Como Inserir Transdutores Acústicos Piezoelétricos em Dispositivos Cada Vez Menores

O que você aprenderá:

• A ampla aplicação da tecnologia piezoelétrica.
• Por que as tendências de miniaturização de dispositivos, mantendo a precisão, apresentam desafios para os engenheiros de projeto.
• Como as ferramentas de software multifísicas podem abordar os desafios multifísicos inerentes ao projeto de transdutores acústicos piezoelétricos.

A crescente miniaturização e sofisticação dos produtos eletrônicos, que vão desde dispositivos de mídia de consumo até ferramentas de diagnóstico médico e aplicações de sonar relacionadas à defesa, apresenta uma abundância de utilidade e facilidade para os consumidores - e um desafio contínuo para os engenheiros de projeto. Esses produtos aparentemente díspares (alto-falantes de áudio/dispositivos móveis, certos dispositivos médicos não invasivos e matrizes de sonar) compartilham em comum a dependência de transdutores piezoelétricos para gerar e receber sinais acústicos.

Os materiais piezoelétricos são valorizados desde a primeira metade do século 20 por sua capacidade de converter energia mecânica em energia elétrica e vice-versa. No entanto, a tecnologia do século 21 exige que esses mesmos materiais produzam mais som ou frequências mais precisas em embalagens cada vez menores, tudo isso utilizando o mínimo de energia possível.

O desafio de projetar dispositivos que contêm piezoelétricos é inerentemente multifísico por natureza devido à confluência de eletricidade, vibração e acústica. Assim, os projetistas devem ter ferramentas que possam calcular as múltiplas físicas dentro de seus produtos.

Visão geral do material piezoelétrico

Os materiais piezoelétricos são materiais que podem produzir eletricidade devido ao estresse mecânico, como compressão. Esses materiais também podem se deformar quando a voltagem (eletricidade) é aplicada. Os materiais piezocerâmicos típicos, sejam cerâmicos não condutores ou cristais, são colocados entre duas placas de metal.

Para gerar piezoeletricidade, o material deve ser comprimido ou espremido. O estresse mecânico aplicado ao material cerâmico piezoelétrico gera eletricidade. O efeito piezoelétrico pode ser revertido, o que é denominado efeito piezoelétrico inverso. Isso é criado aplicando voltagem elétrica para fazer um cristal piezoelétrico encolher ou expandir. O efeito piezoelétrico inverso converte energia elétrica em energia mecânica.

Os materiais piezoelétricos são encontrados em uma variedade surpreendente de produtos cotidianos. A chama que surge à vida quando você pressiona o botão de um isqueiro "clique e chama" foi auxiliada em sua existência pela compressão do material piezoelétrico, que produz uma faísca.

Agora, vamos analisar alguns outros produtos que apresentam mais um desafio para os engenheiros de projeto devido à necessidade de maior produção em dispositivos menores.

Microfones e alto-falantes

Os materiais piezoelétricos são amplamente utilizados em acústica. Os microfones contêm cristais piezoelétricos que convertem as ondas sonoras recebidas em sinais que são então processados para criar um som amplificado de saída. Pequenos alto-falantes, como os de telefones celulares e outros dispositivos móveis, também são acionados por cristais piezoelétricos. A bateria do dispositivo vibra o cristal em uma frequência que produz som.

O desafio aqui é projetar transdutores piezoelétricos que possam produzir som de altíssima qualidade em uma embalagem pequena e sem consumir muita bateria do dispositivo.

Dispositivos médicos

Dispositivos médicos não invasivos, como aparelhos auditivos, também dependem de piezoelétricos para parte de sua operação. O mesmo acontece com a tecnologia de ultrassom, que é uma das principais aplicações do material piezoelétrico.

Em ultrassonografia, os materiais piezoelétricos são eletrificados para criar ondas sonoras de alta frequência (entre 1,5 e 8 MHz) que são capazes de penetrar nos tecidos corporais. À medida que as ondas retornam, os cristais piezoelétricos convertem a energia mecânica recebida em energia elétrica, enviando-a de volta para o aparelho de ultrassom para conversão em uma imagem.

Outros dispositivos médicos, como bisturis harmônicos, utilizam as propriedades vibratórias dos materiais piezoelétricos para cortar e cauterizar tecidos durante a cirurgia. Os cristais piezoelétricos dentro do dispositivo geram a energia cinética e a energia térmica necessárias para cortar e cauterizar simultaneamente.

