पिज़ो-एकोस्टिक ट्रांसड्यूसर को सिकुड़ने वाले उपकरणों में कैसे दबाएं

आप क्या सीखेंगे:

• पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रौद्योगिकी का व्यापक अनुप्रयोग।
• डिजाइन इंजीनियरों के लिए यह चुनौती क्यों है कि वे सटीकता बनाए रखते हुए उपकरणों को छोटा करने की प्रवृत्ति रखते हैं?
• कैसे बहुभौतिकी सॉफ्टवेयर उपकरण पीज़ोइलेक्ट्रिक ध्वनिक ट्रांसड्यूसर डिजाइन करने की अंतर्निहित बहुभौतिकी चुनौतियों का समाधान कर सकते हैं।

उपभोक्ता मीडिया उपकरणों से लेकर चिकित्सा नैदानिक उपकरणों से लेकर रक्षा से संबंधित सोनार अनुप्रयोगों तक इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों का बढ़ता लघुकरण और परिष्कृत होना,उपभोक्ताओं के लिए उपयोगिता और आसानी का एक वरदान प्रस्तुत करता है और डिजाइन इंजीनियरों के लिए एक निरंतर चुनौती हैये प्रतीत होता है कि असमान उत्पाद (ऑडियो/मोबाइल डिवाइस स्पीकर, कुछ गैर-आक्रामक चिकित्सा उपकरण,और सोनर सरणी) दोनों उत्पन्न करने और ध्वनिक संकेत प्राप्त करने के लिए पीज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर पर निर्भरता साझा करते हैं.

पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों को 20वीं शताब्दी के पहले भाग से यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने की उनकी क्षमता के लिए महत्व दिया गया है।21वीं सदी की तकनीक के अनुसार इन ही सामग्रियों को छोटे और छोटे पैकेज में अधिक ध्वनि या अधिक सटीक आवृत्तियों का उत्पादन करना पड़ता है।, जबकि कम से कम संभव ऊर्जा का उपयोग करते हुए।

पिज़ोइलेक्ट्रिक युक्त उपकरणों को डिजाइन करने की चुनौती विद्युत, कंपन और ध्वनिकी के संगम के कारण प्रकृति में बहुभौतिकी है।डिजाइनरों के पास ऐसे उपकरण होने चाहिए जो उनके उत्पादों के भीतर कई भौतिकी की गणना कर सकें.

पिज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री का अवलोकन

पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री वे सामग्री हैं जो यांत्रिक तनाव के कारण बिजली का उत्पादन कर सकती हैं, जैसे कि संपीड़न। ये सामग्री वोल्टेज (बिजली) लागू होने पर भी विकृत हो सकती हैं।विशिष्ट पिज़ोसेरेमिक सामग्री, चाहे गैर-चालक सिरेमिक या क्रिस्टल, दो धातु प्लेटों के बीच रखा जाता है।

पिज़ोइलेक्ट्रिक ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए, सामग्री को संपीड़ित या निचोड़ा जाना चाहिए। पिज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्री पर लागू यांत्रिक तनाव बिजली उत्पन्न करता है। पिज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव को उलट दिया जा सकता है,जिसे उल्टा पिज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता हैयह विद्युत वोल्टेज को लागू करके बनाया जाता है ताकि एक पिज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल सिकुड़ या विस्तारित हो सके। उल्टा पिज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है।

रोजमर्रा के उत्पादों में आश्चर्यजनक रूप से कई प्रकार की पिज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री पाई जाती है।जब आप एक क्लिक-एंड-फ्लैम लाइटर के बटन को दबाते हैं तो वह लौ जो जीवन में कूदती है, उसे पिज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री के संपीड़न से अस्तित्व में आने में मदद मिली, जो एक चिंगारी उत्पन्न करता है।

अब, आइए कुछ अन्य उत्पादों को देखें जो डिजाइन इंजीनियरों के लिए छोटी उपकरणों के भीतर अधिक उत्पादन की आवश्यकता के कारण अधिक चुनौतीपूर्ण हैं।

माइक्रोफ़ोन और स्पीकर

ध्वनिकी में पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री का व्यापक रूप से प्रयोग किया जाता है।माइक्रोफ़ोन में पिज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल होते हैं जो आने वाली ध्वनि तरंगों को संकेतों में परिवर्तित करते हैं जो फिर बाहर जाने वाली प्रवर्धित ध्वनि बनाने के लिए संसाधित होते हैंछोटे स्पीकर, जैसे कि सेल फोन और अन्य मोबाइल उपकरणों के अंदर, भी पिज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल द्वारा संचालित होते हैं। डिवाइस की बैटरी क्रिस्टल को एक आवृत्ति पर कंपन करती है जो ध्वनि का उत्पादन करती है।

