リビングルームから土星の衛星まで, 圧電トランスデューサーはさまざまな場所で使用されています. これらのデバイスはコンパクトで信頼性が高く, 自己発電するため, さまざまな業界で役立っています. これらのデバイスの設計を最適化するには, 電流, 圧力音響, 応力と歪み, 音響と構造の相互作用など, 関連する現象を考慮することが重要です. エンジニアは COMSOL® ソフトウェアを使用して, このマルチフィジックス動作をシミュレートし, 圧電トランスデューサーのパフォーマンスを予測して改善することができます.
圧電トランスデューサー: 圧電の使用を活性化
1917年に開発された圧電トランスデューサーは, 電気を音に, または音を電気に変換できる圧電性の初の実用化でした. 圧電性はそれより数十年前 (1880年代) に発見されましたが, 当時は, より一般的で理解がそれほど複雑ではなかった電磁気学で扱えない実世界のアプリケーションはありませんでした. Paul Langevin と彼の同僚が最初の圧電トランスデューサーを作ったとき, 状況は一変しました. 彼らの装置は水中で高周波の振動音を発し, それと他の物体との距離を測定することができ, 潜水艦探知とソナー研究を進歩させました.
この発見がなされると, 圧電トランスデューサーはトランスデューサーとして機能し, 音波を生成および検出する能力があるため, ますます普及しました. 現在では, 医療用超音波画像装置からラップトップ用の安価なツイーターまで, あらゆるものによく使用されています. さらに, これらのトランスデューサーは, 固定電話の所有者に着信があったことを知らせたり, クオーツ時計で正確な時間を保つために使用されています. その他の用途は次のとおりです:
- 非侵襲性医療診断
- プラスチックの溶接
- 超音波流量計
- 超音波パーキングセンサー
- 非破壊検査
- 電子ドラムパッド
- マイクロシステムのクリーニング
- 自動車のエンジン管理および燃料噴射システム
- 測定装置 (タイタンに着陸したホイヘンス探査機の貫入計など)
- インクジェット液滴アクチュエーター
超音波トランスデューサーは, ここに示したような医療診断機器によく使用されます. 画像提供: Marco Verch. CC BY 2.0 ライセンス, Flickr Creative Commons 経由.
これらのトランスデューサーがなぜ人気があるのかは簡単にわかります. シンプル, コンパクト, 信頼性が高く, 効率的です. わずかな電気エネルギーでも大きな音を生成できます (またはその逆). さらに, 高周波応答 (超音波技術に適しています) と高過渡応答 (変化に迅速に対応できることを意味します) の両方を備えています.
圧電トランスデューサーを作成するときは, その動作を理解することが重要です. ただし, デバイスのマルチフィジックス特性 (電場, 構造力学, 音響を含む) のため, これは難しい場合があります. 1つの解決策は, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアとアドオンの音響モジュールを使用することです…
超音波トランスデューサーのマルチフィジックスのモデリング
ここで紹介するチュートリアルの例は, フェーズドアレイトランスデューサーの一部となる可能性のある, シンプルな圧電トランスデューサーです. PZT-5H (このデバイスの一般的な材料) で作られた結晶板は, 周期的に繰り返される列に分離された一連の層によって形成されます. 下面は接地され, 上面には 100 V の AC 電位が印加されます. プレート自体は回転対称であるため, 2D軸対称ジオメトリとしてモデル化して, より効率的なシミュレーションを行うことができます.
2D軸対称トランスデューサーモデルのジオメトリ.
圧電トランスデューサーは, 次の3つの連成現象を介して機能します.
- デバイスに電圧降下が適用されます (電流が誘導されます)
- 交流電流により圧電材料に応力がかかり (つまり, 励起され), 圧電材料が振動し始めます
- 振動により音波が生成され, 外側に伝播します
この動作を捕獲するには, 組み込みの音響-圧電相互作用, 周波数領域マルチフィジックスインターフェースを使用できます. これにより, 静電気, 固体力学, および 圧力音響インターフェースが自動的に追加され, 圧電効果および音響-構造境界マルチフィジックス結合ノードを適用することで簡単に連成できます. これらのフィジックスインターフェースを組み合わせることで, 圧電効果と, 固体の動きがトランスデューサーの周囲の空気にどのように伝わるかを考慮できます. この場合, 励起は 0.2 MHz (人間の聴覚の10倍) であるため, 超音波トランスデューサーになります.