Os desafios de projeto ultrassônico se concentram na necessidade de determinar a forma e a composição do material corretas dos componentes piezoelétricos para criar as frequências muito precisas usadas no ultrassom. E, no exemplo dos bisturis harmônicos, o projeto deve levar em consideração os efeitos do aquecimento na resposta vibracional do dispositivo.

Sonar

Talvez o uso mais amplo e duradouro da tecnologia piezoelétrica possa ser encontrado em aplicações de sonar. Durante a Primeira Guerra Mundial, o sonar foi a primeira aplicação comercial da piezoeletricidade, e seu uso disparou no período entre as duas guerras mundiais.

Hoje, todos os sistemas baseados em sonar, incluindo os usados pelos militares, pescadores comerciais e em inúmeras outras aplicações marítimas, utilizam um transdutor contendo piezo para gerar e receber ondas sonoras.

Parece simples, mas projetar transdutores para a propagação do som através da água em vez do ar pode apresentar seu próprio conjunto de complexos desafios de engenharia. Essas aplicações geralmente exigem que o dispositivo piezoelétrico gere sinais de alta potência para se propagar por longas distâncias sem atenuar abaixo dos níveis detectáveis.

Novos usos

Uma aplicação emergente de materiais piezoelétricos é na tecnologia de captação de energia. Devido às propriedades exclusivas dos materiais piezo, eles podem ser usados com sucesso em qualquer aplicação que exija ou produza vibração.

Na captação de energia, a vibração exógena produz uma tensão mecânica no material piezoelétrico que é convertida em energia elétrica. Essa energia criada por piezo pode então ser usada para alimentar outros componentes do dispositivo ou sistema.

Os sistemas de monitoramento da pressão dos pneus (TPMS) independentes de bateria representam um exemplo. À medida que os pneus de um veículo giram, a energia mecânica é produzida. Um sensor contendo piezo capta essa energia, armazena-a e envia um sinal para o painel de exibição do motorista. Os TPMSs têm sido historicamente alimentados por bateria, mas o crescente interesse em alternativas de bateria ecologicamente corretas levou a um novo foco no potencial de captação de energia dos materiais piezoelétricos.

Descoberta antiga, desafios modernos

Embora os materiais piezoelétricos tenham sido utilizados por mais de um século, a necessidade atual de sua aplicação em produtos menores e mais complexos apresenta um desafio para os engenheiros de projeto. A escolha dos materiais corretos e o projeto da forma correta do cristal são de extrema importância para a funcionalidade de um protótipo.

Os piezos têm propriedades de material muito complexas que são altamente interligadas, e a composição do material é importante. Da mesma forma, se a forma de um cristal piezoelétrico não produzir a frequência ressonante correta, o dispositivo não funcionará. E, em elegante sincronia com o "Efeito Observador", a própria eletrificação de um cristal piezoelétrico deforma sua forma, ao mesmo tempo em que produz mais eletricidade.

É um ciclo de feedback incrivelmente complicado que clama por uma solução de projeto que elimine as suposições envolvidas em longos processos de prototipagem de construção e teste.

Por que a simulação é importante

A simulação é sempre útil ao lidar com não linearidades. Ela impede que os projetistas tenham a ingrata (e muitas vezes orçamentariamente inviável) tarefa de construir e testar em meio a muitos desconhecidos. Ao considerar transdutores eletroacústicos, a combinação única de energia elétrica, energia mecânica e acústica é decididamente não linear e inerentemente multifísica por natureza.

A simulação multifísica pode fornecer aos engenheiros de projeto as ferramentas para desenvolver produtos de forma mais eficaz, permitindo que eles simulem seus projetos de dispositivos em condições de operação. Além disso, essas simulações podem incluir todo o ecossistema, do circuito de controle ao transdutor piezoelétrico e ao ambiente acústico circundante. As simulações multifísicas levarão em consideração fatores como:

• As equações constitutivas de resposta mecânica e elétrica
• Direção de polimento das propriedades do material piezoelétrico
• Condições de contorno
• Mecânica estrutural/aquecimento vibracional

À medida que os dispositivos dependentes de piezoelétricos se tornam menores e mais complexos para atender às demandas de consumidores sofisticados (sejam indivíduos ou indústrias), os engenheiros de projeto devem ter ferramentas que calculem as múltiplas físicas dentro de seus produtos. As ferramentas de simulação multifísica podem fornecer clareza e direção para desafios de projeto complicados.

Você pode descobrir mais sobre a tecnologia piezoelétrica assistindo ao Projetando transdutores acústicos piezoelétricos com simulações webinar.