壓電換能器
關注創建者：C乘風破浪 創建時間：2023-02-05
壓電換能器的視頻教程
ansys workbench壓電仿真-夾心式換能器入門課程
本課程詳細的介紹了壓電材料在ansys workbench平臺上的使用，視頻同時介紹了壓電驅動入門知識、壓電包安裝等內容。 視頻包括：以一階縱振夾心式換能器為例介紹了SolidWorks壓電單元的建模、workbench壓電材料設置、網格劃分、壓電體設置、模態分析與諧響應分析的求解設置、通用后處理與時間歷程后處理等步驟的介紹。
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壓電換能器的實例教程
壓電換能器數值仿真 ￥1500
<p> 壓電式換能器是利用某些<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%8D%95%E6%99%B6%E6%9D%90%E6%96%99/2436698?fromModule=lemma_inlink" rel="noopener noreferrer" target="_blank">單晶材料</a>的壓電效應和某些<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%9A%E6%99%B6%E6%9D%90%E6%96%99/9051887?fromModule=lemma_inlink" rel="noopener noreferrer" target="_blank">多晶材料</a>的電致伸縮效應來將電能與聲能進行相互轉換的器件。因其電聲效率高、<a href="https://baike.baidu.com/item/%E5%8A%9F%E7%8E%87/808705?fromModule=lemma_inlink" rel="noopener noreferrer" target="_blank">功率</a>容量大以及結構和形狀可以根據不同的應用分別進行設計，在功率超聲領域應用廣泛。</p><p> 本案例建立了一簡化的三層壓電能換能器結構模型，模型由上至下分別為鈷酸鋰、銅箔、鈷酸鋰，此外，考慮了完美匹配層或虛構域等減少聲波反彈，基于COMSOL軟件建立了二維模型，采用彈性波和壓力聲學物理場模塊，計算了多層介質下的聲壓分布圖，如圖1所示，底部設置接收裝置，接收完整的波形信號，如圖2所示。
展開 優化振動換能器的設計
除了改良麥克風設計之外，Brüel & Kj?r 的工程師還使用多物理場仿真對振動換能器設計進行優化與測試。他們的目標是創造一款擁有高內置電阻的設備，以適應惡劣的環境。為了實現這一目標，工程師必須設計出在所測振動范圍內沒有共振頻率的設備。所需振動范圍內的共振會破壞測量的準確性。
懸掛式壓電振動換能器的仿真結果。
為了保證裝置設計產生平滑的響應，研究人員嘗試了不同的材料和幾何組合。最終，通過增加一個機械濾波器，他們成功地設計了一款誤差范圍不超過 10％~12％ 的振動換能器，此數值完全在可接受的范圍內。
縮小誤差，完善測量
任何設備都不是完美的，但仿真打開了一條通向盡可能接近完美的通道。Brüel & Kj?r 的工程師可以在不同情況下迅速對新設計進行有效測試，獲得無法通過實驗確定的結果。仿真為企業提供了特別的信息優勢，不斷推出創新設計，從而在競爭中保持領先地位。
來源：COMSOL
展開 設計無創超聲設備的換能器
超聲波擁有一大優勢：無需貫穿發射信號與目標之間的傳播路徑，就能夠到達金屬、人體器官或生物組織內部。與外科醫生使用的醫療手術刀不同，超聲波不會在患者皮膚上留下任何疤痕，它能精準地對目標組織進行治療，周圍的健康組織受損傷的風險也很低。聚焦超聲波已用于或可用于治療前列腺癌和乳腺癌、高血壓，甚至是青光眼等疾病。
根據不同的換能器設計，超聲波有幾種聚焦方式。COMSOL Multiphysics? 軟件是模擬和優化換能器的有力工具。設計一款能夠有效制造出可到達靶區的超聲場的換能器可能是一項棘手的任務。它依賴于發射信號的頻率和功率；超聲波傳播介質的衰減和吸收；當然還有換能器本身的位置和尺寸。
圖 1：超聲換能器產生的聲場示意圖。
換能器發射的信號有兩種聚焦方式：
