सिकुड़ते उपकरणों में पीजो ध्वनिक ट्रांसड्यूसर को कैसे निचोड़ें

आप क्या सीखेंगे:

• पीजोइलेक्ट्रिक प्रौद्योगिकी का व्यापक अनुप्रयोग।
• डिज़ाइन इंजीनियरों के लिए सटीक वर्तमान चुनौतियों को बनाए रखते हुए उपकरणों को छोटा करने का रुझान क्यों है।
• कैसे बहु-भौतिकी सॉफ्टवेयर उपकरण पीजोइलेक्ट्रिक ध्वनिक ट्रांसड्यूसर डिजाइन करने की अंतर्निहित बहु-भौतिकी चुनौतियों का समाधान कर सकते हैं।

इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों का बढ़ता हुआ लघुकरण और परिष्कार, उपभोक्ता मीडिया उपकरणों से लेकर चिकित्सा नैदानिक ​​उपकरणों से लेकर रक्षा-संबंधित सोनार अनुप्रयोगों तक, उपभोक्ताओं के लिए उपयोगिता और सहजता का एक उपहार प्रस्तुत करता है - और डिजाइन इंजीनियरों के लिए एक सतत चुनौती है।ये प्रतीत होता है कि अलग-अलग उत्पाद (ऑडियो/मोबाइल डिवाइस स्पीकर, कुछ गैर-आक्रामक चिकित्सा उपकरण, और सोनार सरणी) ध्वनिक सिग्नल उत्पन्न करने और प्राप्त करने दोनों के लिए पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर पर निर्भरता साझा करते हैं।

20 वीं शताब्दी के पूर्वार्द्ध से पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री को यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने की क्षमता के लिए मूल्यवान माना जाता है और इसके विपरीत।हालाँकि, 21वीं सदी की तकनीक की मांग है कि ये समान सामग्री छोटे और छोटे पैकेजों के भीतर अधिक ध्वनि या अधिक सटीक आवृत्तियों का उत्पादन करती हैं, जबकि सभी यथासंभव कम ऊर्जा का उपयोग करते हैं।

बिजली, कंपन और ध्वनिकी के संगम के कारण पीजोइलेक्ट्रिक युक्त उपकरणों को डिजाइन करने की चुनौती प्रकृति में स्वाभाविक रूप से बहु-भौतिकी है।इस प्रकार, डिजाइनरों के पास ऐसे उपकरण होने चाहिए जो उनके उत्पादों के भीतर कई भौतिकी की गणना कर सकें।

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री अवलोकन

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री ऐसी सामग्रियां हैं जो यांत्रिक तनाव, जैसे संपीड़न के कारण बिजली का उत्पादन कर सकती हैं।वोल्टेज (बिजली) लगाने पर ये सामग्री ख़राब भी हो सकती है।विशिष्ट पीज़ोसेरामिक सामग्री, चाहे गैर-प्रवाहकीय सिरेमिक या क्रिस्टल, दो धातु प्लेटों के बीच रखी जाती हैं।

पीजोइलेक्ट्रिकिटी उत्पन्न करने के लिए, सामग्री को संपीड़ित या निचोड़ा जाना चाहिए।पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सामग्री पर लागू यांत्रिक तनाव बिजली उत्पन्न करता है।पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव को उलटा किया जा सकता है, जिसे व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के रूप में जाना जाता है।यह पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल को सिकोड़ने या विस्तारित करने के लिए विद्युत वोल्टेज लागू करके बनाया गया है।उलटा पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है।

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री रोजमर्रा के उत्पादों की एक आश्चर्यजनक श्रृंखला में पाई जाती है।जब आप "क्लिक-एंड-लौ" लाइटर के बटन को दबाते हैं तो जीवन में छलांग लगाने वाली लौ को पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के संपीड़न द्वारा अस्तित्व में सहायता मिली थी, जो एक चिंगारी पैदा करती है।

अब, आइए कुछ अन्य उत्पादों को देखें जो छोटे उपकरणों के भीतर बढ़े हुए आउटपुट की आवश्यकता के कारण डिज़ाइन इंजीनियरों के लिए अधिक चुनौती पेश करते हैं।

