كيفية الضغط على محولات بيزو الصوتية في أجهزة تقلص

ما ستتعلمه:

• التطبيق الواسع لتكنولوجيا كهروضوئية.
• لماذا الاتجاهات لتصغير الأجهزة مع الاحتفاظ بالتحديات الدقيقة لمهندسي التصميم.
• كيف يمكن لأدوات البرمجيات متعددة الفيزياء التعامل مع التحديات المتأصلة في تصميم المحولات الصوتية الكهروضوئية.

يقدم التصغير المتزايد وتطور المنتجات الإلكترونية ، بدءًا من أجهزة الوسائط الاستهلاكية إلى أدوات التشخيص الطبي إلى تطبيقات السونار المتعلقة بالدفاع ، مكافأة من الأداة والراحة للمستهلكين-والتحدي المستمر لمهندسي التصميم. تشترك هذه المنتجات المتباينة على ما يبدو (مكبرات صوت الصوت/المحمول ، وبعض الأجهزة الطبية غير الغازية ، ومصفوفات السونار) إلى الاعتماد على محولات الطاقة الكهروضوئية لإنشاء وتلقي إشارات صوتية.

تم تقدير مواد Piezoelectric منذ النصف الأول من القرن العشرين لقدرتها على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى الطاقة الكهربائية والعكس صحيح. ومع ذلك ، تتطلب تقنية القرن الحادي والعشرين أن هذه المواد نفسها تنتج المزيد من الترددات الصوتية أو أكثر دقة داخل حزم أصغر وأصغر ، كل ذلك مع استخدام القليل من الطاقة قدر الإمكان.

إن التحدي المتمثل في تصميم الأجهزة التي تحتوي على كهروضوئية هي بطبيعتها متعددة 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 الكهروإجهادية

المواد الكهروضوئية هي مواد يمكن أن تنتج الكهرباء بسبب الإجهاد الميكانيكي ، مثل الضغط. يمكن أن تشوه هذه المواد أيضًا عند تطبيق الجهد (الكهرباء). يتم وضع المواد النموذجية piezoceramic ، سواء كانت سيراميك أو بلورة غير موصوفة ، بين لوحين معدنيين.

لتوليد كهروضوئية ، يجب ضغط المادة أو الضغط عليها. الإجهاد الميكانيكي المطبقة على المواد السيرامية الكهروضوئية يولد الكهرباء. يمكن عكس التأثير الكهروإجهادي ، والذي يشار إليه باسم التأثير الكهروضوئي العكسي. يتم إنشاء هذا عن طريق تطبيق الجهد الكهربائي لجعل البلورة الكهروضوئية تتقلص أو توسع. يؤدي تأثير piezoelectric العكسي إلى تحويل الطاقة الكهربائية إلى الطاقة الميكانيكية.

تم العثور على مواد كهروضوئية في مجموعة مذهلة من المنتجات اليومية. تم مساعدة الشعلة التي تقفز إلى الحياة عندما تضغط على زر أخف "النقر والطاقة" إلى الوجود من خلال ضغط المواد الكهروضوئية ، التي تنتج شرارة.

الآن ، دعونا نلقي نظرة على بعض المنتجات الأخرى التي تمثل تحديًا أكثر لمهندسي التصميم بسبب الحاجة إلى زيادة الإنتاج داخل الأجهزة الأصغر.

الميكروفونات والمتحدثين

يتم استخدام المواد الكهروضوئية على نطاق واسع في الصوتيات. تحتوي الميكروفونات على بلورات كهروإجهادية تعمل على تحويل الموجات الصوتية الواردة إلى إشارات تتم معالجتها بعد ذلك لإنشاء صوت مضخم صادر. مكبرات صوت صغيرة ، مثل تلك الموجودة داخل الهواتف المحمولة والأجهزة المحمولة الأخرى ، مدفوعة أيضًا بلورات كهرضغطية. تهتز بطارية الجهاز البلورة بتردد ينتج الصوت.

يكمن التحدي هنا في تصميم محولات الطاقة الكهرومائية التي يمكن أن تنتج صوتًا عالي الجودة للغاية داخل حزمة صغيرة ، وبدون استنزاف الكثير من بطارية الجهاز.

الأجهزة الطبية

تعتمد الأجهزة الطبية غير الغازية مثل أجهزة السمع أيضًا على Ecmoelectrics لجزء من تشغيلها. لذا ، أيضًا ، هل تقنية الموجات فوق الصوتية ، والتي تعد تطبيقًا رئيسيًا للمواد الكهروإجهادية.

في الموجات فوق الصوتية ، يتم كهربة المواد الكهروإجهادية لإنشاء موجات صوتية عالية التردد (بين 1.5 و 8 ميغاهيرتز) قادرة على اختراق الأنسجة الجسدية. عندما ترتد الأمواج ، تقوم بلورات الكهروضوئية بتحويل الطاقة الميكانيكية المستقبلة إلى طاقة كهربائية ، وإرسالها إلى آلة الموجات فوق الصوتية للتحويل إلى صورة.

تستخدم الأجهزة الطبية الأخرى مثل المشرفات التوافقية خصائص الاهتزازات الكهروضوئية لقطع الأنسجة وتخليصها أثناء الجراحة. تولد البلورات الكهروإجهادية داخل الجهاز كل من الطاقة الحركية والطاقة الحرارية اللازمة لقطع وتخلي في وقت واحد.

تركز تحديات التصميم بالموجات فوق الصوتية على الحاجة إلى تحديد الشكل الصحيح والتكوين المادي للمكونات الكهروإجهادية لإنشاء الترددات الدقيقة جدًا المستخدمة في الموجات فوق الصوتية. وفي مثال المطبخ التوافقي ، يجب أن يفسر التصميم تأثيرات التدفئة على استجابة الجهاز الاهتزازية.