यहां चुनौती यह है कि ऐसे पीज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर को डिजाइन किया जाए जो एक छोटे से पैकेज के भीतर बहुत उच्च गुणवत्ता वाली ध्वनि का उत्पादन कर सकें, और डिवाइस की बैटरी का बहुत अधिक उपयोग किए बिना।

चिकित्सा उपकरण

गैर-आक्रामक चिकित्सा उपकरण जैसे श्रवण यंत्र भी अपने परिचालन के एक हिस्से के लिए पिज़ोइलेक्ट्रिक्स पर निर्भर करते हैं।जो पिज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री का एक प्रमुख अनुप्रयोग है.

अल्ट्रासोनिक्स में, उच्च आवृत्ति ध्वनि तरंगों (1,5 और 8 मेगाहर्ट्ज के बीच) बनाने के लिए पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री को विद्युतीकृत किया जाता है जो शरीर के ऊतकों में प्रवेश करने में सक्षम हैं।पिज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल प्राप्त यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं, इसे एक छवि में परिवर्तित करने के लिए अल्ट्रासाउंड मशीन में वापस भेजता है।

अन्य चिकित्सा उपकरण जैसे हार्मोनिक स्केलपल्स सर्जरी के दौरान ऊतक को काटने और cauterize करने के लिए पिज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री के कंपन गुणों का उपयोग करते हैं।उपकरण के भीतर पिज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल एक साथ काटने और cauterize करने के लिए आवश्यक गतिज ऊर्जा और गर्मी ऊर्जा दोनों उत्पन्न.

अल्ट्रासोनिक डिजाइन चुनौतियां अल्ट्रासाउंड में उपयोग की जाने वाली बहुत सटीक आवृत्तियों को बनाने के लिए पीज़ोइलेक्ट्रिक घटकों के सही आकार और सामग्री संरचना को निर्धारित करने की आवश्यकता पर केंद्रित हैं। और,हार्मोनिक स्केलपल्स के उदाहरण में, डिजाइन को उपकरण की कंपन प्रतिक्रिया पर हीटिंग के प्रभावों को ध्यान में रखना चाहिए।

सोनार

शायद पीज़ोइलेक्ट्रिक तकनीक का सबसे व्यापक और सबसे लंबे समय तक उपयोग सोनार अनुप्रयोगों के भीतर पाया जा सकता है। प्रथम विश्व युद्ध के दौरान, सोनार पीज़ोइलेक्ट्रिक का पहला वाणिज्यिक अनुप्रयोग था,और दो विश्व युद्धों के बीच की अवधि में इसका उपयोग आसमान छू गया.

आज, सभी सोनार आधारित प्रणाली, सैन्य, वाणिज्यिक मछुआरों द्वारा इस्तेमाल किया उन सहित, और कई अन्य समुद्री अनुप्रयोगों में,ध्वनि तरंगों को उत्पन्न करने और प्राप्त करने के लिए एक पायज़ो युक्त ट्रांसड्यूसर का उपयोग करें.

यह सरल लगता है, लेकिन हवा के बजाय पानी के माध्यम से ध्वनि के प्रसार के लिए ट्रांसड्यूसर डिजाइन करने के लिए अपनी जटिल इंजीनियरिंग चुनौतियों का एक सेट पेश कर सकता है।इन अनुप्रयोगों के लिए अक्सर पाईज़ोइलेक्ट्रिक डिवाइस को उच्च शक्ति वाले संकेत उत्पन्न करने की आवश्यकता होती है ताकि पता लगाने योग्य स्तरों से नीचे कम किए बिना लंबी दूरी पर प्रसारित किया जा सके।.

नए उपयोग

पिज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का एक उभरता हुआ अनुप्रयोग ऊर्जा-उपज प्रौद्योगिकी के भीतर है।वे सफलतापूर्वक किसी भी अनुप्रयोग में इस्तेमाल किया जा सकता है कि की आवश्यकता है या कंपन पैदा करता है.

ऊर्जा की कटाई में, बाह्य कंपन पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री पर एक यांत्रिक तनाव पैदा करता है जिसे विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है।उस पिज़ो-निर्मित ऊर्जा का उपयोग तब डिवाइस या प्रणाली के अन्य घटकों को बिजली देने के लिए किया जा सकता है.