माइक और स्पीकर

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का उपयोग ध्वनिकी में बड़े पैमाने पर किया जाता है।माइक्रोफ़ोन में पीज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल होते हैं जो आने वाली ध्वनि तरंगों को संकेतों में परिवर्तित करते हैं जिन्हें बाद में आउटगोइंग प्रवर्धित ध्वनि बनाने के लिए संसाधित किया जाता है।छोटे स्पीकर, जैसे कि सेल फोन और अन्य मोबाइल उपकरणों के भीतर भी पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल द्वारा संचालित होते हैं।डिवाइस की बैटरी ध्वनि उत्पन्न करने वाली आवृत्ति पर क्रिस्टल को कंपन करती है।

यहां चुनौती पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर को डिजाइन करने में है जो एक छोटे पैकेज के भीतर बहुत उच्च गुणवत्ता वाली ध्वनि उत्पन्न कर सकता है, और डिवाइस की बहुत अधिक बैटरी को खत्म किए बिना।

चिकित्सा उपकरण

गैर-आक्रामक चिकित्सा उपकरण जैसे श्रवण यंत्र भी अपने ऑपरेशन के एक हिस्से के लिए पीजोइलेक्ट्रिक्स पर निर्भर करते हैं।तो, अल्ट्रासाउंड तकनीक भी करती है, जो पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का एक प्रमुख अनुप्रयोग है।

अल्ट्रासोनिक्स में, पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री को उच्च आवृत्ति ध्वनि तरंगों (1.5 और 8 मेगाहर्ट्ज के बीच) बनाने के लिए विद्युतीकृत किया जाता है जो शारीरिक ऊतकों में प्रवेश करने में सक्षम होते हैं।जैसे ही तरंगें वापस उछलती हैं, पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल प्राप्त यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं, इसे एक छवि में रूपांतरण के लिए अल्ट्रासाउंड मशीन में वापस भेज देते हैं।

अन्य चिकित्सा उपकरण जैसे हार्मोनिक स्केलपेल सर्जरी के दौरान ऊतक को काटने और दागदार करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के कंपन गुणों का उपयोग करते हैं।डिवाइस के भीतर पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल गतिज ऊर्जा और गर्मी ऊर्जा दोनों को एक साथ काटने और दागने के लिए आवश्यक उत्पन्न करते हैं।

अल्ट्रासोनिक डिजाइन चुनौतियां अल्ट्रासाउंड में उपयोग की जाने वाली बहुत सटीक आवृत्तियों को बनाने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक घटकों के सही आकार और भौतिक संरचना को निर्धारित करने की आवश्यकता पर ध्यान केंद्रित करती हैं।और, हार्मोनिक स्केलपेल के उदाहरण में, डिज़ाइन को डिवाइस की कंपन प्रतिक्रिया पर हीटिंग के प्रभावों के लिए जिम्मेदार होना चाहिए।

सोनार

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

आज, सभी सोनार-आधारित प्रणालियाँ, जिनमें सैन्य, वाणिज्यिक मछुआरों और कई अन्य समुद्री अनुप्रयोगों द्वारा उपयोग किए जाने वाले सिस्टम शामिल हैं, ध्वनि तरंगों को उत्पन्न करने और प्राप्त करने के लिए एक पीजो युक्त ट्रांसड्यूसर का उपयोग करते हैं।

यह सरल लगता है, लेकिन हवा के बजाय पानी के माध्यम से ध्वनि के प्रसार के लिए ट्रांसड्यूसर डिजाइन करना जटिल इंजीनियरिंग चुनौतियों का अपना सेट पेश कर सकता है।इन अनुप्रयोगों को अक्सर पता लगाने योग्य स्तरों के नीचे क्षीणन के बिना लंबी दूरी के प्रचार के लिए उच्च-शक्ति सिग्नल उत्पन्न करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक डिवाइस की आवश्यकता होती है।

नए उपयोग

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का एक उभरता हुआ अनुप्रयोग ऊर्जा-संचयन तकनीक के भीतर है।पीजो सामग्री के अद्वितीय गुणों के कारण, उन्हें किसी भी अनुप्रयोग में सफलतापूर्वक उपयोग किया जा सकता है जिसके लिए कंपन की आवश्यकता होती है या उत्पन्न होती है।

ऊर्जा संचयन में, बहिर्जात कंपन पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के लिए एक यांत्रिक तनाव पैदा करता है जो विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है।उस पीजो-निर्मित ऊर्जा का उपयोग डिवाइस या सिस्टम के अन्य घटकों को शक्ति देने के लिए किया जा सकता है।

