Cách Ép Chặt Bộ Chuyển Đổi Âm Thanh Piezo vào Thiết Bị Thu Nhỏ

Những gì bạn sẽ học:

• Ứng dụng rộng rãi của công nghệ áp điện.
• Tại sao xu hướng thu nhỏ thiết bị trong khi vẫn duy trì độ chính xác lại đặt ra những thách thức cho các kỹ sư thiết kế.
• Cách 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 bộ chuyển đổi âm thanh áp điện.

Sự thu nhỏ và 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 và các ứng dụng sonar liên quan đến quốc phòng, mang lại nhiều tiện ích và sự dễ dàng cho người tiêu dùng—và một thách thức liên tục cho các kỹ sư thiết kế. Các sản phẩm dường như khác biệt này (loa thiết bị âm thanh/di động, một số thiết bị y tế không xâm lấn và mảng sonar) có điểm chung là dựa vào các bộ chuyển đổi áp điện để vừa tạo ra vừa nhận tín hiệu âm thanh.

Vật liệu áp điện đã được đánh giá cao kể từ nửa đầu thế kỷ 20 vì khả năng chuyển đổi năng lượng cơ học 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 các tần số chính xác hơn trong các gói nhỏ hơn và nhỏ hơn, đồng thời sử dụng càng ít năng lượng càng tốt.

Thách thức trong việc thiết kế các thiết bị chứa áp điện vốn có bản chất đa vật lý do sự kết hợp của điện, 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. Các vật liệu này cũng có thể bị biến dạng khi điện áp (điện) được áp dụng. Các vật liệu gốm áp điện điển hình, cho dù là gốm không dẫn điện hay tinh thể, được đặt giữa hai tấm kim loại.

Để tạo ra điện 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. Điều này được tạo ra bằng cách áp dụng điện áp điện để làm cho tinh thể áp điện co lại hoặc giãn ra. Hiệu ứng áp điện nghịch chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.

Vật liệu áp điện được tìm thấy trong một loạt các sản phẩm hàng ngày đáng ngạc nhiên. Ngọn lửa bùng lên khi bạn nhấn nút của bật lửa “nhấp và cháy” đã được hỗ trợ tồn tại nhờ sự nén của vật liệu áp điện, tạo ra tia lửa.

Bây giờ, hãy xem xét một số sản phẩm khác đặt ra nhiều thách thức hơn cho các kỹ sư thiết kế do cần tăng sản lượng trong các thiết bị nhỏ hơn.

Micrô và Loa

Vật liệu áp điện được sử dụng rộng rãi trong âm học. Micrô chứa các tinh thể áp điện chuyển đổi sóng âm thanh đến thành các tín hiệu sau đó được xử lý để tạo ra âm thanh khuếch đại đi ra. 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 các 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.

Thiết bị y tế

Các thiết bị y tế không xâm lấn như máy trợ thính cũng dựa vào áp điện cho một phần hoạt động của chúng. Công nghệ siêu âm cũng vậy, đây là một ứng dụng chính của vật liệu áp điện.

Trong siêu âm, vật liệu áp điện được điện khí hóa để tạo ra sóng âm tần số cao (từ 1,5 đến 8 MHz) có thể xuyên qua các mô cơ thể. Khi sóng dội 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 harmonic sử dụng các đặc tính rung của vật liệu áp điện để cắt và đốt mô trong quá trình phẫu thuật. Các tinh thể áp điện trong thiết bị tạo ra cả năng lượng động học và năng lượng nhiệt cần thiết để cắt và đốt đồng thời.

Các thách thức thiết kế siêu âm tập trung vào nhu cầu xác định hình dạng và thành phần vật liệu chính xác 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 harmonic, thiết kế phải tính đến các tác động của việc làm nóng đối với phản ứng rung của thiết bị.

Sonar

Có lẽ việc sử dụng công nghệ áp điện rộng rãi và lâu đời nhất có thể được tìm thấy trong các ứng dụng sonar. Trong Thế chiến I, sonar là ứng dụng thương mại đầu tiên của áp điện và việc sử dụng nó đã tăng vọt trong giai đoạn 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 bộ chuyển đổi chứa áp điện để vừa tạo ra vừa nhận sóng âm thanh.

