Пьезоэлектрический генератор волновой: Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов — Компоненты и технологии

Ультразвуковые преобразователи. Ультразвуковые датчики.

Пьезоэлектрические преобразователи нашли широкое применение в различных областях, начиная от зажигалок и заканчивая медицинскими исследованиями. Наиболее часто встречающаяся конструкция преобразователя представлена на рисунке 1. Такой тип передатчика обычно применяется для излучения ультразвуковых волн в жидкую или твердую среду, а также для измерения расхода газа. Активным элементом преобразователя является пьезоэлемент (пьезокерамический диск), который как показано на рисунке 1 находится между согласующим слоем и демпфером. Два электрода на верхней и нижней поверхности диска соединены с генератором сигналов. Согласно пьезоэлектрическому эффекту, пьезоэлектрический диск будет колебаться, когда синусоидальное переменное напряжение прикладывается к электродам пьезоэлектрического диска. Колебание диска связано с частотой переменного синусоидального напряжения и размерами диска [1].

Рисунок 1 – Конструкция пьезоэлектрического преобразователя

Обычно пьезоэлектрический материал с высоким коэффициентом электромеханической связи имеет большое волновое сопротивление по сравнению с водой и воздухом. Поэтому, полоса пропускания частотной характеристики диска ниже. Неподходящее волновое сопротивление можно преодолеть, используя передний (согласующий) и задний (демпфер) слои между пьезоэлектрическим диском и жидкой средой, как показано на рисунке 1.

Задний слой обычно имеет высокий коэффициент затухания, высокую плотность материала, которая требуется для того чтобы контролировать колебания преобразователя путем поглощения энергии излучаемой пьезоэлементом назад.

Когда акустическое сопротивление задней части совпадает с волновым сопротивлением активного элемента (пьезокерамики), результатом будет сильно демпфированный преобразователь, который демонстрирует хорошую область разрешения, что связано с широкой полосой частот обеспечиваемой передатчиком, но при этом он может иметь меньшую амплитуду сигнала.

Если акустический импеданс пьезоэлемента и задней части не совпадает, больше звуковой энергии будет отражаться вперед в исследуемое вещество. Конечным результатом является преобразователь, который имеет меньшее разрешение, вследствие более длиной продолжительности осциллограммы, но может иметь более высокую амплитуду сигнала и лучшую чувствительность.

Основная цель согласующего слоя преобразователя заключается в том, чтобы защитить пьезоэлемент от исследуемого вещества. Согласующий слой должен быть прочным и коррозионностойким к исследуемой жидкости. Дополнительно передний слой должен связывать высокое акустическое сопротивление пьезокерамики с низким акустическим сопротивлением жидкости. Толщина согласующего слоя выбирается равной четверти длины волны. Это основано на идеи суперпозиции волн находящихся в одной фазе, что увеличивает амплитуду сигнала в два раза.

Существует много подходов для того чтобы сделать оптимальный выбор толщины и волнового сопротивления заднего и переднего слоя, некоторые из которых отражены в следующих работах [2, 3, 4, 5, 6, 7]. Пьезоэлектрический преобразователь может быть использован как в качестве излучателя, так и в качестве приемника. В режиме передатчика ультразвуковая волна создается пьезокерамикой, к которой прикладывается напряжение. В режиме приемника, пьезокерамика преобразует приходящую акустическую волну в электрический сигнал. В некоторых случаях преобразователь используется одновременно как приемник и как передатчик. Преобразователь может работать в режиме возбуждения пьезокерамики непрерывной синусоидально волной, или в импульсном режиме.

В низкочастотном ультразвуковом диапазоне используют преобразователи следующей конструкции (рисунок 2).

Рисунок 2 – Конструкция ультразвукового преобразователя

Активный элемент ультразвукового преобразователя состоит из двух пьезокерамических пакетов, между которыми находится металлический цилиндр. Все элементы прибора фиксируются и сжимаются под определенным усилием с помощью стального болта, который вызывает начальную поляризацию пьезокерамических пакетов. Амплитуда колебаний такого преобразователя зависит от количества пьезокерамик, от характеристик используемых материалов. Максимальные колебания кончика излучателя такого преобразователя могут достигать десяти микрон на резонансной частоте. Пьезокерамический преобразователь стандартной конструкции (с цилиндрическим излучателем) на самом деле совершает колебания маленькой амплитуды. Общей практикой для усиления механических колебаний является использование конусной формы излучателя и излучателей с экспоненциальной формой. В области высоких ультразвуковых мощностей длину излучателя делают равной половине волны резонансных колебаний [8].

В качестве примера рассмотрим конструкцию ультразвукового бура, разработанного для марсоходов Спирит и Оппортьюнити, предназначенных для программы NASA исследования планет солнечной системы (рисунок 3). Он состоит из трех главных компонентов: ультразвукового вибратора, свободной массы и буровой штанги (рисунок 3).

Рисунок 3 – Ультразвуковой бур

Ультразвуковой вибратор состоит из пакета круглых пьезокерамик, ультразвукового рупора, металлической задней части и болта, создающего первоначальное напряжение, чтобы плотно соединить все эти части и обеспечить предварительное напряжение на пьезокерамический пакет. Пьезокерамический материал должен быть под первоначальной нагрузкой, чтобы не выйти из строя во время деформации. Пьезоэлектрический пакет работает на резонансной частоте ультразвукового вибратора. Через усиливающий ультразвуковой рупор, смещение колебаний достигает 10 микрон на кончике рупора (излучателя). Свободная масса соединена с кончиком ультразвукового рупора бура. В течение операции взятия пробы, свободная масса балансирует и двигается назад и вперед между ультразвуковым рупором и буровой штангой. Благодаря тому, что скорость колебаний свободной массы меньше чем скорость колебаний кончика рупора, свободная масса обычно контактирует с кончиком рупора в подходящей фазе колебаний кончика рупора. В момент, когда свободная масса достигает рупора, она ускоряется и двигается назад к буровой штанге. Свободная масса передает ударные импульсы от ультразвукового преобразователя к буровой штанге с частотой от 10 Гц до 1000 Гц. Ударные волны возникают из-за удара свободной массы по буровой штанге и распространяются к камню/грунту. Под ударом хрупкая среда (камень, лед и т.д.) разрушается, когда его предельная деформация превышается [9].

Библиографический список

• Jan Kocbach. Finite element modeling of ultrasonic piezoelectric transducers.-University of Bergen Department of Physics.:September 2000
• J. H. Goll. The design of broad-band fluid-loaded ultrasonic transducers.- IEEE Trans. Sonics Ultrason. SU-26, 1979.
• J. W. Hunt, M. Arditi, and F. S. Foster. Ultrasound transducers for pulse-echo medical imaging, IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-30, 1983.
• N. G. Pace and P. D. Thorne. Efficiency of face-plated underwater acoustic transducers. Ultrasonics 21, 1983.
• G. Kossoff. The effects of backing and matching on the performance of piezoelectric ceramic transducers. IEEE Trans. Sonics Ultrason. SU-13, 1966.
• N. Lamberti, G. Caliano, A. Iula, and M. Pappalardo. A new approach for the design of ultrasono-therapy transducers, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contr. 44, 1997.
• G. L. Wojcik, C. DeSilets, L. Nikodym, D. Vaughan, N. Abboud, and J. Mould Jr. Computer modeling of diced matching layers, in Proc. of 1996 IEEE Ultrason. Symp. IEEE, New York, 1996.
• I.Chilibon, M.Wevers, J.Lafaut. Ultrasound underwater transducer for extracorporeal shock wave lithotripsy.-Bucharest, Romania.: Romanian Reports in Physics, 2005
• Zensheu Chang, Stewart Sherrit, Xiaoqi Bao, and Yoseph Bar-Cohen., Design and analysis of ultrasonic horn for USDC (Ultrasonic/Sonic Driller/Corer).: NASA/JPL, USA, 2003

Модернизация диска Фарадея: Создание эффективных униполярных генераторов

Униполярный генератор, динамо машина, диск Фарадея: не важно, как вы его называете, в любом случае, униполярный генератор — это интересное устройство. В отличии от большинства других устройств того же назначения, униполярные генераторы способны вырабатывать большой ток при низком напряжении и выделять большое количество электроэнергии. Из-за таких характеристик, учёные работали над улучшением этого устройства с момента его изобретения. Вы также можете провести анализ рабочих характеристик униполярного генератора с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics®.

Краткая история униполярных генераторов

Спустя 10 лет после прорыва в области электродвигателей в 1831 году Майкл Фарадей создал свой первый генератор. Первая установка (которую позже назвали униполярным генератором) была очень простой. Она состояла из медного диска, который вращался между полюсами постоянного магнита. Несмотря на то, что генератор Фарадея успешно демонстрировал принцип действия электромагнитной индукции, на практике он был слишком неэффективен из-за больших потерь и возникновения противотоков.

Схематичное изображение одного из первых униполярных генераторов, также известного, как диск Фарадея. Изображение имеется в свободном доступе в США, взято из Wikimedia Commons.

На протяжении многих лет учёные пытались улучшить производительность униполярных генераторов. Одним из самых известных примеров является разработанная Николой Теслой конструкция, в которой металлический ремень разделял параллельные диски на параллельных валах. Такая конструкция помогла уменьшить потери на трение, что значительно повысило эффективность устройства.

В 1950-е годы было обнаружено, что униполярные генераторы отлично очень полезны для импульсных силовых установок, так как они могут запасать энергию в течении длительного периода и практически мгновенно выделять её. Данное открытие возобновило интерес к генераторам, а учёные начали создавать масштабные конструкции генераторов. Один из них был создан сэром Майклом Олифантом в австралийском Национальном университете. Этот огромный генератор использовался на протяжении 20 лет и мог выдавать ток до 2 МА.

