Cách ép đầu dò âm thanh Piezo vào thiết bị thu nhỏ
Cách ép đầu dò âm thanh Piezo vào thiết bị thu nhỏ
Phần mềm mô phỏng Multiphysics có thể hỗ trợ các kỹ sư thiết kế đầu dò âm áp áp điện để đáp ứng nhu cầu thu nhỏ thiết bị.
Những gì bạn sẽ học:
Ứng dụng rộng rãi của công nghệ áp điện.
Tại sao xu hướng thu nhỏ các thiết bị trong khi vẫn giữ được độ chính xác lại là thách thức đối với các kỹ sư thiết kế.
Làm thế nào các công cụ phần mềm đa vật lý có thể giải quyết các thách thức đa vật lý vốn có trong việc thiết kế các đầu dò âm áp áp điện.
Sự thu nhỏ và độ tinh vi ngày càng tăng của các sản phẩm điện tử, từ các thiết bị truyền thông tiêu dùng đến các công cụ chẩn đoán y tế đến các ứng dụng sonar liên quan đến quốc phòng, mang lại nhiều tiện ích và dễ dàng cho người tiêu dùng — và là một thách thức không ngừng đối với các kỹ sư thiết kế.Các sản phẩm có vẻ khác biệt này (loa âm thanh / thiết bị di động, một số thiết bị y tế không xâm lấn và mảng sonar) có điểm chung là phụ thuộc vào bộ chuyển đổi áp điện để tạo và nhận tín hiệu âm thanh.
Vật liệu áp điện đã được coi trọng từ nửa đầu thế kỷ 20 về khả năng biến đổi cơ năng thành năng lượng điện và ngược lại.Tuy nhiên, công nghệ thế kỷ 21 đòi hỏi những vật liệu tương tự này phải tạo ra nhiều âm thanh hơn hoặc tần số chính xác hơn trong các gói nhỏ hơn và nhỏ hơn, tất cả trong khi sử dụng ít năng lượng nhất có thể.
Thách thức của việc thiết kế các thiết bị chứa áp điện vốn có bản chất là đa vật lý do sự kết hợp của điện, độ rung và âm học.Do đó, các nhà thiết kế phải có các công cụ có thể tính toán nhiều vật lý trong sản phẩm của họ.
Tổng quan về vật liệu áp điện
Vật liệu áp điện là vật liệu có thể tạo ra điện do ứng suất cơ học, chẳng hạn như nén.Những vật liệu này cũng có thể biến dạng khi điện áp (điện) được áp dụng.Vật liệu piezoceramic điển hình, cho dù là gốm hoặc pha lê không dẫn điện, được đặt giữa hai tấm kim loại.
Để tạo ra áp điện, vật liệu phải được nén hoặc ép.Ứng suất cơ học tác dụng lên vật liệu gốm áp điện tạo ra điện.Hiệu ứng áp điện có thể được đảo ngược, được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo.Điều này được tạo ra bằng cách áp dụng điện áp để làm cho một tinh thể áp điện co lại hoặc giãn nở.Hiệu ứng áp điện nghịch chuyển năng lượng điện thành cơ năng.
Vật liệu áp điện được tìm thấy trong một loạt các sản phẩm hàng ngày đáng ngạc nhiên.Ngọn lửa bùng lên sự sống khi bạn nhấn nút bật lửa "nhấp và ngọn lửa" được hỗ trợ bởi sự nén của vật liệu áp điện, tạo ra tia lửa.
Bây giờ, chúng ta hãy xem xét một số sản phẩm khác mang lại nhiều thách thức hơn cho các kỹ sư thiết kế do nhu cầu tăng sản lượng trong các thiết bị nhỏ hơn.
Mic và loa
Vật liệu áp điện được sử dụng nhiều trong âm học.Micrô có chứa các tinh thể áp điện giúp chuyển đổi sóng âm thanh đến thành tín hiệu sau đó được xử lý để tạo ra âm thanh khuếch đại đi.Các loa nhỏ, chẳng hạn như loa trong điện thoại di động và các thiết bị di động khác, cũng được điều khiển bởi các tinh thể áp điện.Pin của thiết bị làm rung tinh thể ở tần số tạo ra âm thanh.
Thách thức ở đây là thiết kế bộ chuyển đổi áp điện có thể tạo ra âm thanh chất lượng rất cao trong một gói nhỏ và không làm tiêu hao quá nhiều pin của thiết bị.
Các thiết bị y tế
Các thiết bị y tế không xâm lấn như máy trợ thính cũng dựa vào áp điện trong một phần hoạt động của chúng.Công nghệ siêu âm cũng vậy, một ứng dụng chính của vật liệu áp điện.
Trong sóng siêu âm, vật liệu áp điện được nhiễm điện để tạo ra sóng âm tần số cao (từ 1,5 đến 8 MHz) có thể xuyên qua các mô của cơ thể.Khi sóng phản xạ trở lại, các tinh thể áp điện chuyển đổi năng lượng cơ học nhận được thành năng lượng điện, gửi nó trở lại máy siêu âm để chuyển đổi thành hình ảnh.
Các thiết bị y tế khác như dao mổ sóng hài sử dụng đặc tính dao động của vật liệu áp điện để cắt và làm chết mô trong quá trình phẫu thuật.Các tinh thể áp điện bên trong thiết bị tạo ra cả động năng và nhiệt năng cần thiết để đồng thời cắt và đóng rắn.
Những thách thức trong thiết kế siêu âm tập trung vào nhu cầu xác định hình dạng chính xác và thành phần vật chất của các thành phần áp điện để tạo ra các tần số rất chính xác được sử dụng trong siêu âm.Và, trong ví dụ về dao mổ sóng hài, thiết kế phải tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ lên phản ứng dao động của thiết bị.