Có vẻ đơn giản, nhưng việc thiết kế các bộ chuyển đổi để truyền âm thanh qua nước thay vì không khí có thể đặt ra những thách thức kỹ thuật phức tạp riêng. Các ứng dụng này thường yêu cầu thiết bị áp điện tạo ra các tín hiệu công suất cao để truyền đi xa mà không bị suy giảm dưới mức có thể phát hiện được.

Công dụng mới

Một ứng dụng mới nổi của vật liệu áp điện là trong công nghệ thu hoạch năng lượng. Do các đặc tính độc đáo của vật liệu áp điện, chúng có thể được sử dụng thành công trong bất kỳ ứng dụng nào yêu cầu hoặc tạo ra rung động.

Trong thu hoạch năng lượng, rung động bên ngoài tạo ra ứng suất cơ học cho vật liệu áp điện, sau đó được chuyển đổi thành năng lượng điện. Năng lượng do áp điện tạo ra 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 (TPMS) độc lập với pin là một ví dụ như vậy. Khi lốp xe của một chiếc xe quay, năng lượng cơ học được tạo ra. Một cảm biến chứa áp điện thu hoạch năng lượng đó, lưu trữ nó và gửi tín hiệu đến bảng điều khiển hiển thị của người lái. TPMS trước đây đã được cung cấp năng lượng bằng pin, nhưng sự quan tâm ngày càng tăng đến các lựa chọn thay thế pin thân thiện với môi trường đã dẫn đến một sự tập trung mới vào tiềm năng thu hoạch năng lượng của vật liệu áp điện.

Phát hiện cũ, Thách thức hiện đại

Mặc dù vật liệu áp điện đã được sử dụng trong hơn một thế kỷ, nhưng nhu cầu hiện tại về ứng dụng của chúng trong các sản phẩm nhỏ hơn và phức tạp hơn đặt ra một thách thức cho các kỹ sư thiết kế. Việc chọn vật liệu chính xác và thiết kế hình dạng tinh thể phù hợp là rất quan trọng đối với chức năng của một nguyên mẫu.

Áp điện có các đặc tính vật liệu rất phức tạp, có liên quan 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 sự đồng bộ thanh lịch với “Hiệu ứng quan sát”, chính việc điện khí hóa một tinh thể áp điện sẽ làm biến dạng hình dạng của nó đồng thời tạo ra nhiều điện hơn.

Đó là một vòng lặp phản hồi cực kỳ phức tạp, đòi hỏi một giải pháp thiết kế loại bỏ phỏng đoán liên quan đến các quy trình nguyên mẫu xây dựng-thử nghiệm dài.

Tại sao mô phỏng lại quan trọng

Mô phỏng luôn hữu ích khi xử lý các 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 điều chưa biết. Khi xem xét các bộ chuyển đổi điện âm, sự kết hợp độc đáo của năng lượng điện, năng lượng cơ học và âm học chắc chắn là phi tuyến tính và vốn có bản chất đa vật lý.

Mô phỏng đa vật lý 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 mình trong điều kiện hoạt động. Ngoài ra, các 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 học xung quanh. Mô phỏng đa vật lý sẽ tính đến các yếu tố như:

• Các phương trình cấu thành của phản ứng cơ học và điện
• Hướng phân cực của các đặc tính vật liệu áp điện
• Điều kiện biên
• Cơ học cấu trúc/gia nhiệt rung

Khi các thiết bị phụ thuộc vào áp điện trở nên nhỏ hơn và phức tạp hơn để đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng tinh vi (cho dù là cá nhân hay ngành), các kỹ sư thiết kế phải có các công cụ tính toán nhiều vật lý trong sản phẩm của họ. Các công cụ mô phỏng đa vật lý có thể cung cấp sự rõ ràng và định hướng cho các thách thức thiết kế phức tạp.

Bạn có thể tìm hiểu thêm về công nghệ áp điện bằng cách xem Thiết kế bộ chuyển đổi âm thanh áp điện bằng mô phỏng hội thảo trên web.