Некоторые элементы созданного сэром Олифантом униполярного генератора, который был разобран и выставлен на всеобщее обозрение. Изображение предоставлено Martyman, взято из англоязычной Википедии. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

Не смотря на то, что униполярные генераторы прошли долгий путь и назывались различными именами изобретателей, учёные и инженеры до сих пор продолжают работать над улучшением производительности этих устройств. Одним из подходов к такой модернизации, конечно, является численное электродинамическое моделирование…

Моделирование простого униполярного генератора с использованием модуля AC/DC пакета COMSOL Multiphysics®

Давайте рассмотрим учебный пример, в котором представлена простая 3D модель униполярного генератора. Он состоит из вращающегося диска радиусом 10 см, который помещён в однородное магнитное поле величиной 1 Тл. Медный проводник соединяет край диска с его центром, чтобы создать замкнутую цепь для протекания тока, вызванного вращением проводника в постоянном магнитном поле (Lorentz current).

Геометрия модели униполярного генератора.

Обратите внимание, что угловая скорость диска — 1200 об/мин, а протекающий через проводник ток равен примерно 45.16 кА. Для моделирования вращающегося диска можно использовать узел Lorentz term (вклад силы Лоренца) по двум причинам:

1. В диске нет магнитных источников, которые вращаются вместе с ним
2. Диск ничем не ограничен и направление его движения не изменяется

В данном случае распределение тока не изменяется при вращении диска.

Анализ результатов электродинамического расчета

После проведения стационарного расчёта можно проанализировать распределение тока в диске и проводнике. Анализируя полученные результаты для нормы плотности тока и его направления, вы можете найти способы улучшения конструкции униполярного генератора.

Норма плотности тока (слева) и направление тока (справа) в медном проводнике и в диске.

Более того, можно изучить влияние магнитного поля, например, на вращение. Ниже приведён график распределения общей и индуцированной магнитной индукции в системе.

Из векторной диаграммы можно заметить, что униполярный генератор влияет на магнитное поле вокруг (возмущает его). Скорость колеса изображена бирюзовыми стрелками на поверхности.

Резистивные потери играют ключевую роль в эффективности таких генераторов, поэтому важно их минимизировать. На графике ниже продемонстрированы расчетные потери в проводящих частях генератора, которые легко получить в результате моделирования.

Резистивные потери в диске и в проводнике.

Используя электродинамическое моделирование, инженеры могут модернизировать конструкции униполярных генераторов, улучшать их производительность путём уменьшения потерь на трение или изменения распределения магнитного поля.

Дальнейшие шаги

Чтобы скачать учебный пример, представленный в этой заметке, нажмите на кнопку ниже. Вы окажетесь в Галерее приложений, где сможете войти в свою учетную запись COMSOL Access и загрузить MPH-файл, а также ознакомиться с пошаговыми инструкциями по сборке модели.

Дополнительные ресурсы

• Узнайте большое о моделировании генераторов и двигателей в корпоративном блоге COMSOL:
• Узнайте, что ещё вы можете смоделировать с использованием модуля AC/DC

Ударно-волновые (дистанционные) литотриптеры — обзор, цены

Ударно-волновые (дистанционные) литотрипторы применяются для неинвазивного дробления мочевых камней. Данная процедура часто проводится амбулаторно, без наркоза и, поэтому, привлекательна для пациентов.

Устройство ударно-волнового литотриптера

Ударно-волновой литотриптер состоит из следующих основных компонентов: операционный стол, генератор высоковольтных импульсов, разрядник-излучатель, система водоподготовки, ультразвуковой датчик и УЗИ-аппарат, рентген на С-дуге, пульт управления с мониторами (который может размещаться в удаленном пункте).

Литриптер имеет разрядник с водой, т.к. вода хорошо проводит ударные волны от разрядника к телу пациента. Однако, чтобы свести потери энергии к минимуму, необходимо удалять из воды воздух и очищать ее с помощью системы водоподготовки.

Выбор экстракорпорального литотриптера

При выборе дистанционного литотриптера необходимо учитывать такие параметры:
— универсальность аппарата
— способ генерации волны
— рабочая дистанция
— размер разрядника, формирующего ударно-волновой «пучок»
— размер фокальной зоны
— рентгеновское и ультразвуковое обеспечение
— питание рентгеновского оборудования и излучателя
— цена оборудования

Универсальность аппарата

К универсальным литотрипторам относятся такие модели, на которых можно, кроме сеанса дистанционной литотрипсии, выполнять также вспомогательные лечебно-диагностические урологические процедуры (пункционная нефростомия, трансуретральная и чрескожная эндохирургия, трансуретральная резекция (ТУР), катетеризация, установка стента и др.) и в которых имеется «плавающая» поверхность, обеспечивающая не только перемещение пациента, но и его продольный наклон.

Способ генерации волны

Электрогидравлический способ — использует в качестве разрядника два подводных электрода, формирующих импульс с помощью резкого повышения температуры. Этот способ обладает самым высоким коэффициентом полезного действия преобразования электрической энергии в ударно-волновую и вследствие этого имеет наибольший ресурс генератора (до 3 млн импульсов). Пожалуй, это единственный способ, который дает возможность варьировать ударно-волновой импульс (за счет изменения величины зазора между электродами, емкости конденсатора, поперечного размера фокального пятна F2), что удобно, когда речь идет о дроблении средних и крупных камней в почке у взрослых и детей. Недостаток — быстрый износ электродов (1 электрод — 1 камень). Кроме того, из-за продуктов эрозии электродов и появления «загазованности» воды от схлопывающегося послеразрядного пузыря требуется достаточно высококачественная система водоподготовки, которую необходимо проводить, по крайней мере, после 2–3 сеансов.

Электромагнитный способ — использует электромагнит с движущимся элементом для преобразования электрической энергии в акустическую. Он менее шумный, но поперечный размер пучка в фокусе плохо поддается регулировке. Недостатками электромагнитного способа являются необходимость замены более дорогостоящей фокусирующей мембраны с катушкой (индуктора) через 6–10 мес эксплуатации, электродов и генератора (через 1–1,5 года эксплуатации), а также ограниченные (из-за малых поперечных размеров пучка в фокусе 4–8 мм) возможности качественного дробления крупных конкрементов в почке.

Пьезоэлектрический способ — использует эффект расширения пьезокерамического элемента при ее поляризации. Он тоже бесшумный, реализует фокусировку сферическим рефлектором, на поверхности которого размещено достаточно большое количество «пластинок» пьезоэлектрической керамики излучающих ударно-волновой импульс. Поперечный размер пучка в фокусе при этом достаточно мал (около 2,5–3 мм), что весьма эффективно для дробления небольших камней (5–10 мм). При этом снижается качество дробления средних (около 10–15 мм) и крупных (более 20 мм) конкрементов (значительна вероятность раскола камня на крупные фрагменты) и из-за этого требуется большее (по сравнению с другими способами) количество повторных сеансов. Одним из существенных недостатков метода является то, что через 1,5–2 года требуется замена излучающей головки («пластины» постепенно выходят из строя), стоимость которой весьма значительна.

Электрокондуктивный способ – новейший из всех. Ударная волна генерируется электродом, помещенным в электропроводящий электролит. Данная технология позволяет получить высокоточную и однородную плазму в фокусе (F1), что ведет к получению минимального фокального пятна среди литотриптеров, вариабельность размеров фокального пятна для адаптации к размеру камня, самую большую мощность ударной волны, что отражается на фрагментации камней, которая является самой высокой среди литотриптеров – 94%. Минимальность фокального пятна позволяет не повреждать окружающие ткани. Очень важное преимущество применяемого электрокондуктивного принципа – неизменная заданная мощность импульса, не зависящая от срока службы генератора (в отличие от других технологий). Недостаток — довольно шумный стук во время работы.

Рабочая дистанция

Рабочая дистанция — это расстояние от источника излучателя ударно-волновых импульсов (F1) до терапевтического фокуса (F2), т. е. характеристика, показывающая насколько «глубоко» от поверхности тела может «проникнуть» ударно-волновой импульс. Это очень существенная характеристика для тучных больных, и при дроблении камней верхней трети мочеточника у них как раз предпочтительнее было бы использовать дистанционную литотрипсию. Применение больших рабочих дистанций для худых пациентов нецелесообразно из-за значительных болевых ощущений, поскольку поверхность тела находится в периферийной области терапевтического фокуса и мала площадь пучка на входе в тело К малой рабочей дистанции относится удаленность фокальной зоны на 130–140 мм, к средней — на 145–155 мм, к большой — на 160–170 мм.

Размер разрядника

Диаметр соприкасающейся с пациентом поверхности ударно-волновой головки, как и рабочая дистанция, является существенным параметром, поскольку от этого зависят качество дробления, болевые ощущения и эффективность передачи энергии ударно-волнового импульса. Чем шире поверхность, тем меньше продольные и поперечные размеры терапевтического фокуса и легче достигается высокая плотность энергии в фокусе. Однако, тем больше должна быть рабочая дистанция. Большинство фирм используют средние ударно-волновые головки, поскольку при этом достигается некий «паритет» между дроблением в почках и мочеточниках. Особняком стоят диаметры головки при использовании пьезоэлектрического метода (около 400 мм — фирма Эдап и около 300 мм — фирма Ричард Вольф). Именно из-за широкого входа импульса в тело на этих аппаратах ДЛТ можно проводить без наркоза. При таких размерах головки удобно дробить камни в почках, но очень много потерь при дроблении камней в нижней и средней третях мочеточника.

Размеры «фокальной зоны F2»

Размеры фокуса F2, в котором непосредственно проходит разрушение камня, влияют не только на качество дробления, но и на выраженность травматизации тканей, находящихся в зоне его действия. Узкофокусные литотрипторы идеальны для дробления камней до 10 мм, а их использование для дробления камней в 1,5–2,0 см приводит к крупнодисперсной фрагментации. И наоборот, в больших фокальных объемах, существует большая вероятность повреждения тканей. Размер обрабатываемого камня должен приближаться к размеру фокального пятна, тогда и происходит полноценное мелкодисперсное дробление. Наиболее широкими размерами пучка обладают электрогидравлические аппараты (8–18 мм), далее электромагнитные (4–8 мм) и затем пьезоэлектрические (3–5 мм).

