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Como espremer transdutores acústicos Piezo em dispositivos de encolhimento
Como espremer transdutores acústicos Piezo em dispositivos de encolhimento
O software de simulação de Multiphysics pode ajudar a coordenadores em projetar transdutores acústicos piezoelétricos encontrar as procuras da miniaturização do dispositivo.
O que você aprenderá:
A aplicação larga da tecnologia piezoelétrica.
Porque tendências miniaturizar dispositivos ao reter os desafios atuais da precisão para coordenadores de projeto.
Como as ferramentas de software do multiphysics podem endereçar os desafios inerentes do multiphysics de projetar transdutores acústicos piezoelétricos.
A miniaturização e a sofisticação crescentes de produtos eletrônicos, variando dos dispositivos dos meios do consumidor às ferramentas diagnósticas médicas às aplicações defesa-relacionadas da sonar, apresentam uma recompensa da utilidade e facilitam-na para consumidor-e um desafio em curso para coordenadores de projeto. Estes a parte convenientemente díspar dos produtos (audio/oradores móveis do dispositivo, determinados dispositivos médicos não invasores, e disposições de sonar) em comum uma confiança em transdutores piezoelétricos a ambos gera e recebe sinais acústicos.
Os materiais piezoelétricos foram avaliados desde a primeira metade do século XX para que sua capacidade converta a energia mecânica na energia elétrica e vice-versa. Contudo, procuras do século XXI da tecnologia que estes mesmos materiais para produzir frequências mais sadias ou mais precisas dentro dos pacotes menores e menores, tudo ao utilizar como a energia pequena como possível.
O desafio de projetar dispositivos decontenção é inerentemente multiphysics na natureza devido à afluência da eletricidade, da vibração, e da acústica. Assim, os desenhistas devem ter as ferramentas que podem calcular a física múltipla dentro de seus produtos.
Vista geral material piezoelétrica
Os materiais piezoelétricos são os materiais que podem produzir a eletricidade devido ao esforço mecânico, tal como a compressão. Estes materiais igualmente podem deformar-se quando a tensão (eletricidade) é aplicada. Os materiais piezoceramic típicos, se cerâmico ou de cristal não-condutor, são colocados entre duas placas de metal.
Para gerar a pioelectricidade, o material deve ser comprimido ou espremido. O esforço mecânico aplicado ao material cerâmico piezoelétrico gera a eletricidade. O efeito piezoelétrico pode ser invertido, que é referido como o efeito piezoelétrico inverso. Isto é criado aplicando a tensão elétrica para fazer um psiquiatra de cristal piezoelétrico ou para expandi-lo. O efeito piezoelétrico inverso converte a energia elétrica à energia mecânica.
Os materiais piezoelétricos são encontrados em uma disposição surpreendente de produtos diários. A chama que pula à vida em que você pressiona o botão de um isqueiro da “clique-e-chama” foi ajudada na existência pela compressão do material piezoelétrico, que produz uma faísca.
Agora, deixe-nos olhar alguns outros produtos que apresentam mais de um desafio para os coordenadores de projeto devido à necessidade para a saída aumentada dentro dos dispositivos menores.
Mics e oradores
Os materiais piezoelétricos são usados extensivamente na acústica. Os microfones contêm os cristais piezoelétricos que convertem as ondas sadias entrantes nos sinais que são processados então para criar som amplificado que parte. Os oradores pequenos, tais como aqueles dentro dos telefones celulares e de outros dispositivos móveis, são conduzidos igualmente por cristais piezoelétricos. A bateria do dispositivo vibra o cristal em uma frequência que produza o som.
O desafio aqui é em projetar os transdutores piezoelétricos que podem produzir o som da qualidade muito elevada dentro de um pacote pequeno, e sem drenar demasiada da bateria do dispositivo.
Dispositivos médicos
Os dispositivos médicos não invasores tais como próteses auditivas igualmente confiam no piezoelectrics para uma parcela de sua operação. Assim, também, faz a tecnologia do ultrassom, que é uma aplicação principal do material piezoelétrico.
No ultrasonics, os materiais piezoelétricos são eletrificados para criar as ondas sadias de alta frequência (entre 1,5 e 8 megahertz) que podem penetrar tecidos corporais. Enquanto as ondas saltam para trás, os cristais piezoelétricos convertem a energia mecânica recebida na energia elétrica, enviando a de volta à máquina do ultrassom para a conversão em uma imagem.
Outros dispositivos médicos tais como escalpelos do harmônico utilizam as propriedades vibracionais dos materiais piezoelétricos para cortar e cauterizar o tecido durante a cirurgia. Os cristais piezoelétricos dentro do dispositivo geram a energia cinética e a energia calorífica necessárias cortar e cauterizar simultaneamente.