修改換能器元件的曲率半徑，使其等于焦距（參考上方示意圖）
對平面陣列換能器施加電壓時引入相位延遲（參考下方示意圖）
圖 2：用于集中聲信號的超聲探頭示意圖，它帶有壓電換能器陣列（相控陣）。換能器由背襯材料、壓電元件以及測試樣品（此圖中為生物組織）的匹配層組成。
很多人選擇使用 COMSOL Multiphysics 對上述兩種方法進行研究。它不僅能模擬超聲傳播，還可以將超聲聚焦仿真與傳熱仿真，甚至是生物組織的損傷規律耦合在一起。利用這種方式，我們可以快速直觀地觀察聚焦效應是否能夠治愈適量的組織，并檢查凝固性壞死的位置和體積，且所有操作只在一個建模界面內完成。
模擬幾何聚焦探頭
發射器的形狀直接決定了超聲聚焦方式?！奥晫W模塊”中的一個相關教學案例對此現象與傳熱現象進行了良好的耦合。雖然其聲學仿真采用了一些假設，比如忽略了非線性效應和剪切波，但是它在聚焦區對探針參數的敏感性方面提供了有價值的信息。
展開 鈣鈦礦導熱系數小，比熱容低(2962 J kg?1 K?1)，吸收系數高(104 — 105 cm?1)，是應用于光聲轉換器的關鍵特征，然而目前尚無報道。
光聲換能器可以提供超聲脈沖，具有廣泛的應用，從生物醫學成像、治療性消融、大腦調制到無損檢測。與傳統壓電超聲換能器（大量布線和電磁干擾）相比，光聲換能器利用激光代替電力作為驅動源，避免了電子元件組裝的復雜性，光纖發射器甚至允許介入心臟病學應用。光聲換能器依賴于復合材料，一個負責光吸收，另一個負責熱膨脹，其中聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其高熱膨脹（β = 0.92 × 10?3 K?1）和光學透明度而專門用作熱膨脹層，這使得可以使用可見激光進行激發，并使用類似于水的聲阻抗來減少界面上的超聲損耗。在光吸收方面，碳材料，包括蠟燭煙塵顆粒、碳納米管（CNTs）和碳納米纖維，由于吸收系數大和熱容量低而被廣泛使用。最先進的光聲換能器利用碳納米管和PDMS的復合材料，實現了?6 dB帶寬為39.8 MHz，峰值頻率為28.5 MHz，超聲峰峰值幅度為~2.72 MPa。上述聲壓和帶寬仍落后于傳統壓電轉換器。因此，光聲換能器的主要挑戰是同時實現寬帶寬和高聲壓，這是高分辨率超聲成像的兩個決定性標準。
圖 1. 基于鈣鈦礦的光聲換能器。a 光聲換能器和表征系統的示意圖。b 聲場的模擬分布。c 實驗測量的光聲換能器的聲波（黑色曲線）和頻譜（紅色曲線）。
圖 2. MAPbI3的熱性能分析。a 光聲換能器的機制。b 測量的鈣鈦礦和其他代表性吸收劑的比熱容。c 測量的不同光吸收材料的熱擴散系數。d MAPbI3內發熱過程的示意圖。e MAPbI3的計算聲子譜。f 聲子譜的態密度。
圖3. PDMS層厚度對波傳播的影響。
展開 臨床應用中的超聲換能器（上圖）幾個重要因素包括：
近場距離 N，計算公式為：
(1)
D 是換能器直徑
f 是頻率
c 是介質中的聲速
焦距 F，即換能器與相當于目標區的聚焦點之間的距離
場深或聚焦區，它表示 -6dB 信號的幅度與最高幅度之間的差距，計算公式為：
(2)
換能器發射的信號有兩種聚焦方式：
修改換能器元件的曲率半徑，使其等于焦距（參考上方示意圖）
對平面陣列換能器施加電壓時引入相位延遲（參考下方示意圖）
圖 2：用于集中聲信號的超聲探頭示意圖，它帶有壓電換能器陣列（相控陣）。換能器由背襯材料、壓電元件以及測試樣品（此圖中為生物組織）的匹配層組成。
很多人選擇使用 COMSOL Multiphysics 對上述兩種方法進行研究。它不僅能模擬超聲傳播，還可以將超聲聚焦仿真與傳熱仿真，甚至是生物組織的損傷規律耦合在一起。利用這種方式，我們可以快速直觀地觀察聚焦效應是否能夠治愈適量的組織，并檢查凝固性壞死的位置和體積，且所有操作只在一個建模界面內完成。
模擬幾何聚焦探頭
發射器的形狀直接決定了超聲聚焦方式。“聲學模塊”中的一個相關教學案例對此現象與傳熱現象進行了良好的耦合。
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壓電換能器的相關專題、標簽、搜索