Рентгеновское и ультразвуковое обеспечение

Подавляющее большинство фирм используют прием наведения с размещением приемника (УРИ) на С-дуге с оппозитно размещенным на этой же дуге излучателем. Поскольку практически все фирмы, как правило, применяют приемники (УРИ) известных фирм (Сименс, Томсон, Тошиба, Хоффман и др.), качество изображения у которых достаточно высоко (разрешение около 1,3–1,5 пар линий/мм), а реальная контрастность составляет около 2%.

УЗ-датчик в большинстве аппаратов относительно продольной оси распространения ударно-волнового пучка расположен наклонно, и его ось проходит через терапевтический фокус (Дорнье, Ричард Вольф). В аппаратах фирмы Шторц ось УЗИ-датчика совмещена с осью излучателя. При этом улучшается точность наведения, но возникают проблемы с защитой датчика от сильного импульсного электромагнитного и ударно-волнового поля генератора и ресурс УЗИ-датчика резко снижается.

В аппаратах EDAP сначала поиск камня производится вручную (обычным способом), а затем после фиксации на механической руке сведение камня осуществляется компьютерным способом на основании информации, получаемой от телекамер. При компьютерном способе наведения (после ручного обнаружения камня) иногда возникают неудобства, касающиеся фиксации механической руки УЗИ-датчика, но процесс контроля разрушения облегчен, поскольку компьютер сводит камень с терапевтическим фокусом в случае его выхода из последнего.

Цена дистанционного литотриптера

Ориентировочная стоимость ударно-волнового аппарата — $500-$700 тыс

Лучшие дистанционные литотриптеры производят: Dornier MedTech, Karl Storz, Richard Wolf (Германия), EDAP TMS (Франция), Medispec (Израиль).

Разрушить, не прикасаясь. Как поможет дистанционная литотрипсия при мочекаменной болезни?

По статистике от мочекаменной болезни страдают от 3 до 5 % населения планеты. Одним из бесконтактных методов лечения этого заболевания является дистанционная литотрипсия. Что это за манипуляция? Как она проводится? В каких случаях можно её применять? На эти и другие вопросы отвечает врач-уролог-андролог, хирург «Клиника Эксперт» Иркутск Степан Петрович Сидоров.

— Степан Петрович, дистанционная литотрипсия — что это за манипуляция? Есть ли у неё другие названия?

— Дистанционная литотрипсия (иначе, ДЛТ) — это метод лечения больных с мочекаменной болезнью, который позволяет разрушать камни (конкременты) в мочевыделительной системе без прямого контакта с ними, а посредством воздействия на них ультразвуковых волн направленного действия. Более полное название этой манипуляции, которое можно встретить в научной литературе и публикациях — дистанционная ударно-волновая литотрипсия.

В зависимости от разновидности генератора ударно-волнового импульса существуют пьезоэлектрический, электрогидравлический и электромагнитный типы аппаратов для литотрипсии.

— В чём преимущества дистанционной литотрипсии? Ведь существуют и другие методы разрушения камней.

—  Главное её преимущество — избавление пациента от камня в почке без разреза, то есть без нарушения целостности кожных покровов и других тканей. Минимальная травматичность вмешательства значительно сокращает срок реабилитации после него.

— Каковы показания к проведению дистанционной литотрипсии камней почек и мочеточников?

— Процедура возможна при размерах камня до 1,5-2 см, определённой плотности, а также при возможности увидеть конкремент с помощью ультразвука или рентгена.

Процедура дистанционной ударно-волновой литотрипсии

— Как проводится дистанционная ударно-волновая литотрипсия?

— Процедура проводится в амбулаторных условиях. Пациент ложится на кушетку. С помощью УЗИ или рентгена мы определяем положение камня и выполняем фокусировку. Чтобы избежать травмы почки, в ходе всей процедуры осуществляется ультразвуковой и рентгенологический контроль. Обычно процедура не требует анестезии.

Начинают манипуляцию с генерирования волн низкой мощности с большими временными промежутками между ними. Затем интенсивность и частоту плавно увеличивают. Фрагменты камней и песок постепенно выходят с мочой. Камни с высокой плотностью не всегда сразу поддаются дроблению, поэтому иногда манипуляцию приходится повторять. Процедура длится в среднем 0,5-1,5 часа. Это зависит от размера и расположения камней.

— Каких рекомендаций должны придерживаться пациенты в послеоперационном периоде?

— В первые дни после дистанционной литотрипсии следует собирать мочу в ёмкость, чтобы отследить выход фрагментов камней. Выпивать не менее 1,5 литров воды в день. Принимать все препараты, назначенные врачом, среди которых могут быть спазмолитики, обезболивающие и антибактериальные средства.

Важно исключить переохлаждение, избегать перегрузок и не делать резких движений. Категорически запрещается посещение бани, сауны, солярия.

— Существуют ли противопоказания к проведению дистанционной литотрипсии? Если да, то какие?

— Такая манипуляция противопоказана при наличии конкрементов высокой плотности, размеры которых превышают 2 см. Из общесоматических противопоказаний хочу отметить острые воспалительные и инфекционные процессы, патологии сердечно-сосудистой системы, избыточный вес, беременность.

— Развитие каких осложнений и почему можно наблюдать после дистанционной литотрипсии?

— Одним из осложнений после процедуры является почечная колика, которая развивается при отхождении фрагментов камней. Пациент может наблюдать кровь в моче из-за повреждения мочевыводящих путей острыми осколками камней. Иногда после дистанционной литотрипсии наблюдается нарушение мочеиспускания, для устранения которого устанавливается катетер.

Не рекомендуется делать эту манипуляцию при расположении камней на уровне малого таза, так как это грозит такими осложнениями, как кровотечения, повреждение паренхимы почек и близлежащих органов.

— Возможно ли повторное образование камней в почках после дистанционной литотрипсии?

— Да. Проведение литотрипсии никак не влияет на профилактику мочекаменной болезни. С помощью этой манипуляции мы разрушаем лишь существующий конкремент. Повторное образование конкрементов зависит от индивидуальных особенностей пациента и образа жизни, который он ведёт.

— Степан Петрович, что нужно делать, чтобы камни больше не появлялись? Можно ли надёжно предотвратить их образование или правильнее говорить об уменьшении такой вероятности при соблюдении определённых правил?

— Универсального средства по предупреждению образования камней в почках, к сожалению, нет. Здесь, на мой взгляд, уместно говорить о профилактике, которая подразумевает соблюдение диеты, питьевого режима и активного образа жизни.

Записаться на приём к врачу-урологу в «Клиника Эксперт» Иркутск можно здесь

Редакция рекомендует:

Лазером — по камням! Как поможет литотрипсия при мочекаменной болезни?

Для справки:

Сидоров Степан Петрович

В 2009 году окончил Иркутский государственный медицинский университет по специальности «Лечебное дело».

В 2010 году закончил интернатуру по специальности «Общая хирургия».

В 2012 году завершил обучение в ординатуре по специальности «Урология».

С 2013 по 2019 годы получил специализацию по эндохирургии, ультразвуковой диагностике, лапароскопии и эндовидеохирургии.

В настоящее время занимает должность врача-уролога-андролога, хирурга в «Клиника Эксперт» Иркутск. Принимает по адресу: ул. Кожова, д.9А.

Шелест гранаты (издание второе) / Библиотека / Главная / Арсенал-Инфо.рф

6

Об авторе и его книгах

«Александр Прищепенко родился в Москве, Россия, 04 ноября 1948 года. Выпускник Московского инженерно-физического института 1972 г. Кандидатская степень по экспериментальной физике присвоена в 1984 г., докторская — в 1991 г. Член-корреспондент Академии военных наук России (с 1997 г.).

Основные работы посвящены: нейтронным генераторам для ядерного оружия; боеприпасам объемного взрыва; ионной кинетике в плотных газах; электронике больших токов; взрывным источникам микроволнового излучения. В настоящее время — заместитель директора по научной работе[131] предприятия „Сириус“, Москва». «Jane’s Infrastructure Security 2000»

«В июне 1994 года А. Б. Прищепенко опубликовал статью об устройствах прямого преобразования — взрывомагнитных генераторах с малоемкостными нагрузками, которые излучали РЧЭМИ в диапазоне частот от мегагерц до десятков гигагерц. Прищепенко назвал эти устройства электромагнитными боеприпасами (ЭМБП). Прямое преобразование не предполагает наличие такого источника излучения, как виркатор, энергия непосредственно передается от взрывного источника тока антенне. Размеры таких устройств — от бейсбольного мяча до 105-мм артиллерийского снаряда. В статьях описаны несколько типов ЭМБП, некоторые из которых не нуждаются во взрывомагнитных генераторах как источниках первичной энергии».

Типы ЭМБП

Как отмечалось выше, существует несколько отличных друг от друга типов ЭМБП. Они образуют отдельный класс, поскольку используют энергию взрыва, генерируют электромагнитную энергию и объединены общностью применения. Для обозначения этих устройств используют названия, данные им Прищепенко, а именно:

• взрывомагнитный генератор частоты;

• имплозивный генератор частоты;

• цилиндрический ударно-волновой источник;

• сферический ударно-волновой источник;

• пьезоэлектрический генератор частоты;

• ферромагнитный генератор частоты;

• сверхпроводниковый формирователь волны магнитного поля.

L.L. Altgilbers, Marc D.J. Brown, Bucur M. Novae etal. «Magnetocumulative Generators» Springer. NY, Berlin, Heidelberg, 1999. ISBN 0-387-98786-X.

«В этой статье доктор А. Б. Прищепенко, изобретатель ряда компактных радиочастотных электромагнитных боеприпасов, описал, как эти боеприпасы могут воздействовать на различные цели… В конце 2000 года Джеймс О’Брайон, заместитель директора департамента оценок и испытаний министерства обороны США, заявил в интервью: „Мы стараемся проследить, что они делают такого, что может нанести нам вред…“ Британский журнал „Нью Сайентист“ (167, № 2245, с. 20) от 01 июля 2000 г. опубликовал популярную статью на эту тему, в которой писал: „Встревоженные этими русскими достижениями, британские ученые с предпринимают попытки создать собственную электромагнитного оружия…“» Andrew Hiles. «Enterprise Risk Assessment and Business Impact Analysis. Best Practices». Rotstein Associates Inc. ISBN 1-931332-12-6. 1999, p. 109.

