Cara Meremas Transduser Akustik Piezo ke Perangkat yang Menyusut

Apa yang akan Anda pelajari:

• Aplikasi luas dari teknologi piezoelektrik.
• Mengapa tren untuk memperkecil perangkat sambil mempertahankan presisi menghadirkan tantangan bagi insinyur desain.
• Bagaimana perangkat lunak multifisika dapat mengatasi tantangan multifisika yang melekat dalam merancang transduser akustik piezoelektrik.

Miniaturisasi dan kecanggihan produk elektronik yang semakin meningkat, mulai dari perangkat media konsumen hingga alat diagnostik medis hingga aplikasi sonar terkait pertahanan, menghadirkan banyak kegunaan dan kemudahan bagi konsumen—dan tantangan berkelanjutan bagi para insinyur desain.Produk yang tampaknya berbeda ini (speaker perangkat audio/seluler, perangkat medis non-invasif tertentu, dan susunan sonar) memiliki ketergantungan yang sama pada transduser piezoelektrik untuk menghasilkan dan menerima sinyal akustik.

Bahan piezoelektrik telah dihargai sejak paruh pertama abad ke-20 karena kemampuannya untuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dan sebaliknya.Namun, teknologi abad ke-21 menuntut agar bahan yang sama ini menghasilkan lebih banyak suara atau frekuensi yang lebih tepat dalam paket yang lebih kecil dan lebih kecil, sambil memanfaatkan energi sesedikit mungkin.

Tantangan merancang perangkat yang mengandung piezoelektrik secara inheren bersifat multifisika karena pertemuan listrik, getaran, dan akustik.Dengan demikian, desainer harus memiliki alat yang dapat menghitung beberapa fisika dalam produk mereka.

Ikhtisar Bahan Piezoelektrik

Bahan piezoelektrik adalah bahan yang dapat menghasilkan listrik karena adanya tegangan mekanik, seperti kompresi.Bahan-bahan ini juga dapat berubah bentuk ketika tegangan (listrik) diberikan.Bahan piezoceramic yang khas, baik keramik atau kristal non-konduktif, ditempatkan di antara dua pelat logam.

Untuk menghasilkan piezoelektrik, material harus dikompresi atau diperas.Tegangan mekanis yang diterapkan pada bahan keramik piezoelektrik menghasilkan listrik.Efek piezoelektrik dapat dibalik, yang disebut sebagai efek piezoelektrik terbalik.Ini dibuat dengan menerapkan tegangan listrik untuk membuat kristal piezoelektrik menyusut atau mengembang.Efek piezoelektrik terbalik mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.

Bahan piezoelektrik ditemukan dalam rangkaian produk sehari-hari yang mengejutkan.Nyala api yang melompat menjadi hidup saat Anda menekan tombol pemantik “klik-dan-nyala” dibantu oleh kompresi bahan piezoelektrik, yang menghasilkan percikan api.

Sekarang, mari kita lihat beberapa produk lain yang menghadirkan lebih banyak tantangan bagi insinyur desain karena kebutuhan untuk meningkatkan output dalam perangkat yang lebih kecil.

Mikrofon dan Speaker

Bahan piezoelektrik digunakan secara luas dalam akustik.Mikrofon mengandung kristal piezoelektrik yang mengubah gelombang suara yang masuk menjadi sinyal yang kemudian diproses untuk membuat suara yang diperkuat keluar.Speaker kecil, seperti yang ada di dalam ponsel dan perangkat seluler lainnya, juga digerakkan oleh kristal piezoelektrik.Baterai perangkat menggetarkan kristal pada frekuensi yang menghasilkan suara.

Tantangannya di sini adalah merancang transduser piezoelektrik yang dapat menghasilkan suara berkualitas sangat tinggi dalam kemasan kecil, dan tanpa menguras terlalu banyak baterai perangkat.

Alat kesehatan

Perangkat medis non-invasif seperti alat bantu dengar juga mengandalkan piezoelektrik untuk sebagian operasinya.Begitu juga dengan teknologi ultrasound, yang merupakan aplikasi utama dari bahan piezoelektrik.

Dalam ultrasonik, bahan piezoelektrik dialiri listrik untuk menciptakan gelombang suara frekuensi tinggi (antara 1,5 dan 8 MHz) yang mampu menembus jaringan tubuh.Saat gelombang memantul kembali, kristal piezoelektrik mengubah energi mekanik yang diterima menjadi energi listrik, mengirimkannya kembali ke mesin ultrasound untuk diubah menjadi gambar.

Perangkat medis lainnya seperti pisau bedah harmonik memanfaatkan sifat getaran bahan piezoelektrik untuk memotong dan membakar jaringan selama operasi.Kristal piezoelektrik di dalam perangkat menghasilkan energi kinetik dan energi panas yang dibutuhkan untuk memotong dan membakar secara bersamaan.

