Piezo 음향 변환기를 수축 장치로 짜는 방법

배울 것 :

• 압전 기술의 광범위한 적용.
• 정밀도를 유지하면서 디자인 엔지니어에게는 정밀도를 유지하는 동시에 왜 장치를 소형화하는 트렌드.
• 다중 소프트웨어 도구가 압전 음향 변환기 설계의 고유 한 다층 문제를 해결할 수있는 방법.

소비자 미디어 장치에서 의료 진단 도구, 방어 관련 소나 애플리케이션에 이르기까지 전자 제품의 소형화 및 정교함이 증가하는 것은 소비자에게 현금과 편의성과 디자인 엔지니어에게는 지속적인 도전을 제시합니다. 이러한 이질적인 제품 (오디오/모바일 장치 스피커, 특정 비 침습 의료 기기 및 소나 어레이)은 압전 변환기에 대한 의존성을 공유하여 음향 신호를 생성하고받습니다.

압전 재료는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환 할 수있는 능력과 그 반대도 마찬가지로 20 세기 전반부터 가치가 있습니다. 그러나 21 세기 기술은 이러한 동일한 재료가 더 작고 작은 패키지 내에서 더 많은 사운드 또는 더 정확한 주파수를 생산하는 동시에 가능한 한 적은 에너지를 활용할 것을 요구합니다.

압전 함유 장치 설계의 과제는 전기, 진동 및 음향의 합류로 인해 본질적으로 자연적으로 다중 물리학입니다. 따라서 설계자는 제품 내의 여러 물리학을 계산할 수있는 도구가 있어야합니다.

압전 재료 개요

압전 재료는 압축과 같은 기계적 응력으로 인해 전기를 생산할 수있는 재료입니다. 이 재료는 전압 (전기)이 적용될 때도 변형 될 수 있습니다. 비공식 세라믹 또는 결정에 관계없이 전형적인 압전 세라믹 물질은 2 개의 금속 플레이트 사이에 배치됩니다.

압전을 생성하려면 재료를 압축하거나 압박해야합니다. 압전 세라믹 재료에 적용되는 기계적 응력은 전기를 생성합니다. 압전 효과는 역전 전기 효과라고합니다. 이것은 전기 전압을 적용하여 압전 결정 수축 또는 팽창을 만들어 생성됩니다. 역 압전 효과는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환합니다.

압전 재료는 놀라운 일상 제품 배열에서 발견됩니다. "클릭 앤 플레임"라이터의 버튼을 누르면 생명을 불어 넣는 불꽃은 압전 재료의 압축에 의해 존재로 이어졌으며, 이는 스파크를 생성합니다.

이제 소규모 장치 내에서 출력 증가가 필요하기 때문에 설계 엔지니어에게 더 많은 도전을 제시하는 다른 제품을 살펴 보겠습니다.

마이크와 스피커

압전 재료는 음향에서 광범위하게 사용됩니다. 마이크에는 들어오는 음파를 신호로 변환 한 다음 발신 증폭 된 사운드를 생성하는 신호로 변환하는 압전 결정이 포함되어 있습니다. 휴대 전화 및 기타 모바일 장치 내의 소규모 스피커도 압전 결정에 의해 구동됩니다. 장치의 배터리는 사운드를 생성하는 주파수에서 크리스탈을 진동합니다.

여기서 문제는 소형 패키지 내에서 매우 높은 품질의 사운드를 생성 할 수 있고 장치 배터리의 너무 많이 배수하지 않고 고품질 사운드를 생성 할 수있는 압전 변환기를 설계하는 것입니다.

의료 기기

보청기와 같은 비 침습적 의료 기기는 또한 수술의 일부를 위해 압전에 의존합니다. 따라서 초음파 기술은 압전 재료의 주요 응용 프로그램입니다.

초음파에서, 압전 재료는 전기 화되어 고주파 음파 (1.5 ~ 8MHz)를 생성하여 신체 조직에 침투 할 수 있습니다. 파도가 뒤로 튀어 나오면, 압전 결정은 수신 된 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 초음파 기계로 다시 전환하여 이미지로 변환합니다.

고조파 메스와 같은 다른 의료 기기는 압전 재료의 진동 특성을 사용하여 수술 중 조직을 자르고 소작합니다. 장치 내의 압전 결정은 동시에 절단하고 소작하는 데 필요한 운동 에너지와 열 에너지를 생성합니다.

초음파 설계 과제는 초음파에 사용되는 매우 정확한 주파수를 생성하기 위해 압전 구성 요소의 올바른 모양 및 재료 구성을 결정해야 할 필요성에 중점을 둡니다. 또한 고조파 메스의 예에서 설계는 장치의 진동 응답에 대한 가열의 영향을 설명해야합니다.