«В 1994 году А. Б. Прищепенко представил доклад на конференции во французском городе Бордо. В докладе он описал боеприпасы с прямым преобразованием радиочастотной энергии. Эти устройства теперь часто называют „устройствами Прищепенко“. Доклад привел к переклассификации электромагнитного оружия на устройства прямого преобразования и электронные… В соответствии со взглядами доктора Прищепенко, и эффекты воздействия радиочастотных излучений на цели должны классифицироваться в зависимости от того, какое влияние они оказывают на выполнение целью боевой задачи. Компьютерами систем оружия информация обрабатывается циклично и, по Прищепенко, когда нарушается их функционирование в течение немногих таких циклов, имеет место „короткое последействие“.

Такой эффект не сказывается фатальным образом на функционировании головки самонаведения ракеты, поскольку она вновь может захватить цель, но последовательность подобных эффектов может и не позволить ей сделать это. Доктор Прищепенко ввел также понятие временного ослепления, при котором возможность цели выполнить свою миссию сводится к минимуму» Jane’s Unconventional Weapons Handbook, 2000, p.p.243, 257. ISBN 0-7106-2208-2.

«Доклад доктора Прищепенко „Радиочастотное оружие на поле боя будущего“ вызвал панику среди западных экспертов. Стал вероятным поистине кошмарный сценарий высокотехнологичной войны, в которой связь, радары, компьютеры в системах оружия будут выведены из строя, что приведет к полной беззащитности… Только через полтора десятилетия появились британские аналоги электромагнитных боеприпасов. За „весьма успешную демонстрацию боеприпаса, пригодного для доставки 155 мм снарядами и ракетами“, его создатели получили в 2000 году Золотую премию». The Daily Telegraph, December 27, 2000.

«В этой главе обсуждается, как оружие на основе мощного микроволнового излучения может стать решающим в конфликтах XXI века. Интригующим свойством микроволнового излучения является его способность обеспечивать значительный боевой эффект, не обязательно сопровождаемый механическими разрушениями… Впервые на это обратили внимание в 1994 году, когда генерал Владимир Лоборев, директор Физико-технического института, представил доклад физика Прищепенко, описывавший, как могут применяться взрывные источники радиочастотного излучения». William С. Martel. «The Technological Arsenal: Emerging Defense Capabilities» Smitsonian Institute Press, 2001, ISBN 1-56098-961-0, p.84.

«А. Б. Прищепенко, создавший источники РЧЭМИ в Высокогорном геофизическом институте, считает, что эффекты воздействия электромагнитного оружия должны классифицироваться в зависимости от их влияния на способность цели выполнить ее миссию. Временный вывод из строя — утверждает он — имеет место, когда функционирование цели нарушается в течение нескольких циклов (компьютеры систем наведения ракет работают в циклическом режиме)». Nontraditional Warfare. Twenty-First-Century Threats And Responses. Ed. William R. Shilling, Foreword by Norman R. Augustin. Brassey’s Inc., 2002, ISBN 1-57488-505-7. p.277.

«Фирма „Rheinmetall“ сосредоточилась на создании образцов сверхширокополосных излучателей, которые, по-видимому, могут быть применены против многих целей, включая радары, связь, системы наведения, различных охранных устройств, а также против бомб террористов с электронными взрывателями. Как уже сообщалось в IDR № 1, 2003 г., „Rheinmetall“ сотрудничает с русскими институтами в создании генераторов, пригодных для применения в артиллерийских 155 миллиметровых снарядах. Экспериментальный образец такого излучателя мощностью в 100 МВт был создан в 2002 году (рис. 6.9 м), а полноразмерный излучатель мощностью в 1 ГВт должен быть испытан в 2004 году». International Defense Review, 2003, Feb. 01.

«Как сообщала лондонская „Дэйли телеграф“, в Англии разрабатывается неядерный и не причиняющий смертельные ранения снаряд для выведения из строя электронного оборудования противника. Толчком к разработке этой технологии явилась статья „Радиочастотное оружие на поле боя будущего“, представленная А. Б. Прищепенко на конференции в Бордо…

Отделение новых технологий британской компании Matra BAe Dynamics избрано ответственным как за разработку контрмер против русского оружия, так и за создание аналогичного западного. Успешные испытания продемонстрировали, что подобное устройство может парализовать передачу команд, вывести из строя боевую электронику и сорвать работу компьютеров. Разработчики доказали, что создание электромагнитного оружия реально и британское Министерство обороны недавно утвердило технические требования к „электромагнитному заряду для 155 мм артиллерийского снаряда“.

Предполагается, что этот снаряд будет недорогим и простым в применении, обнаружить которое весьма непросто». Dorothy L. Finley «Lindando com a Degradagao das Comimicagoes» (португ.) Military Review (Brasilian) 2° Trim. 2004 s.77.

«Электромагнитный импульс впервые наблюдали при ядерных взрывах на больших высотах — довольно радикальный способ создать оружие на таком принципе. Однако угроза электромагнитного оружия стала реальной в 1994 г., когда генерал Лоборев, начальник Физико-технического института, представил на конференции EUROEM доклад русского изобретателя компактных и мощных радиочастотных излучателей.

А. Б. Прищепенко описал, как эти излучатели применять, например, против систем связи. Его концепция была более подробно изложена в русских военно-морских журналах и других изданиях для профессионалов». Andrew Hiles. Business Continuity: Best Practices. World-Class Business Continuity Management. FBCI, 2004, ISBN 1-931332-22-3. p.42.

«А. Прищепенко на основе анализа взаимодействия средств нападения (ЭМИ-оружия) и защиты от него сформулировал основные требования к новому оружию, обеспечивающие его эффективное применение против некоторых целей, оснащенных электроникой. Одновременно на этой основе есть возможность определять основные направления по повышению стойкости этих устройств к действию ЭМИ-излучения, разрабатывая активные меры защиты. Это дает возможность считать длительность цикла обработки информации целью в качестве масштаба эффективности воздействия ЭМИ, разделив их условно на три группы…» В. Белоус «Угроза использования ЭМИ-оружия в военных и террористических целях.» Ядерный контроль, 2005 г. № 1 (75).

«Большинство таких устройств представляет спиральные генераторы и они весьма малы: размеры их — сантиметры, они содержат всего несколько граммов взрывчатого вещества. Своей популярностью эти исследования обязаны Прищепенко и его сотрудникам, описавшим применение малоразмерных генераторов в различных экспериментах.» С. М. Fowler. «Megagauss X: A Conference Milestone» In: Megagauss X. ed. M. von Ortenberg, Berlin, Humboldt University at Berlin (2005) ISBN 3-00-015743-3, p. 3.

«Как отмечает А. Прищепенко, отличительной особенностью УВИС является применение вместо конденсаторной батареи мощных постоянных магнитов, которые не требуют первичных энергозатрат…»

После одновременного инициирования детонации с равномерно распределенных точек, во взрывчатке возникает сферическая детонационная волна, направленная к центру. В момент ее столкновения с поверхностью сферического монокристала, в нем происходит скачкообразный рост давления до более чем миллиона атмосфер. Магнитное поле оказывается «пойманным в „ловушку“, которая стремительно сжимается до центральной точки микронных размеров. В центре ударная волна отражается и происходит стремительное расширение границ существования магнитного поля, что приводит к генерации мощного электромагнитного излучения. Существенно, что при таких изменениях несущей частоты и размеров излучателя (области сжатия) в широких пределах изменяется соотношение длины волны и эффективного размера излучателя. Это приводит к излучению электромагнитной энергии во всех направлениях. Важно, что потребность в специальной антенне для УВИС отпадает. По данным А. Прищепенко, 105-мм реактивная граната, описанная в справочнике „Jane’s Unconventional Weapons Handbook 2000“, снаряжена УВИС. Основным недостатком таких генераторов является пока что чрезмерная дороговизна. По оценкам специалистов, стоимость УВИС приближается к стоимости 152-мм ядерного снаряда». О.П. Ковтуненко В.В. Богучарський В.І. Слюсар П.М. Федоров. «Зброя на нетрадиційних принципах дії(стан, тенденції, принципи діїта захист від неї)». Монографія Полтава, Видавництво ПВ13, 2006. (украинск.)

«Германская компания „Rheinmetall Weapons and Munitions“ также разрабатывает электромагнитное оружие и располагает его опытными образцами. Электромагнитный снаряд создается в связи с опасениями, что Россия значительно опередила Запад в области так называемого радиочастотного оружия».

«Конференция в Бордо в 1994 г. показала, что русские считают допустимым применять такое оружие для выведения из строя электроники противника. Доклад А.Б. Прищепенко, заместителя директора научного центра „Сириус“, члена-корреспондента Академии военных наук, описал советские исследования в этой области…» Vladimir Gurevich. Ph.D., Electric Relays. Principles And Applications. ISBN 0-8493-4188-4. CRS Press, Taylor & Francis Group. 2006.

«…c 1984 no 1997 год он возглавлял лабораторию спецбоеприпасов ЦНИИ химии и механики. Его авторитет признан во всем мире: на Западе боеприпасы с прямым преобразованием радиочастотной энергии называют „устройствами Прищепенко“ (Prishchepenko-type)». В журнальных статьях сложно подробно раскрыть эти темы с научной и технической точек зрения, а книга с иллюстрациями (в том числе уникальными) предоставляет больше возможностей. История и конструкция различных видов боевой техники, а также случаи из жизни автора, изложенные живым языком, делают книгу «Огонь!» полезной и интересной для широкого круга читателей. «Популярная механика», апрель 2009, № 4 (78), стр. 20.

