التحكم إلى محول الطاقة الكهرضغطية إلى البيئة الصوتية المحيطة.ستأخذ عمليات محاكاة الفيزياء المتعددة في الاعتبار عوامل مثل:
نظرًا لأن الأجهزة المعتمدة على الكهرباء الانضغاطية تصبح أصغر حجمًا وأكثر تعقيدًا لتلبية متطلبات المستهلكين المتطورين (سواء كانوا أفرادًا أو صناعات) ، يجب أن يكون لدى مهندسي التصميم أدوات لحساب الفيزياء المتعددة داخل منتجاتهم.يمكن أن توفر أدوات محاكاة الفيزياء المتعددة الوضوح والتوجيه لتحديات التصميم المعقدة.