Os desafios ultrassônicos do projeto centram-se sobre a necessidade de determinar a forma correta e a composição material dos componentes piezoelétricos criar as frequências muito precisas usadas no ultrassom. E, no exemplo de escalpelos do harmônico, o projeto deve esclarecer os efeitos de aquecimento na resposta vibracional do dispositivo.
Sonar
O uso talvez o mais largo e o mais de longa data da tecnologia piezoelétrica pode ser encontrado dentro das aplicações da sonar. Durante a Primeira Guerra Mundial, a sonar era a primeira aplicação comercial da pioelectricidade, e seu uso subiu rapidamente no período entre as duas guerras mundiais.
Hoje, todos os sistemas sonar-baseados, incluindo aqueles usados pelas forças armadas, pelos pescadores comerciais, e em numeroso outras aplicações marinhas, utilizam um transdutor decontenção a para gerar e receber ondas sadias.
Por mais de 100 anos, os transdutores piezoelétricos foram usados para encontrar objetos submersos. (iStock)
Parece simples, mas projetar transdutores para a propagação do som através da água um pouco do que o ar pode apresentar seu próprio grupo de desafios de planejamento complexos. Estas aplicações exigem frequentemente o dispositivo piezoelétrico gerar sinais de alta potência propagar distâncias longas sem atenuar abaixo dos níveis detectáveis.
Usos novos
Uma aplicação emergente de materiais piezoelétricos está dentro da tecnologia decolheita. Devido às propriedades originais de materiais piezo, podem com sucesso ser usados em toda a aplicação que exigir ou produzir a vibração.
Na energia que colhe, a vibração exógena produz uma tensão mecânica ao material piezoelétrico que é convertido à energia elétrica. Essa energia piezo-criada pode então ser usada para pôr outros componentes do dispositivo ou do sistema.
os sistemas Bateria-independentes da pneu-pressão-monitoração (TPMS) representam um tal exemplo. Enquanto os pneus de um veículo gerenciem, a energia mecânica está produzida. Um sensor decontenção colhe que a energia, o armazena, e envia um sinal ao painel de exposição do motorista. TPMSs foi historicamente a pilhas, mas o interesse crescente em alternativas a favor do meio ambiente da bateria conduziu a um foco novo no potencial decolheita de materiais piezoelétricos.
Descoberta velha, desafios modernos
Embora os materiais piezoelétricos sejam utilizados por sobre um século, a necessidade atual para sua aplicação dentro dos produtos menores e mais complexos apresenta um desafio para coordenadores de projeto. Escolher os materiais corretos e projetar a forma de cristal direita são criticamente importantes à funcionalidade de um protótipo.
Piezos tem as propriedades materiais muito complexas que são entrelaçadas altamente, e matérias materiais da composição. Similarmente, se a forma de um cristal piezoelétrico não produz a frequência ressonante correta, o dispositivo não funcionará. E, no lockstep elegante com do “o efeito observador,” a eletrificação mesma de um cristal piezoelétrico deforma sua forma ao igualmente produzir mais eletricidade.
É um laço de feedback incredibly complicado que grita para fora para uma solução do projeto que elimine a adivinhação envolvida em processos longos do protótipo do construção-teste.
Porque matérias da simulação
A simulação é sempre útil ao tratar as não-linearidades. Impede desenhistas da tarefa ingrato (e frequentemente budgetarily impraticável) da construção e do teste entre desconhecidos demais. Ao considerar transdutores electroacoustic, a combinação original de energia elétrica, de energia mecânica, e de acústica é decididamente não-linear, e inerentemente multiphysics na natureza.
A simulação de Multiphysics pode fornecer coordenadores de projeto as ferramentas para desenvolver mais eficazmente produtos permitindo os simular seus projetos do dispositivo dentro das condições operacionais. Além, estas simulações podem incluir o ecossistema inteiro do circuito de controle ao transdutor piezoelétrico a ambiente acústico circunvizinho. As simulações de Multiphysics tomarão em consideração fatores como:
As equações constitutivas da resposta mecânica e elétrica
Sentido de Poling de propriedades materiais piezoelétricas
Condições de limite
Mecânicos estruturais/aquecimento vibracional
Enquanto os dispositivos piezoelétrico-dependentes se tornam menores e mais complexos para encontrar as procuras de consumidores sofisticados (para ser aquelas indivíduos ou indústrias), os coordenadores de projeto devem ter as ferramentas que calculam a física múltipla dentro de seus produtos. As ferramentas da simulação de Multiphysics podem fornecer a claridade e o sentido aos desafios complicados do projeto.