Многочисленные легенды о бесчеловечном оружии рассказывали о том, как поток безжалостных нейтронов уничтожает без разбора все живое на своем пути, оставляя невредимыми материальные ценности: здания, технику, оборудование. Многие всерьез верили, что недруг может с легкостью очистить наши города от людей и прийти жить в наших домах, на все готовое. Как и большинство фобий, эти страхи были основаны на банальном дефиците информации. Взаимодействуя с ядрами атомов, нейтроны порождают наведенное излучение, которое испускается в течение длительного времени после атаки. Сумасшедший, который решится жить среди зараженных предметов, будет наслаждаться своим триумфом очень недолго. На самом деле нейтронные боеприпасы предназначаются вовсе не для тотальной зачистки местности, а для решения узкоспециализированных тактических задач. О них нам рассказал ученый и конструктор Александр Прищепенко, в течение 13 лет возглавлявший лабораторию специальных боеприпасов ЦНИИ химии и механики. Сергей Апресов. Колонка редактора. Популярная механика, июнь 2009, № 6 (80) стр. 3.

В книге доктора технических наук, члена-корреспондента Академии военных наук А.Б. Прищепенко «Огонь! Об оружии и боеприпасах» прослеживается ход развития средств поражения с древнейших времён до сегодняшнего дня. В частности, рассказано о пути от первых ядерных зарядов до рентгеновских лазеров с накачкой от ядерного взрыва, о боеприпасах, поражающих электронные средства мощным импульсом радиочастотного электромагнитного излучения. Потребность в такой книге, как справедливо замечает в рецензии на неё И. Петров, «ощущается особенно остро с тех пор, когда бездумными преобразованиями была развалена отрасль производства боеприпасов — важнейшая в деле обеспечения обороны страны. К работам в этой области в настоящее время трудно привлечь талантливую, способную на творческие решения молодежь. Возможным это станет лишь тогда, когда будет продемонстрировано, насколько обширен и интересен круг решаемых здесь задач». В.И. Евсеев, А.В. Лосик, А.Н. Щерба. «Развитие отечественного оборонно-промышленного комплекса в конце XX — начале XXI века» Военно-исторический журнал, № 6, июнь 2010, с. 52.

На фотографии и схеме сферического ударно-волнового генератора сжатия магнитного потока, созданного Прищепенко, видны детонационные линии задержки, выполненные таким образом, чтобы получить равномерно сходящуюся ударную волну. Постоянные магниты служат для создания начального поля, а в качестве рабочего тела использован йодид цезия. Вплоть до настоящего времени все имплозивные генераторы этого типа обеспечивают преимущества в параметрах сходящихся ударных волн.

…Прищепенко и Третьяков проводили интенсивные испытания пьезоэлектрических генераторов с начала 80-х. Интегрировав пьезоэлектрический и ферромагнитный генераторы, они получили очень компактный источник энергии. Larry L. Altgilbers, Jason Baird, Bruce L. Freeman, Christopher S. Lynch. «Explosive Pulsed Power» Imperial College Press, London, 2011, ISBN-13 978-1-84816-322-5.

«Об УВИ, как о самостоятельном устройстве для создания сверхмощных электромагнитных импульсов, в качестве оружия, впервые было официально заявлено начальником Лаборатории боеприпасов специального назначения ЦНИИ химии и механики доктором технических наук А.Б. Прищепенко после успешных испытаний 2 марта 1984 г. на полигоне Красноармейского научно-исследовательского института „Геодезия“ (ныне ФКП НИИ „Геодезия“), Позднее А. Б. Прищепенко были сформулированы общие принципы боевого применения электромагнитных боеприпасов». Гуревич В.И. «Микропроцессорные реле защиты. Устройство, проблемы, перспективы». Учебно-практическое пособие. М.: Инфра-Инженерия, 2011. ISBN 978-5-9729-0043-5, с. 289.

* * *

…Наслаждаться натуральными винами принято, закусывая их сырами, в просторечии называемыми «портяночными». Угождая эстетическим потребностям людей высокой культурки, литературных гурманов, автор счел необходимым привести некоторые отзывы, которые ему удалось выловить в чане Интернета (орфография исправлена).

* * *

(О «Взрывах и волнах»), VSoshenko: «Я слишком хорошо знаю автора и неоднократно проводил тестирования его устройств. Могу сказать следующее: многие положения противоречат основам элементарных знаний радиотехники. После прочтения сего творения могу высказать следующее: 1. Сие творение ни в коем случае не может быть использовано для обучения военных специалистов. 2. Автор не знает основы радио и электротехники (2–3 курс).3. Автор занимается просто подтасовкой данных. 3. Автор не вспоминает, что отцом электромагнитной бомбы считают Тейлора[132], который курировал программу „Звездных войн“. Однако автора, видно, мания величия (или паранойя) придавила. 4. По результатам испытаний 1997 и 1998 г. австралийские и американские ученые дали отрицательное заключение соответствия полученных данных, данным заявляемым Прищепенко. Такая же характеристика работ Прищепенко получена и из Германии. 5. Результаты испытаний ВМГ в ЦФТИ МО РФ, проведенные до конференции во Франции, показали полное отсутствие излучения во всех диапазонах. Поэтому с ним уже никто и не взаимодействует. Приходится автору представляться от организации СИРИУС, фирмы рога и копыта».

jeremia: «Автор (ссылка на „Взрывы и волны“ и „Шелест гранаты“) типичный писака, на мой взгляд, выдал на гора два томика ненаучной профанации и, видать, понял что на этом деньжат не срубить… решил поменять сферу интересов — на инстинкте размножения (ссылка на „Неприличный слалом“) — видимо, можно поболее срубить…»

OCR: Когда идет речь об области профессиональных интересов автора, книга «Шелест гранаты» очень интересна. Но складывается впечатление, что почти все встретившиеся (и понаслышке известные) автору люди наплевали ему в компот или отдавили любимую мозоль и теперь он сводит с ними счеты. О многом говорит и фраза в конце книги — «Персонажи книги, занимаемые ими должности, приписываемые им слова и поступки — плод художественного вымысла автора». Мда…

graphist 29.09.11: Увы, обстановка в научных учреждениях автором описана достоверно. Научная деятельность и по сей день наполовину состоит из «отдавливания мозолей» и «наплёвывания в компот» (В книге именно такая пропорция: половина науки, половина грызни) и читать это не очень-то интересно.

Tramp (О «Взрывах и волнах»). Почитать интересно, но список литературы — публикации в популярных изданиях, хотя бы одна статья в какой-нибудь «Физика горения и взрыва».

(ШГ) Сергей Горбачевский: Случайно начал читать, лазя по флибусте. При совке за подобную книгу дали бы срок, наковыряв множество фактов разглашения секретов…

У Прищепенко вообще целая куча книг на эту тему. Но увы… хотелось бы чего-то конкретнее. Пол инета при «копании» оказывается «плагиатом» этого автора. Неужели ничего нет другого?

Wyvern Не читай ты этого Боцмана! Не существует в природе ВВ, тем более «в форме пластилина» имеющего такую стабильность скорости детонации. Вообще.

Персонажи книги, занимаемые ими должности, приписываемые им слова и поступки — плод художественного вымысла автора.

«Отзывы и замечания просьба высылать по адресу: implosion45@gmail. сот»

Как выбрать аппарат для ударно-волновой терапии

Ударно-волновая терапия в силу высокой эффективности набирает популярность в физиотерапии и спортивной медицине. Чтобы внедрение нового оборудования оправдало ожидания, необходимо осознанно подойти к выбору оборудования.

Современные аппараты для УВТ https://reamed.su/catalog/udarno-volnovaya-terapiya/ поддерживают различные режимы терапии, отличающиеся видом и длиной ударной волны, силой и глубиной воздействия. Оборудование в автоматическом режиме генерирует следующие виды волн:

• 
  фокусированные — для проведения интенсивных лечебных сеансов на максимальной мощности. Использование фокусированных волн рекомендуется для лечения шейного остеохондроза, артрозов, грыж и прочих болезней с выраженным болевым синдромом;
• 
  планарные — отличаются умеренной проникающей способностью, средней глубиной воздействия;
• 
  радиальные — неглубоко проникающие волны, рекомендуемые для лечения повреждений суставов, коррекции целлюлита и ожирения.

Оборудование для УВТ может отличаться типом генератора волн — быть электромагнитным, пьезоэлектрическим, компрессорным, электрогидравлическим.

Электромагнитный генератор ударных волн с ЭМ катушкой, генерирующей импульсы и преобразующей их в звуковые волны. Для фокусирования и настройки глубины воздействия применяется чаще всего водяное охлаждение или силиконовые линзы. Аппараты с ЭМ генератором отличаются компактностью и небольшим весом.

Пьезоэлектрический с пьезокристаллами. Здесь не применяется водяное охлаждение, при этом мощность и глубина действия волны сопоставима с электромагнитным оборудованием, а электромагнитное излучение отсутствует.

Компрессорная система используется в механических генераторах, мощности которых не всегда хватает для полноценного лечения, но достаточно для косметологии или вибромассажа.

Электрогидравлическая система отлично зарекомендовала себя в стационарных моделях, для которых не имеет принципиального значения стабильность фокуса и быстрота наведения на объект.

Оптимальный выбор для санаториев, кабинетов физиотерапии и косметологии — аппараты для радиальной УВТ. С такими модификациями удобно работать, они долговечны и безопасны для пациента, становятся комфортной альтернативой хирургии при заболеваниях двигательной системы. Так, например, пневматические аппараты MASTERPULS MP50 и MP200 (Швейцария) дают отличные результаты при острых проявлениях боли в суставах и на хронической стадии заболевания. Уже через 5–6 процедур наблюдается устойчивый результат терапии.

(PDF) Numerical simulation of the experiment on pulsed excitation of stack type piezoelectric generator

Соловьев А. Н. и др. Численное моделирование эксперимента по импульсному воздействию

Библиографический список

1. Erturk, A. Piezoelectric energy harvesting / A. Erturk, D. J. Inman. — N. Y. : John Willey and Sons, Ltd., 2011. — 402 p.

2. Anton, S. R. Multifunctional Piezoelectric Energy Harvesting Concepts. PhD diss. to Virginia Polytechnic Insti-

tute and State University / S. R. Anton. — Blacksburg : Virginia, 2011. — 215 p.