Sonar
Có lẽ công nghệ áp điện được sử dụng rộng rãi và lâu đời nhất có thể được tìm thấy trong các ứng dụng sonar.Trong Chiến tranh thế giới thứ nhất, sonar là ứng dụng thương mại đầu tiên của áp điện, và việc sử dụng nó đã tăng vọt trong khoảng thời gian giữa hai cuộc chiến tranh thế giới.
Ngày nay, tất cả các hệ thống dựa trên sonar, bao gồm cả những hệ thống được sử dụng bởi quân đội, ngư dân thương mại và trong nhiều ứng dụng hàng hải khác, đều sử dụng một đầu dò có chứa piezo để tạo và nhận sóng âm thanh.
Trong hơn 100 năm, đầu dò áp điện đã được sử dụng để xác định vị trí các vật thể ngập nước.(iStock)
Nó có vẻ đơn giản, nhưng việc thiết kế đầu dò để truyền âm thanh qua nước chứ không phải không khí có thể đặt ra những thách thức kỹ thuật phức tạp của riêng nó.Các ứng dụng này thường yêu cầu thiết bị áp điện tạo ra tín hiệu công suất cao để truyền đi khoảng cách xa mà không bị suy giảm dưới mức có thể phát hiện được.
Sử dụng mới
Một ứng dụng mới nổi của vật liệu áp điện là trong công nghệ thu năng lượng.Do các đặc tính độc đáo của vật liệu piezo, chúng có thể được sử dụng thành công trong bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu hoặc tạo ra rung động.
Trong quá trình thu năng lượng, rung động ngoại sinh tạo ra một biến dạng cơ học đối với vật liệu áp điện được chuyển đổi thành năng lượng điện.Năng lượng tạo ra piezo đó sau đó có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thành phần khác của thiết bị hoặc hệ thống.
Hệ thống giám sát áp suất lốp không phụ thuộc vào pin (TPMS) là một trong những ví dụ như vậy.Khi lốp xe quay, năng lượng cơ học được tạo ra.Cảm biến chứa piezo thu năng lượng đó, lưu trữ và gửi tín hiệu đến bảng hiển thị của người lái.Các TPMS trước đây đều chạy bằng pin, nhưng sự quan tâm ngày càng tăng đến các giải pháp thay thế pin thân thiện với môi trường đã dẫn đến sự tập trung mới vào tiềm năng thu năng lượng của vật liệu áp điện.
Khám phá cũ, Thử thách hiện đại
Mặc dù vật liệu áp điện đã được sử dụng trong hơn một thế kỷ qua, nhu cầu hiện tại về ứng dụng của chúng trong các sản phẩm nhỏ hơn và phức tạp hơn đặt ra một thách thức đối với các kỹ sư thiết kế.Việc chọn đúng vật liệu và thiết kế hình dạng tinh thể phù hợp là cực kỳ quan trọng đối với chức năng của nguyên mẫu.
Piezos có đặc tính vật liệu rất phức tạp, có tính liên kết chặt chẽ với nhau, và thành phần vật liệu rất quan trọng.Tương tự, nếu hình dạng của một tinh thể áp điện không tạo ra tần số cộng hưởng chính xác, thiết bị sẽ không hoạt động.Và, trong một bước khóa thanh lịch với “Hiệu ứng Người quan sát”, chính quá trình điện hóa của một tinh thể áp điện sẽ làm biến dạng hình dạng của nó trong khi cũng tạo ra nhiều điện hơn.
Đó là một vòng phản hồi cực kỳ phức tạp đòi hỏi một giải pháp thiết kế loại bỏ sự phỏng đoán liên quan đến các quy trình thử nghiệm xây dựng-thử nghiệm kéo dài.
Tại sao mô phỏng lại quan trọng
Mô phỏng luôn hữu ích khi xử lý các trường hợp phi tuyến tính.Nó ngăn cản các nhà thiết kế khỏi nhiệm vụ vô ơn (và thường không khả thi về mặt ngân sách) là xây dựng và thử nghiệm giữa quá nhiều ẩn số.Khi xem xét các bộ chuyển đổi âm thanh, sự kết hợp duy nhất của năng lượng điện, năng lượng cơ học và âm học được xác định là phi tuyến tính và vốn có bản chất là đa vật lý.
Mô phỏng Multiphysics có thể cung cấp cho các kỹ sư thiết kế các công cụ để phát triển sản phẩm hiệu quả hơn bằng cách cho phép họ mô phỏng thiết kế thiết bị của họ trong điều kiện hoạt động.Ngoài ra, những mô phỏng này có thể bao gồm toàn bộ hệ sinh thái từ mạch điều khiển đến bộ chuyển đổi áp điện đến môi trường âm thanh xung quanh.Mô phỏng đa vật lý sẽ tính đến các yếu tố như:
Các phương trình cấu tạo của phản ứng cơ và điện
Hướng phân cực của tính chất vật liệu áp điện
Điều kiện biên
Cơ học kết cấu / gia nhiệt dao động
Khi các thiết bị phụ thuộc áp điện trở nên nhỏ hơn và phức tạp hơn để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng sành sỏi (là những cá nhân hoặc ngành công nghiệp), các kỹ sư thiết kế phải có các công cụ tính toán đa vật lý trong sản phẩm của họ.Các công cụ mô phỏng Multiphysics có thể cung cấp sự rõ ràng và định hướng cho những thách thức thiết kế phức tạp.