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</p><p> 本案例建立了一簡化的三層壓電能換能器結構模型，模型由上至下分別為鈷酸鋰、銅箔、鈷酸鋰，此外，考慮了完美匹配層或虛構域等減少聲波反彈，基于COMSOL軟件建立了二維模型，采用彈性波和壓力聲學物理場模塊，計算了多層介質下的聲壓分布圖，如圖1所示，底部設置接收裝置，接收完整的波形信號，如圖2所示。
官網案例鏈接（預應力螺栓 Tonpilz 型壓電換能器）：https://cn.comsol.com/model/piezoelectric-tonpilz-transducer-with-a-prestressed-bolt-14535
在壓電仿真中一般都會包括固體力學（solid）和靜電(es)。固體力學中主要涉及力學上的約束模型和接觸，選擇所有固體作為計算域。
該示例問題模擬用于引線鍵合應用的超聲換能器的電激勵。該模型包括壓電材料定義、預應力模態和諧波響應分析。
介紹
引線鍵合是使用精細金屬（如金或鋁）線在集成電路（IC）及其封裝之間創建互連的最常用的工藝。在楔形鍵合中，施加超聲波能量、壓力和熱量以形成鍵合；該方法避免了雜質的引入，并提供了材料選擇的靈活性。對于較大直徑的電線，頻率通常在50-60kHz左右，而對于較小直徑的電線來說，頻率更高
官網案例鏈接（預應力螺栓 Tonpilz 型壓電換能器）：https://cn.comsol.com/model/piezoelectric-tonpilz-transducer-with-a-prestressed-bolt-14535
首先對本案例模型進行簡單介紹：Tonpilz 型換能器用于相對低頻的大功率聲發射。這是聲吶應用中常用的換能器配置。
舉例來說，蘑菇形壓電換能器教學模型展示了如何通過建立旋轉坐標系對沿 Z 軸負方向極化的情形進行建模。這一過程是通過將 Euler 角 β 設為 180° 而實現的。另一個教程展示了如何模擬厚度剪切式石英振子，并闡述了如何在 COMSOL 軟件中利用 -54.75° 的歐拉角 β 來表示 AT-切型石英，其中石英盤的厚度沿 Z 軸方向表示。
1、首先打開副駕駛車門，在手套箱的右側有一個塑料蓋板，用一字螺絲刀或刮刀、撬板等從蓋板的縫隙伸進去，用力撬開就行了撬開這個蓋板是為了露出被蓋板擋住的一顆螺絲，這個蓋板很結實的，不要不舍得用你的小力氣。
2、這樣打開手套箱在四個角各有一顆螺絲，用事先準備好的7mm套筒扳手逆時針擰下，然后把手套箱平移幾厘米后就可以慢慢放在地板上了注意要慢慢放，因為有電線連著手套箱照明燈。
3、這樣就能看見里面有個長方形的小蓋板
除塵濾芯濾筒是一種用來進行過濾的筒狀元件，一般分為過濾氣體介質的濾筒和過濾液體介質的濾筒，通常我們所指的濾筒大多是用來過濾氣體的，稱之為空氣濾筒（以下簡稱濾筒）。濾筒屬于表面過濾元件，它是利用濾材表面形成的微小透氣組織阻擋掉氣體中的粒狀物質。
濾芯濾筒采用的是離線三態過程，分別是：過濾、清洗、靜態清洗方法，避免了除塵過程中的“再吸附”現象，這樣將二次除塵。作為除塵器的關鍵部件，除塵濾筒的質量直接影響著除塵器的除塵效率
1、首先打開副駕駛車門，在手套箱的右側有一個塑料蓋板，用一字螺絲刀（或刮刀、撬板等）從蓋板的縫隙伸進去，用力撬開就行了（撬開這個蓋板是為了露出被蓋板擋住的一顆螺絲），這個蓋板很結實的，不要不舍得用你的小力氣。
2、這樣打開手套箱在四個角各有一顆螺絲，用事先準備好的7mm套筒扳手逆時針擰下，然后把手套箱平移幾厘米后就可以慢慢放在地板上了（注意要慢慢放，因為有電線連著手套箱照明燈）。
有關演示，請參閱使用壓電換能器的超聲波流量計教程模型。
熱黏性聲–結構邊界：這項功能用于將熱黏性聲學接口與任何結構組件耦合。當黏性損失和熱傳導由于邊界層的存在而變得重要時，需要熱黏性聲學模型來準確模擬狹窄流體通道中的聲學。這在壓電 MEMS 揚聲器和靜電揚聲器驅動器教程模型中得到了例證。
2、壓電換能器中的壓電陶瓷在高壓電源的電極下，產生徑面振動，振動通過上下金屬蓋板傳導到換能器工作面，根據工作需要換能器蓋板可做成放大形狀，將陶瓷的振動振幅做初步放大。（如有需要可再連接變幅桿做振幅二次放大）。
3、換能器的振動傳遞到專用耦合器（配件3）上，拉動耦合器的運動桿（配件3）做橫向振動。