3. Головнин, В. А.Сравнительные характеристики пьезокерамических механоэлектрических преобразовате-

лей для генерации электричества / В. А. Головнин [и др.] // Вестник Твер. гос. ун-та. Серия «Физика». — 2010. —

№ 11. — С. 33–46.

4. DuToit, N. E. Design considerations for MEMS-scale piezoelectric mechanical vibration energy harvesters /

N. E. DuToit, B. L. Wardle, S. G. Kim // Integrated Ferroelectrics. — 2005. — V. 71. — №. 1. — Pp. 121–160.

5. DuToit, N. E. Experimental verification of models for microfabricated piezoelectric vibration energy harvesters /

N. E. DuToit, B. L. Wardle // AIAA journal. — 2007. — V. 45. — №. 5. — Pp. 1126–1137.

6. Adhikari, S. Piezoelectric energy harvesting from broadband random vibrations / S. Adhikari, M. I. Friswell,

D. J Inman // Smart Materials and Structures. — 2009. V. 18. — №. 11. — P. 115005.

7. Roundy, S. A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics / S. Roundy, P. K. Wright // Smart

Materials and Structures. — 2004. — V. 13. — №. 5. — P. 1131.

8. Зыонг, Ле В. Конечно-элементный анализ применимости прикладных теорий расчета пьезоэлектрического

устройства накопления энергии стековой конфигурации / Ле В. Зыонг // Инженерный вестник Дона. — 2014. — № 2. — C. 1–13.

9. Анализ стабильности электрофизических характеристик пьезокерамик различных составов, используемых

для пьезоэлектрических генераторов кантилеверного типа повышенной мощности / В. А. Акопьян [и др.] // Нано- и

микросистемная техника. — 2012. — № 1. — C. 37–41.

10. Многослойные пьезоэлектрические актуаторы и особенности их применения / В. К. Казаков [и др.] // Ком-

поненты и технологии. — 2007. — № 6. — С. 62–65.

11. Гриценко, А. Состояние и перспективы развития пьезоэлектрических генераторов / А. Гриценко, В. Ники-

форов, Т. Щеголева // Компоненты и технологии. — 2012. — № 9. — С. 63–68.

12. Морозов, А. Г. Электротехника, электроника и импульсная техника / А. Г. Морозов. — Москва : Высшая

школа, 1987. — 448 с.

13. Влияние вида механического нагружения на энергоэффективность пьезоэлектрических генераторов /

В. А. Акопьян [и др.] // Нано- и микросистемная техника. — 2015. — № 2. — С. 33–44.

14. Zhao, S. Deterministic and band-limited stochastic energy harvesting from uniaxial excitation of a multilayer pie-

zoelectric stack / S. Zhao, A. Erturk // Sensors and Actuators A : Physical. — 2014. — V. 214. — Pp. 58–65.

References

1. Erturk, A., Inman, D.J. Piezoelectric energy harvesting. N. Y.: John Willey and Sons, Ltd., 2011, 402 p.

2. Anton, S. R. Multifunctional Piezoelectric Energy Harvesting Concepts. PhD diss. to Virginia Polytechnic Insti-

tute and State University. Blacksburg: Virginia, 201, 215 p.

3. Golovin, V.A., et al. Sravnitel’nye kharakteristiki p’yezokeramicheskikh mekhanoelektricheskikh preobrazovateley

dlya generatsii elektrichestva. [Comparative characteristics of piezoceramic mechanoelectric transducers for generation of

electricity.] Vestnik Tverskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya “Fizika”, 2010, no. 11, pp. 33–46 (in Russian).

4. DuToit, N.E., Wardle, B.L., Kim S.G. Design considerations for MEMS-scale piezoelectric mechanical vibration

energy harvesters. Integrated Ferroelectrics, 2005, vol. 71, no. 1, pp. 121–160.

5. DuToit, N. E., Wardle, B.L. Experimental verification of models for microfabricated piezoelectric vibration ener-

gy harvesters. AIAA journal, 2007, vol. 45, no. 5, pp. 1126–1137.

6. Adhikari, S., Friswell, M.I., Inman, D.J. Piezoelectric energy harvesting from broadband random vibrations. Smart

Materials and Structures, 2009, vol. 18, no. 11, pp. 115005.

7. Roundy, S., Wright, P. K. A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics. Smart Materials and

Structures, 2004, vol. 13, no. 5, pp. 1131.

8. Duong, Le V. Konechno-elementnyy analiz primenimosti prikladnykh teoriy rascheta p’yezoelektricheskogo

ustroystva nakopleniya energii stekovoy konfiguratsii. [Finite element analysis of the applicability of the applied theories of

calculation of piezoelectric device of energy storage of stack configuration.] Engineering Journal of Don, 2014, no. 2, pp. 1–13

(in Russian).

9. Akopyan, V.A., et al. Analiz stabil’nosti elektrofizicheskikh kharakteristik p’yezokeramik razlichnykh sostavov,

ispol’zuemykh dlya p’yezoelektricheskikh generatorov kantilevernogo tipa povyshennoy moshchnosti. [Analysis of the Electro-

Physical Characteristics Piezoceramics Different Composition Used for High Power Piezoelectric Generators.] Journal of

Nano and Microsystem Technique, 2012, no. 1, pp. 37–41 (in Russian).

Пьезоэлектрические генераторы | PIEZO.COM

Преобразователи

, преобразующие механическую энергию в электрическую (т. Е. Генераторы), бывают самых разных форм и размеров, каждый из которых имеет свои собственные характеристики выходного напряжения-заряда, а также характеристики входной силы-смещения.

Что касается механического входа, процесс проектирования включает в себя правильное согласование объема и жесткости генератора с целевым входным усилием. Жесткость преобразователя определяет, сколько механической энергии передается преобразователю от силы источника.Свойства пьезокерамического материала определяют, какой процент этой энергии будет доступен в виде электрической энергии. Общий объем пьезокерамики устанавливает верхний предел количества электроэнергии, доступной для использования.

Хотя не существует простого способа оценить электрическую мощность, которая может быть извлечена из любой конструкции пьезоуборочного комбайна, некоторая интуиция относительно максимальной извлекаемой мощности в «поперечном режиме» из самого 10-миллиметрового квадратного участка керамики может быть получена путем осмотра Рисунок 28 .

Рисунок 3.1. Электроэнергия, поступающая от пластыря PZT-5A размером 1 см x 1 см в поперечном режиме для приложения синусоидально изменяющейся однородной деформации

Основа для этого графика следующая:

Пьезо материал: PZT-5A

Размер комбайна: 10 мм x 10 мм x 0,25 мм

Электроды: полное покрытие обеих поверхностей 10 мм x 10 мм

Поляризация: По толщине 0,25 мм

Механический ввод: динамический (т.е.е. +/-) равномерная деформация, приложенная к кромке 10 мм x 0,025 мм в диапазоне частот

Электрическая мощность: между двумя электродами с воображаемой идеальной схемой

Деформация, а не напряжение используется в качестве независимого механического воздействия по двум причинам:

1. Пределы механического динамического возбуждения пьезокерамики могут быть легко аппроксимированы как +/- 500E-06 м / м (т. Е. 500 микродеформаций). Эта цифра обычно используется в качестве практического правила, исходя из предела прочности материалов и включается в график в качестве верхнего предела.
2. Намного легче экспериментально измерить поверхностную деформацию различных конструкций и вывести внутренние напряжения, чем непосредственно измерить напряжение.

Ось Y на этом графике показывает приложенную +/- равномерную деформацию, ось X показывает частоту приложения синусоидальной деформации. Линии представляют собой «контуры постоянной выходной электрической мощности», показывающие компромисс между приложенной деформацией и приложенной частотой для этого небольшого образца керамики. Для керамики того же размера низкочастотные вибрационные среды потребуют устройств, рассчитанных на более высокие нагрузки, чем высокочастотные вибрационные среды.

Никакой практический дизайн не достигнет этого верхнего предела. Напряжения / деформации редко бывают одинаковыми, никогда не применяются без потерь, а электронные схемы никогда не бывают идеальными. Работа по проектированию комбайна состоит в основном из поиска различных компромиссов. Рассмотрим в качестве примера консольную биморфную балку. Когда балка изгибается, средняя деформация в керамических слоях составляет ровно половину деформации поверхности, поэтому, когда поверхность находится на пределе, напряжение на пластинах будет только 1/2 достижимого максимума, а энергия, запасенная в емкости слоя поэтому будет только 1/4.Но становится еще хуже! Во время вибрации распределение деформации на поверхности неоднородно по длине балки — она ​​высока около точки кантилевера и спадает на выходе к наконечнику, уменьшая предельный выход, возможно, еще на 1/4 — 1/3. Таким образом, цена удобства биморфа заключается в том, что его электрическая мощность на каждые 10 мм квадрата устройства действительно будет примерно 1/16 от того, что показано на нашем графике. ВНИМАНИЕ: выходная мощность может быть меньше, чем кажется!

Что касается выходной мощности, то процесс проектирования сосредоточен на передаче полной электрической энергии нагрузке при определенной комбинации напряжения и тока (например,грамм. 5 В при 0,05 мА (среднеквадратичное значение)). В принципе, это определение не зависит от конструкции входа и состоит в основном из разделения пьезокерамики на несколько слоев, которые соединяются параллельно.

В качестве справочного руководства общего назначения в таблице 4 показан спектр генераторных преобразователей, обычно используемых в пьезоэлектрических устройствах. Это может быть достигнуто после энергетического расчета путем разделения объема керамики на слои (с параллельной разводкой). Результатом является многослойная конструкция, способная передавать ту же энергию при более низком напряжении и более высоком токе.

Пьезоэлектрический генератор

— обзор

1.6.1 Электропитание

Основные проблемы имплантируемых медицинских устройств (IMD) для мониторинга активности мозга высокой плотности в основном связаны с их целевым местоположением. Некоторые из этих IMD могут быть полностью размещены на коре головного мозга в очень ограниченной геометрии, как показано на рис. 1.3 (A). В других случаях, только электродный массив помещается на кортекс, в то время как другие компоненты могут быть расположены в созданном пустом пространстве. путем трепанации черепа [124] или под кожей головы с подсоединенными проводами отведений [125,126].Независимо от размещения, эта ограниченная среда представляет собой сложную проблему с питанием.