बैटरी-स्वतंत्र टायर-दबाव-निगरानी प्रणाली (टीपीएमएस) ऐसे ही एक उदाहरण का प्रतिनिधित्व करती है।जैसे ही वाहन के टायर घूमते हैं, यांत्रिक ऊर्जा उत्पन्न होती है।एक पीजो-युक्त सेंसर उस ऊर्जा को इकट्ठा करता है, इसे संग्रहीत करता है, और ड्राइवर के डिस्प्ले पैनल को एक संकेत भेजता है।टीपीएमएस ऐतिहासिक रूप से बैटरी चालित रहे हैं, लेकिन पर्यावरण के अनुकूल बैटरी विकल्पों में बढ़ती रुचि ने पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री की ऊर्जा-संचयन क्षमता पर एक नया ध्यान केंद्रित किया है।

पुरानी खोज, आधुनिक चुनौतियां

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

पाइज़ोस में बहुत जटिल भौतिक गुण होते हैं जो अत्यधिक परस्पर जुड़े होते हैं, और सामग्री संरचना मायने रखती है।इसी तरह, यदि पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल का आकार सही गुंजयमान आवृत्ति उत्पन्न नहीं करता है, तो उपकरण काम नहीं करेगा।और, "पर्यवेक्षक प्रभाव" के साथ सुरुचिपूर्ण लॉकस्टेप में, पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल का विद्युतीकरण अधिक बिजली का उत्पादन करते हुए इसके आकार को विकृत कर देता है।

यह एक अविश्वसनीय रूप से जटिल फीडबैक लूप है जो एक डिजाइन समाधान के लिए रो रहा है जो लंबी बिल्ड-टेस्ट प्रोटोटाइप प्रक्रियाओं में शामिल अनुमान को समाप्त करता है।

सिमुलेशन क्यों मायने रखता है

गैर-रैखिकता से निपटने के दौरान सिमुलेशन हमेशा सहायक होता है।यह डिजाइनरों को बहुत से अज्ञात के बीच निर्माण और परीक्षण के कृतज्ञ (और अक्सर बजटीय रूप से अक्षम्य) कार्य से रोकता है।इलेक्ट्रोकॉस्टिक ट्रांसड्यूसर पर विचार करते समय, विद्युत ऊर्जा, यांत्रिक ऊर्जा और ध्वनिकी का अनूठा संयोजन निश्चित रूप से गैर-रैखिक है, और स्वाभाविक रूप से प्रकृति में बहु-भौतिकी है।

मल्टीफ़िज़िक्स सिमुलेशन डिज़ाइन इंजीनियरों को उत्पादों को अधिक प्रभावी ढंग से विकसित करने के लिए उपकरण प्रदान कर सकता है ताकि वे ऑपरेटिंग परिस्थितियों में अपने डिवाइस डिज़ाइन को अनुकरण कर सकें।इसके अलावा, इन सिमुलेशन में नियंत्रण सर्किट से लेकर पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर से लेकर आसपास के ध्वनिक वातावरण तक का पूरा पारिस्थितिकी तंत्र शामिल हो सकता है।बहुभौतिकी सिमुलेशन जैसे कारकों को ध्यान में रखेगा:

• यांत्रिक और विद्युत प्रतिक्रिया के संवैधानिक समीकरण
• पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री गुणों की पोलिंग दिशा
• सीमा की स्थिति
• संरचनात्मक यांत्रिकी/कंपन तापन

चूंकि पीजोइलेक्ट्रिक-निर्भर डिवाइस परिष्कृत उपभोक्ताओं (उन व्यक्तियों या उद्योगों) की मांगों को पूरा करने के लिए छोटे और अधिक जटिल हो जाते हैं, डिजाइन इंजीनियरों के पास ऐसे उपकरण होने चाहिए जो उनके उत्पादों के भीतर कई भौतिकी की गणना करें।बहुभौतिकी सिमुलेशन उपकरण जटिल डिजाइन चुनौतियों के लिए स्पष्टता और दिशा प्रदान कर सकते हैं।

आप पीजोइलेक्ट्रिक तकनीक के बारे में अधिक जानकारी देख सकते हैंसिमुलेशन के साथ पीजोइलेक्ट्रिक ध्वनिक ट्रांसड्यूसर डिजाइन करनावेबिनार।