السونار

ربما يمكن العثور على أوسع الاستخدام والأكثر فترة طويلة لتكنولوجيا كهرضغطية في تطبيقات السونار. خلال الحرب العالمية الأولى ، كان Sonar أول تطبيق تجاري للكهروضوئية ، واستخدامه ارتفع في الفترة بين الحربين العالميتين.

اليوم ، تستخدم جميع الأنظمة القائمة على السونار ، بما في ذلك تلك المستخدمة من قبل الصيادين العسكريين ، وفي العديد من التطبيقات البحرية الأخرى ، محول الطاقة المحتوية على Piezo لتوليد وتلقي موجات صوتية.

يبدو الأمر بسيطًا ، لكن تصميم محولات الطاقة لنشر الصوت عبر الماء بدلاً من الهواء يمكن أن يقدم مجموعة من التحديات الهندسية المعقدة. غالبًا ما تتطلب هذه التطبيقات من جهاز Piezoelectric إنشاء إشارات عالية الطاقة لنشر مسافات طويلة دون التخفيف من المستويات القابلة للاكتشاف.

استخدامات جديدة

يوجد تطبيق ناشئ للمواد الكهروإجهادية ضمن تكنولوجيا حصاد الطاقة. نظرًا للخصائص الفريدة لمواد Piezo ، يمكن استخدامها بنجاح في أي تطبيق يتطلب أو ينتج عن الاهتزاز.

في حصاد الطاقة ، ينتج الاهتزاز الخارجي سلالة ميكانيكية للمواد الكهروإجهادية التي يتم تحويلها إلى طاقة كهربائية. يمكن بعد ذلك استخدام الطاقة التي أنشأها Piezo لتشغيل المكونات الأخرى للجهاز أو النظام.

تمثل أنظمة مراقبة ضغط الإطارات المستقلة عن البطارية (TPMS) مثالًا واحدًا. مع تدوير إطارات السيارة ، يتم إنتاج الطاقة الميكانيكية. يحصد مستشعرات محتوية على Piezo التي تخزنها ، وترسل إشارة إلى لوحة عرض السائق. تاريخيا TPMSS كانت تعمل بالبطاريات ، ولكن الاهتمام المتزايد ببدائل البطارية الصديقة للبيئة أدى إلى تركيز جديد على إمكانات تحمل الطاقة للمواد الكهروإجهادية.

الاكتشاف القديم ، والتحديات الحديثة

على الرغم من استخدام المواد الكهروإجهادية لأكثر من قرن من الزمان ، فإن الحاجة الحالية لتطبيقها داخل المنتجات الأصغر والأكثر تعقيدًا تمثل تحديًا لمهندسي التصميم. يعد اختيار المواد الصحيحة وتصميم الشكل البلوري المناسب مهمًا للغاية لوظائف النموذج الأولي.

تحتوي Piezos على خصائص مواد معقدة للغاية تتشابك للغاية ، ومواد تكوين المواد. وبالمثل ، إذا كان شكل البلورة الكهروضوئية لا ينتج تواتر الرنين الصحيح ، فلن يعمل الجهاز. وفي القفل الأنيق مع "تأثير المراقب" ، فإن كهربة الكهروضوئية الشديدة تشوه شكلها مع إنتاج المزيد من الكهرباء.

إنها حلقة ردود فعل معقدة بشكل لا يصدق تصرخ لحل التصميم الذي يزيل التخمينات التي ينطوي عليها عمليات النموذج الأولي للبناء الطويل.

لماذا المحاكاة مهمة

المحاكاة مفيدة دائمًا عند التعامل مع غير الخطية. إنه يمنع المصممين من المهمة التي لا تشعل عليها بالجامعة (وغالبًا ما تكون غير ممكنة في الميزانية) المتمثلة في بناء واختبار وسط الكثير من المجهولين. عند النظر في محولات الطاقة الكهربائية الصوتية ، فإن المزيج الفريد من الطاقة الكهربائية ، والطاقة الميكانيكية ، والصوتيات غير خطية ، ومتعددة الفيزياء بطبيعتها في الطبيعة.

يمكن لمحاكاة Multiphysics أن توفر لمهندسي التصميم الأدوات اللازمة لتطوير المنتجات بشكل أكثر فعالية من خلال تمكينهم من محاكاة تصميمات الأجهزة الخاصة بهم في ظروف التشغيل. بالإضافة إلى ذلك ، قد تتضمن هذه المحاكاة النظام الإيكولوجي بأكمله من دائرة التحكم إلى محول الطاقة الكهروإجهادية إلى البيئة الصوتية المحيطة. سوف تأخذ عمليات المحاكاة متعددة الفيزياء في الاعتبار عوامل مثل:

• المعادلات التأسيسية للاستجابة الميكانيكية والكهربائية
• الاتجاه البولينج لخصائص المواد الكهروإجهادية
• شروط الحدود
• الميكانيكا الهيكلية/التدفئة الاهتزازية

نظرًا لأن الأجهزة المعتمدة على الكهروضوئية تصبح أصغر وأكثر تعقيدًا لتلبية متطلبات المستهلكين المتطورة (يكون هؤلاء الأفراد أو الصناعات) ، يجب أن يكون لدى مهندسي التصميم أدوات تحسب الفيزياء المتعددة داخل منتجاتهم. يمكن أن توفر أدوات محاكاة Multiphysics الوضوح والاتجاه لتحديات التصميم المعقدة.

يمكنك معرفة المزيد عن تقنية Piezoelectric من خلال مشاهدةتصميم محولات صوتية كهروضوئية مع المحاكاةندوة عبر الإنترنت.