Существует три основных метода питания имплантированного устройства: использование батареи, сбор энергии из окружающей среды и передача энергии чрескожно через беспроводной передатчик энергии [127,128]. Естественным первым выбором будет аккумулятор, поскольку они широко используются в других имплантируемых устройствах, таких как кардиостимуляторы. Хотя имеет смысл использовать батарею в приложении для кардиостимуляции, где мощность цепи нагрузки мала (микроватты) и доступен большой физический объем, так что батарея может прослужить на 10 лет больше, потребление энергии при высокой плотности Приложения нейронной записи и стимуляции обычно намного больше (милливатты), а физический объем, доступный для большой батареи, невелик, что в совокупности значительно сокращает срок службы до необходимой хирургической повторной имплантации.Медицинские риски, связанные с регулярной операцией на головном мозге и восстановлением только для замены батареи, неприемлемы для большинства пациентов, поэтому батареи обычно используются только в нейронных приложениях высокой плотности в качестве временного накопителя энергии в системах с другим источником питания: либо поглощение энергии или беспроводная передача энергии.

Получение энергии из окружающих источников в местной среде было потенциально привлекательным вариантом питания, по крайней мере, с 1970-х годов во время разработки кохлеарных имплантатов.Многие методы очистки продолжают активно развиваться: (1) солнечные элементы, (2) биотопливные элементы, (3) термоэлектрические генераторы, (4) пьезоэлектрические генераторы, (5) окружающие радиочастоты и т. Д. Хотя такие подходы теоретически привлекательны, ограниченные Объем, доступный рядом с мозгом, в сочетании со стохастической природой многих источников сбора энергии приводит к тому, что мощность слишком мала и слишком изменчива, чтобы надежно работать с многоканальными нейронными технологиями.

Самым популярным способом питания имплантированного устройства более высокой мощностью, чем одноканальные приложения для стимуляции, является беспроводная доставка энергии через чрескожный канал.Электроэнергия может передаваться чрескожно с использованием одного из трех основных механизмов: (i) оптики (обычно ближний инфракрасный свет), (ii) акустики (обычно на ультразвуковых частотах) и (iii) электромагнетизма (ближнего, среднего или дальнего света). полевые волны). Каждый метод может обеспечивать мощность от 10 мкВт до мВт. Однако общая передаваемая мощность сильно зависит от геометрии и конструкции принимающего преобразователя, а также от глубины и ориентации имплантата.

Оптическое питание через передачу инфракрасного света имеет очень короткую глубину проникновения в несколько миллиметров, что ограничивает его применение подкожными и очень мелкими имплантатами [129–131].С другой стороны, ультразвук может проникать намного глубже в ткани, потенциально приводя в действие имплантаты, расположенные на корковой поверхности. Фактически, было продемонстрировано, что ультразвук может более эффективно приводить в действие устройства миллиметрового размера, имплантированные глубоко в мягкие ткани, чем электромагнитные методы [132]. Однако также было показано, что ультразвуковая энергия не эффективно проникает в кость, что ограничивает возможности прямого питания кортикальных имплантатов извне черепа. Чтобы преодолеть это, исследователи предложили двухуровневую систему, в которой электромагнитная энергия проходит через череп, затем преобразуется в акустическую энергию через систему промежуточных преобразователей и, наконец, доставляется в миниатюрный имплантат через мягкие ткани [133].Однако, помимо нетривиальной упаковки и проблем, связанных с дизайном датчика, это, вероятно, является разумным подходом, когда имплантат, на который требуется питание, очень глубокий или очень маленький (размер менее миллиметра). По этим причинам ультразвуковая подача энергии обычно не рассматривается в системах ЭКоГ.

Самый популярный метод чрескожной доставки энергии основан на использовании электромагнетизма. Для устройств, имплантированных на глубину нескольких сантиметров и имеющих диаметр порядка миллиметра в сантиметр, передача электромагнитной энергии в ближнем или среднем поле обычно считается наиболее эффективным и практичным методом питания таких устройств. .Передача мощности в ближнем поле, которая работает на частотах примерно до 100 МГц для типичных имплантатов, широко используется для кохлеарных имплантатов [134], протезов сетчатки [96,89] и различных исследовательских систем IMD [135,124,136–138] и был исследован и охарактеризован с целью максимального увеличения его использования и эффективности передачи энергии для имплантатов [139–144].

Большинство традиционных конструкций работают в ближнем поле между 1 и 20 МГц, поскольку хорошо известно, что проводимость (и, следовательно, потери) в ткани увеличиваются при более высоких частотах, как показано на рис.1.7. Ранее утверждалось, что работа на более высоких частотах приведет к более высоким потерям и, следовательно, будет менее эффективной. Кроме того, государственные регулирующие органы ограничивают количество энергии, которая может рассеиваться в ткани по соображениям безопасности — например, Федеральная комиссия по связи США (FCC) устанавливает удельную скорость поглощения (SAR) менее 1,6 Вт / кг. По этим причинам обычные чрескожные линии передачи энергии работают в диапазоне низких частот, часто в диапазонах ISM 6,78 и 13,56 МГц [143,144,127].

Рисунок 1.7. (A) Относительная диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость в диапазоне частот от 10 до 100 ГГц с наиболее популярными частотными диапазонами связи для имплантатов ЭКоГ [145, 146]. (B) Относительная диэлектрическая проницаемость и (C) удельная проводимость различных типов тканей, включая кожу, жир, череп, спинномозговую жидкость, серое и белое вещество [147].

Однако также хорошо известно, что добротность и радиационная стойкость электрически малогабаритных катушечных антенн возрастают с увеличением частоты.Таким образом, миниатюрные имплантаты с электрически небольшими катушками для беспроводного приема энергии, как правило, предпочитают работать на более высоких частотах, по крайней мере, в воздухе. В биологических тканях компромисс между конструкцией катушки и тканевыми потерями приводит к оптимальной частоте для беспроводной передачи энергии, при которой эффективность максимальна. Например, индуктивность катушек, расположенных на миниатюрных имплантатах размером в миллиметр, составляет от 10 до 100 нГн [69,91,148,149]. Чтобы компенсировать уменьшенный магнитный поток через миниатюрную приемную катушку, несущая частота для беспроводной передачи энергии должна быть увеличена, часто от сотен МГц до однозначного диапазона ГГц [150,151,149,148,69].Эти предыдущие исследования продемонстрировали, что можно эффективно подавать мощность в милливаттах на небольшие имплантированные устройства в соответствии с нормативными пределами, и, таким образом, электромагнитные подходы являются основным средством подачи энергии на имплантированные устройства ЭКоГ.

Как работает пьезоэлектрический генератор? — Типы и характеристики

Большая часть электротехники сосредоточена на новых способах производства электричества из других источников энергии вокруг нас, а другая значительная часть сосредоточена на ее кондиционировании.Один новый тип датчика преобразует механическую энергию непосредственно в электрическую энергию без необходимости во вращательном движении, типичном для генератора — пьезоэлектрического генератора.

Поскольку пьезоэлектрический генератор не требует движущихся частей, его можно сделать очень компактным, надежным и долговечным; это также упрощает согласование сигнала. Существует много типов пьезоэлектрических элементов, как показано ниже (источник: пицерамика), каждый элемент имеет разную форму и характеристики.Давайте подробно обсудим работу пьезоэлектрического генератора и его свойства в этой статье.

Что такое пьезоэлектрический эффект и как он работает?

Пьезоэлектричество — это электричество, генерируемое из-за приложения механического напряжения к определенным материалам, таким как кристаллы (кварц), керамика (цирконат титанат свинца) и даже некоторые биологические материалы, такие как кости и ДНК.

Фактический механизм включает в себя генерацию электрических диполей, которые представляют собой два противоположных заряда, разделенных небольшим расстоянием, которое можно приблизительно сравнить с стержневым магнитом в кристаллической структуре.

Когда к кристаллу прикладывается сила, небольшие изменения в структуре кристаллической решетки вызывают образование электрического диполя, который, в свою очередь, создает напряжение на гранях кристалла.

Это напряжение обеспечивает небольшой заряд, который можно использовать для питания внешней цепи.Этот эффект также работает в обратном направлении: напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому элементу, приведет к его деформации по плоскости. Так работают пьезозуммеры и ультразвуковые преобразователи.

Рассмотрим подробнее обычный пьезоэлектрический материал — кварц.

Кварц представляет собой кристаллическую форму сложного диоксида кремния, в котором один атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода, расположенными в гексагональной структуре. Обычно каждая вершина шестиугольника имеет один атом кислорода или кремния в чередующемся порядке.

Каждый атом несет небольшой заряд. В случае кварца атом кислорода несет отрицательный заряд, а атом кремния — положительный. Поскольку все атомы расположены на равном расстоянии друг от друга, заряды сбалансированы на каждой вершине, и суммарный дипольный момент отсутствует.

Когда кристалл деформируется по двум противоположным сторонам шестиугольника, структура становится плоской, и теперь расстояние между противоположными вершинами на концах увеличивается.Это вызывает дисбаланс зарядов вдоль центральной оси, создавая небольшой дипольный момент .

Этот дипольный момент индуцирует небольшое напряжение на кристалле, перпендикулярном приложенной силе.

Выходные характеристики и формирование сигнала

Сформированный источник питания больше всего похож на конденсатор, поскольку при каждом приложении напряжения может генерироваться только дискретное количество заряда.Выходной сигнал представляет собой импульс низкого напряжения высокого напряжения, который необходимо подготовить перед использованием.

Схема кондиционирования обычно включает выпрямитель с низким прямым падением и трансформатор для преобразования высокого напряжения в более низкое полезное напряжение, а также накопительный элемент, обычно суперконденсатор, для хранения энергии и преобразователь постоянного тока в постоянный ток для преобразования. энергия в пригодную для использования форму.