소나

아마도 압전 기술의 가장 광범위하고 가장 오래된 사용은 소나 응용 분야에서 찾을 수 있습니다. 제 1 차 세계 대전 중에 소나는 압전의 최초의 상업적 적용이었으며, 2 차 세계 대전 사이의 기간 동안 그 사용이 급증했습니다.

오늘날, 군대, 상업 어부들이 사용하는 시스템을 포함한 모든 소나 기반 시스템 및 수많은 다른 해양 응용 프로그램은 피에 조을 함유하는 트랜스 듀서를 활용하여 음파를 생성하고받습니다.

간단 해 보이지만 공기보다는 물을 통한 소리 전파를위한 트랜스 듀서를 설계하면 자체 복잡한 엔지니어링 문제가 발생할 수 있습니다. 이러한 응용 분야는 종종 감지 가능한 수준 이하로 약화하지 않고 장거리 전파하기 위해 고출력 신호를 생성하기 위해 종종 고출력 신호를 생성하도록 요구합니다.

새로운 용도

압전 재료의 새로운 적용은 에너지 수확 기술 내에 있습니다. Piezo 재료의 고유 한 특성으로 인해 진동이 필요하거나 생성하는 모든 응용 분야에서 성공적으로 사용될 수 있습니다.

에너지 수확에서, 외인성 진동은 전기 에너지로 전환되는 압전 물질에 기계적 변형을 생성한다. 그런 다음 Piezo-chreated 에너지를 사용하여 장치 또는 시스템의 다른 구성 요소에 전원을 공급할 수 있습니다.

배터리 독립적 인 타이어 압력 모니터링 시스템 (TPMS)은 그러한 예 중 하나를 나타냅니다. 차량의 타이어가 회전함에 따라 기계 에너지가 생성됩니다. Piezo 함유 센서는 에너지를 수확하여 에너지를 저장하고 드라이버 디스플레이 패널에 신호를 보냅니다. TPMS는 역사적으로 배터리로 작동했지만 환경 친화적 인 배터리 대안에 대한 관심이 높아짐에 따라 압전 재료의 에너지 수확 잠재력에 새로운 초점을 맞췄습니다.

오래된 발견, 현대 도전

압전 재료는 1 세기 이상 사용되어 왔지만, 더 작고 더 복잡한 제품 내에서의 적용에 대한 현재의 요구는 설계 엔지니어들에게 어려움을 초래합니다. 올바른 재료를 선택하고 올바른 결정 모양을 설계하는 것은 프로토 타입의 기능에 매우 중요합니다.

Piezos는 매우 얽힌 매우 복잡한 재료 특성을 가지고 있으며 재료 조성물이 중요합니다. 마찬가지로, 압전 결정의 모양이 올바른 공진 주파수를 생성하지 않으면 장치가 작동하지 않습니다. 그리고 "관찰자 효과"와 함께 우아한 잠금 장치에서, 압전 결정의 전기 화는 그 모양을 변형시키면서 더 많은 전기를 생산합니다.

긴 빌드 테스트 프로토 타입 프로세스와 관련된 추측을 제거하는 설계 솔루션을 위해 엄청나게 복잡한 피드백 루프입니다.

시뮬레이션이 중요한 이유

비선형 성을 다룰 때 시뮬레이션은 항상 도움이됩니다. 그것은 디자이너들이 너무 많은 미지의 가운데서 구축 및 테스트의 감사가없는 (그리고 예산으로 불가능한) 작업을 방지합니다. 전기 음향 변환기를 고려할 때 전기 에너지, 기계적 에너지 및 음향의 고유 한 조합은 결정적으로 비선형이며 본질적으로 다중 물리학입니다.

다상 시뮬레이션 시뮬레이션은 디자인 엔지니어에게 작동 조건 내에서 장치 설계를 시뮬레이션 할 수 있도록 제품을보다 효과적으로 개발할 수있는 도구를 제공 할 수 있습니다. 또한, 이러한 시뮬레이션에는 제어 회로에서 압전 변환기, 주변 음향 환경에 이르기까지 전체 생태계가 포함될 수 있습니다. 다가학 시뮬레이션은 다음과 같은 요소를 고려합니다.

• 기계적 및 전기 반응의 구성 방정식
• 압전 재료 특성의 폴링 방향
• 경계 조건
• 구조 역학/진동 가열

압전 의존 장치가 정교한 소비자 (개인 또는 산업)의 요구를 충족시키기 위해 점점 작고 복잡해지면서 설계 엔지니어는 제품 내의 여러 물리학을 계산하는 도구가 있어야합니다. 다상 시뮬레이션 도구는 복잡한 설계 문제에 명확하고 방향을 제공 할 수 있습니다.

감시하여 압전 기술에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다.시뮬레이션으로 압전 음향 변환기 설계웹 세미나.