圧電トランスデューサーのパフォーマンスの評価
まず結果から, 流体ドメインの音響圧力場を可視化できます. 下の画像は, 0.2 MHz でトランスデューサーの前で生成された圧力波を示しています. モデリングドメインにはいくつかの波長しか含まれていないことに注意してください. ドメイン外の応答は, 以下に示すように, 外部場計算機能を使用してポスト処理できます.
トランスデューサー周囲の空気中の音圧分布. ここでは色と高さのプロファイルの両方で可視化されています.
さらに, 音圧レベル (下の画像を参照) やトランスデューサー付近の強度などの量を評価できます. これにより, トランスデューサーの近距離場指向性が示されます. 予想どおり, 最大値はトランスデューサーの正面にあります. 計算領域外の任意のポイントの場は, 外部場計算機能と放射パターンプロットを使用して可視化できます.
下の画像 (右側) は, 遠方場の放射パターン (音圧レベル) を示しています. 遠距離場は, 数学的にはレイリー距離 R_0 = S/\lambda を超えると定義されます. ここで, S はトランスデューサーの面積, \lambda は波長です. この例では, R_0 = 0.2 mm です. R_0 を超える距離では, 空間パターンは拡大縮小するだけです. つまり, 幾何学的拡散 (散逸は無視) により距離が2倍になると 6 dB 減少しますが, 形状は変わりません.
左: トランスデューサー前面の音圧レベル分布. 右: 極座標プロットで描かれた放射パターン. ここで, 音圧レベルはトランスデューサー設計用です.
トランスデューサーが空気に結合されている部分の音響圧力または機械的応力をプロットすることもできます. これらの曲線は以下の画像に示されています.
トランスデューサーの空気と固体の界面における音圧 (左) とフォン・ミーゼス応力 (右).
上記の結果は, 圧電トランスデューサーチュートリアルモデルから直接取得したものです. いくつかの手順を実行すると, 結果をより多くの周波数に拡張し, ビーム幅を計算できます. まず, スタディの周波数リストにこれらの周波数を追加するだけで, 0.2 MHz, 0.3 MHz, 0.4 MHz などの複数の周波数の解を計算します. 正規化された放射パターンを以下に示します. 前面を 0 dB に正規化するには, 式 acpr.efc1.Lp_pext-subst(acpr.efc1.Lp_pext,r,0,z,1[mm]) をプロットします.
選択した3つの周波数のトランスデューサーの正規化された放射パターン.
放射場のビーム幅を計算するには, 放射パターンプロットの組み込み機能を使用できます. プロットで, ビーム幅の計算オプションをオンに設定し, レベルダウン値を指定します. 3[dB] と入力すると, 0から0へのビーム幅と 3 dB ダウンビーム幅の両方が, 周波数の関数としてテーブルで評価されます. テーブルで, テーブルグラフボタンをクリックするだけでプロットが生成されます. 下の画像では, 2つのビーム幅の測定値が周波数の関数として示されています. ここでは, 0.2 MHz から 0.4 MHz までの20の周波数について評価されています.
周波数の関数としてプロットされた放射音響パターンの 3 dB ダウンビーム幅と, ゼロ点ビーム幅.
このような結果を使用して, 圧電トランスデューサー設計のパフォーマンスを解析し, その情報を使用して特定の分野での使用のために改善することができます.
次のステップ
下のボタンをクリックして, 圧電トランスデューサーを自分でモデル化してみてください. これにより, このモデルのステップバイステップのチュートリアルと MPH ファイルを含むアプリケーションギャラリが表示されます.
その他の資料
- COMSOL ブログで圧電トランスデューサーのモデリングについてさらに学ぶ:
- 関連するチュートリアルをチェックする:
コメント (0)