Tantangan desain ultrasonik berfokus pada kebutuhan untuk menentukan bentuk dan komposisi material yang benar dari komponen piezoelektrik untuk menciptakan frekuensi yang sangat tepat yang digunakan dalam ultrasound.Dan, dalam contoh pisau bedah harmonik, desain harus memperhitungkan efek pemanasan pada respons getaran perangkat.

Sonar

Mungkin penggunaan terluas dan paling lama dari teknologi piezoelektrik dapat ditemukan dalam aplikasi sonar.Selama Perang Dunia I, sonar adalah aplikasi komersial pertama piezoelektrik, dan penggunaannya meroket pada periode antara dua perang dunia.

Saat ini, semua sistem berbasis sonar, termasuk yang digunakan oleh militer, nelayan komersial, dan dalam berbagai aplikasi kelautan lainnya, menggunakan transduser yang mengandung piezo untuk menghasilkan dan menerima gelombang suara.

Tampaknya sederhana, tetapi merancang transduser untuk perambatan suara melalui air daripada udara dapat menghadirkan serangkaian tantangan rekayasa yang kompleks.Aplikasi ini sering membutuhkan perangkat piezoelektrik untuk menghasilkan sinyal daya tinggi untuk menyebarkan jarak jauh tanpa melemahkan di bawah tingkat terdeteksi.

Penggunaan Baru

Aplikasi bahan piezoelektrik yang muncul adalah dalam teknologi pemanenan energi.Karena sifat unik dari bahan piezo, mereka dapat berhasil digunakan dalam aplikasi apa pun yang membutuhkan atau menghasilkan getaran.

Dalam pemanenan energi, getaran eksogen menghasilkan regangan mekanis pada bahan piezoelektrik yang diubah menjadi energi listrik.Energi yang diciptakan piezo itu kemudian dapat digunakan untuk memberi daya pada komponen lain dari perangkat atau sistem.

Sistem pemantauan tekanan ban (TPMS) yang tidak bergantung pada baterai merupakan salah satu contohnya.Saat ban kendaraan berputar, energi mekanik dihasilkan.Sensor yang mengandung piezo memanen energi itu, menyimpannya, dan mengirimkan sinyal ke panel tampilan pengemudi.TPMS secara historis bertenaga baterai, tetapi meningkatnya minat pada alternatif baterai ramah lingkungan telah menyebabkan fokus baru pada potensi pemanenan energi dari bahan piezoelektrik.

Penemuan Lama, Tantangan Modern

Meskipun bahan piezoelektrik telah digunakan selama lebih dari satu abad, kebutuhan saat ini untuk aplikasi mereka dalam produk yang lebih kecil dan lebih kompleks menghadirkan tantangan bagi insinyur desain.Memilih bahan yang tepat dan merancang bentuk kristal yang tepat sangat penting untuk fungsionalitas prototipe.

Piezos memiliki sifat material yang sangat kompleks yang sangat terkait, dan komposisi material penting.Demikian pula, jika bentuk kristal piezoelektrik tidak menghasilkan frekuensi resonansi yang benar, perangkat tidak akan berfungsi.Dan, sejalan dengan “Efek Pengamat” yang elegan, elektrifikasi kristal piezoelektrik mengubah bentuknya sementara juga menghasilkan lebih banyak listrik.

Ini adalah lingkaran umpan balik yang sangat rumit yang menuntut solusi desain yang menghilangkan dugaan yang terlibat dalam proses prototipe uji-bangun yang panjang.

Mengapa Simulasi Penting

Simulasi selalu membantu ketika berhadapan dengan nonlinier.Ini mencegah desainer dari tugas tanpa pamrih (dan seringkali tidak layak secara anggaran) membangun dan menguji di tengah terlalu banyak hal yang tidak diketahui.Ketika mempertimbangkan transduser elektroakustik, kombinasi unik energi listrik, energi mekanik, dan akustik jelas nonlinier, dan secara inheren bersifat multifisika.

Simulasi multifisika dapat memberikan insinyur desain dengan alat untuk mengembangkan produk lebih efektif dengan memungkinkan mereka untuk mensimulasikan desain perangkat mereka dalam kondisi operasi.Selain itu, simulasi ini dapat mencakup seluruh ekosistem mulai dari rangkaian kontrol hingga transduser piezoelektrik hingga lingkungan akustik di sekitarnya.Simulasi multifisika akan mempertimbangkan faktor-faktor seperti:

• Persamaan konstitutif dari respon mekanik dan listrik
• Arah kutub sifat bahan piezoelektrik
• Kondisi batas
• Mekanika struktural/pemanasan getaran

Karena perangkat yang bergantung pada piezoelektrik menjadi lebih kecil dan lebih kompleks untuk memenuhi tuntutan konsumen yang canggih (baik itu individu atau industri), insinyur desain harus memiliki alat yang menghitung banyak fisika dalam produk mereka.Alat simulasi multifisika dapat memberikan kejelasan dan arah untuk tantangan desain yang rumit.

Anda dapat mengetahui lebih lanjut tentang teknologi piezoelektrik dengan menontonMerancang Transduser Akustik Piezoelektrik dengan Simulasiwebinar.