बैटरी-स्वतंत्र टायर-दबाव-निरीक्षण प्रणाली (टीपीएमएस) एक ऐसा उदाहरण है। जब एक वाहन के टायर घूमते हैं, तो यांत्रिक ऊर्जा का उत्पादन होता है।संग्रहीत करता है, और ड्राइवर के डिस्प्ले पैनल पर एक संकेत भेजता है।लेकिन पर्यावरण के अनुकूल बैटरी विकल्पों में बढ़ती दिलचस्पी ने पिज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की ऊर्जा-उपज क्षमता पर एक नया ध्यान केंद्रित किया है.

प्राचीन खोज, आधुनिक चुनौतियाँ

यद्यपि पिज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री का उपयोग एक सदी से अधिक समय से किया जा रहा है, लेकिन छोटे और अधिक जटिल उत्पादों के भीतर उनके अनुप्रयोग की वर्तमान आवश्यकता डिजाइन इंजीनियरों के लिए एक चुनौती प्रस्तुत करती है।सही सामग्री चुनना और सही क्रिस्टल आकार का डिजाइन करना प्रोटोटाइप की कार्यक्षमता के लिए महत्वपूर्ण है.

Piezos बहुत जटिल सामग्री गुण है कि अत्यधिक आपस में जुड़े हुए हैं, और सामग्री संरचना मायने रखता है। इसी तरह,यदि पिज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल का आकार सही गूंजती आवृत्ति उत्पन्न नहीं करता हैऔर, "ऑब्जर्वर इफेक्ट" के साथ सुरुचिपूर्ण लॉकस्टेप में, एक पीज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल का विद्युतीकरण ही इसके आकार को विकृत करता है और साथ ही अधिक बिजली का उत्पादन करता है।

यह एक अविश्वसनीय रूप से जटिल फीडबैक लूप है जो एक डिजाइन समाधान के लिए रोता है जो लंबे समय तक निर्माण-परीक्षण प्रोटोटाइप प्रक्रियाओं में शामिल अनुमानों को समाप्त करता है।

सिमुलेशन का महत्व

अनुकरण हमेशा गैर-रैखिकता से निपटने में सहायक होता है। यह डिजाइनरों को बहुत अधिक अज्ञात के बीच निर्माण और परीक्षण के कृतघ्न (और अक्सर बजटीय रूप से असंभव) कार्य से रोकता है।जब इलेक्ट्रोएकोस्टिक ट्रांसड्यूसर पर विचार किया जाता है, विद्युत ऊर्जा, यांत्रिक ऊर्जा और ध्वनिकी का अद्वितीय संयोजन निश्चित रूप से गैर-रैखिक है, और स्वाभाविक रूप से प्रकृति में बहुभौतिकी है।

मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन डिजाइन इंजीनियरों को ऑपरेटिंग परिस्थितियों में अपने डिवाइस डिजाइन का अनुकरण करने में सक्षम करके उत्पादों को अधिक प्रभावी ढंग से विकसित करने के लिए उपकरण प्रदान कर सकता है।इन सिमुलेशनों में नियंत्रण सर्किट से लेकर पिज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर तक आसपास के ध्वनिक वातावरण तक पूरे पारिस्थितिकी तंत्र को शामिल किया जा सकता है।मल्टीफिजिक्स सिमुलेशन में निम्नलिखित कारकों को ध्यान में रखा जाएगा:

• यांत्रिक और विद्युत प्रतिक्रिया के घटक समीकरण
• पिज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री गुणों की पोलिंग दिशा
• सीमा की शर्तें
• संरचनात्मक यांत्रिकी/ कंपन ताप

चूंकि पिज़ोइलेक्ट्रिक-निर्भर उपकरण परिष्कृत उपभोक्ताओं (चाहे वे व्यक्ति हों या उद्योग) की मांगों को पूरा करने के लिए छोटे और अधिक जटिल हो जाते हैं,डिजाइन इंजीनियरों के पास उपकरण होना चाहिए जो उनके उत्पादों के भीतर कई भौतिकी की गणना करते हैंमल्टीफिजिक्स सिमुलेशन उपकरण जटिल डिजाइन चुनौतियों के लिए स्पष्टता और दिशा प्रदान कर सकते हैं।

आप पीज़ोइलेक्ट्रिक तकनीक के बारे में अधिक जान सकते हैंसिमुलेशन के साथ पिज़ोइलेक्ट्रिक ध्वनिक ट्रांसड्यूसर डिजाइन करनावेबिनार।