Сейчас существует множество микросхем, которые объединяют все в одном небольшом корпусе, например, LTC3588 , который требует очень мало внешних компонентов и имеет встроенную схему преобразователя мощности, включая переключатели питания, что упрощает реализацию маломощной Piezo Системы сбора энергии .

Для непрерывного производства электричества необходим постоянный колебательный источник механической энергии. Это может быть из-за вибрации от работающих двигателей или другого механического оборудования.

Однако, когда механические колебания уходят от резонансной частоты пьезоэлемента , диэлектрические потери мощности увеличиваются. Этому можно противодействовать, сделав элемент с той же резонансной частотой, что и источник механических колебаний, что можно сделать путем изменения размеров.

Пьезоэлектрическая постоянная пьезокристалла выражается в единицах C / N (кулонов на ньютон). Это в основном относится к заряду за каждый Ньютон приложенной силы. Это значение зависит от материала, из которого изготовлен кристалл, и от размеров.

Общие пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы могут быть как природными, так и искусственно созданными.Некоторые известные пьезоэлектрические материалы упомянуты ниже.

Материалы естественного происхождения:

Кварц был первым природным материалом, обнаружившим пьезоэлектрический эффект. Кварц состоит из оксида кремния и имеет пьезоэлектрический коэффициент около 2 пКл / Н.

Другие материалы, такие как соль Рошеля (тартарат калия натрия) и сахароза (обычный сахар), также обладают пьезоэлектричеством.

Искусственно возникающие материалы:

Керамика обычно используется в качестве пьезоэлементов.Некоторые примеры включают оксид цинка, титанат бария и титанат цирконата свинца.

Пьезоэлектрические генераторы — преимущества и ограничения

Самым большим преимуществом пьезоэлектрических генераторов является их размер и универсальность. Пьезоэлектрические элементы обычно очень плоские и в определенной степени гибкие, поэтому их легко встроить во многие вещи.

Одним из распространенных примеров является встраивание такого датчика в обувь.Каждый раз, когда делается шаг, элемент сжимается и вырабатывает электричество. Хотя количество вырабатываемой электроэнергии невелико, ее можно кондиционировать и хранить, чтобы в дальнейшем делать что-то полезное, например, заряжать телефон или включать аварийный фонарик.

Несколько блоков также могут быть объединены в стопку для обеспечения большей выходной мощности, однако после определенного момента отдача уменьшается, поскольку для сжатия требуется большее усилие.

Поскольку пьезоэлементы собирают ненужную энергию из устройств, пьезоэлемент, прикрепленный, например, к двигателю, может собирать энергию от вибраций и уменьшать шум, поскольку энергия вибрации преобразуется в электрическую энергию.

Однако самым большим недостатком пьезоэлектрического генератора является ограниченная выходная мощность. Поскольку он очень похож на конденсатор, для получения постоянной выходной энергии он должен подвергаться вибрации. На выходе используется переменный ток, поэтому требуется некоторая обработка сигнала, чтобы преобразовать его в постоянный ток и в пригодные для использования уровни напряжения и тока.

Учитывая эти ограничения и преимущества, пьезоэлементы хорошо подходят для промышленных сред с большим количеством механических вибраций, которые могут использоваться для питания небольших микроконтроллеров IoT, используемых для мониторинга оборудования.

В заключение, пьезоэлектрические генераторы используют пьезоэлектрический эффект для преобразования механической энергии в электрическую. Они обладают низкой выходной мощностью и подходят для питания слаботочных датчиков от источников механической вибрации и, следовательно, собирают энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую.

Пьезоэлектрический микрогенератор, работающий на низкой частоте и высоком ускорении на основе соединения PZT и фосфорной бронзы

Как работает пьезоэлектричество | ОРЕЛ

Пьезо что? Кажется, это сложно понять, но это легко понять. Слово пьезоэлектрический происходит от греческого слова piezein, что буквально означает сжимать или давить.Вместо того чтобы сжимать виноград, чтобы сделать вино, мы сжимаем кристаллы, чтобы создать электрический ток! Пьезоэлектричество встречается в тоннах повседневных электронных устройств, от кварцевых часов до динамиков и микрофонов. В двух словах:

Пьезоэлектричество — это процесс использования кристаллов для преобразования механической энергии в электрическую или наоборот.

Обычные кристаллы характеризуются своей организованной и повторяющейся структурой атомов, которые удерживаются вместе связями, это называется элементарной ячейкой.Большинство кристаллов, таких как железо, имеют симметричную элементарную ячейку, что делает их бесполезными для пьезоэлектрических целей.

( Источник изображения )

Есть и другие кристаллы, которые объединяются в пьезоэлектрических материалов . Структура этих кристаллов несимметрична, но они все еще находятся в электрически нейтральном балансе. Однако, если вы приложите механическое давление к пьезоэлектрическому кристаллу, структура деформируется, атомы будут выталкиваться, и внезапно вы получите кристалл, который может проводить электрический ток.Если взять тот же пьезоэлектрический кристалл и подать на него электрический ток, кристалл будет расширяться и сжиматься, преобразовывая электрическую энергию в механическую.

( Источник изображения )

Типы пьезоэлектрических материалов

Существует множество пьезоэлектрических материалов, которые могут проводить электрический ток, как искусственный, так и естественный. Самый известный и первый пьезоэлектрический материал, используемый в электронных устройствах, — это кристалл кварца.Другие природные пьезоэлектрические материалы включают тростниковый сахар, соль Рошель, топаз, турмалин и даже кость.

Кристалл кварца. ( Источник изображения )

Поскольку пьезоэлектрические технологии начали развиваться после Первой мировой войны, мы начали разработку искусственных материалов, которые по своим характеристикам не уступали кварцу. Искусственные пьезоэлектрические материалы включают:

PZT изготовлен из цирконата-титаната свинца и может производить большее напряжение, чем кварц, при том же механическом давлении.

Пьезокерамика PZT, используемая в ультразвуковых датчиках. ( Источник изображения )

Титанат бария — керамический пьезоэлектрический материал, который был открыт во время Второй мировой войны и известен своей долговечностью.

Титанат бария. ( Источник изображения )

Ниобат лития — это материал, который объединяет кислород, литий и нобий вместе в керамический материал, который по своим свойствам аналогичен титанату бария.

Ниобат лития. ( Источник изображения )

Как работает пьезоэлектричество

У нас есть специальные материалы, которые подходят для пьезоэлектричества, но как именно работает этот процесс? С пьезоэлектрическим эффектом. Самая уникальная черта этого эффекта в том, что он работает двумя способами. Вы можете приложить механическую или электрическую энергию к тому же пьезоэлектрическому материалу и получить противоположный результат.

Приложение механической энергии к кристаллу называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и работает следующим образом:

1. Пьезоэлектрический кристалл помещен между двумя металлическими пластинами.На этом этапе материал находится в идеальном балансе и не проводит электрический ток.
2. Затем к материалу прикладывается механическое давление металлическими пластинами, которое нарушает баланс электрических зарядов внутри кристалла. На противоположных сторонах грани кристалла появляются избыточные отрицательные и положительные заряды.
3. Металлическая пластина собирает эти заряды, которые можно использовать для создания напряжения и передачи электрического тока через цепь.

( Источник изображения )

Вот и все, простое приложение механического давления, сжатие кристалла и внезапно возникает электрический ток.Вы также можете сделать обратное, подав электрический сигнал на материал в виде обратного пьезоэлектрического эффекта . Работает так:

1. В той же ситуации, что и в примере выше, у нас есть пьезоэлектрический кристалл, расположенный между двумя металлическими пластинами. Структура кристалла идеально сбалансирована.
2. Затем к кристаллу прикладывается электрическая энергия, которая сжимает и расширяет структуру кристалла.
3. По мере того, как структура кристалла расширяется и сжимается, он преобразует полученную электрическую энергию и высвобождает механическую энергию в виде звуковой волны.

( Источник изображения )

Обратный пьезоэлектрический эффект используется во множестве приложений. Возьмем, к примеру, динамик, который подает напряжение на пьезоэлектрическую керамику, заставляя материал вибрировать в воздухе в виде звуковых волн.

Открытие пьезоэлектричества

Пьезоэлектричество было впервые открыто в 1880 году двумя братьями и французскими учеными, Жаком и Пьером Кюри. Экспериментируя с множеством кристаллов, они обнаружили, что приложение механического давления к определенным кристаллам, таким как кварц, высвобождает электрический заряд.Они назвали это пьезоэлектрическим эффектом.

Пьер Кюри с женой Марией в своей лаборатории. ( Источник изображения )

В следующие 30 лет пьезоэлектричество использовалось в основном для лабораторных экспериментов и дальнейшего совершенствования. Только в Первой мировой войне пьезоэлектричество использовалось для практических применений в гидролокаторах. Сонар работает путем подключения напряжения к пьезоэлектрическому передатчику. Это обратный пьезоэлектрический эффект, который преобразует электрическую энергию в механические звуковые волны.

( Источник изображения )

Звуковые волны проходят через воду, пока не ударяются о предмет. Затем они возвращаются к исходному приемнику. Этот приемник использует прямой пьезоэлектрический эффект для преобразования звуковых волн в электрическое напряжение, которое затем может обрабатываться устройством обработки сигнала. Используя время между уходом сигнала и его возвратом, можно легко рассчитать расстояние до объекта под водой.

С успехом сонара пьезоэлектричество привлекло внимание военных.Вторая мировая война продвинула технологию еще дальше, поскольку исследователи из США, России и Японии работали над созданием новых искусственных пьезоэлектрических материалов, называемых сегнетоэлектриками. Это исследование привело к созданию двух искусственных материалов, которые используются наряду с кристаллами природного кварца, титанатом бария и титанатом цирконата свинца.

Пьезоэлектричество сегодня

В современном мире электроники пьезоэлектричество используется повсеместно. Когда вы спрашиваете Google, как пройти к новому ресторану, в микрофоне используется пьезоэлектричество.В Токио есть даже метро, ​​которое использует силу человеческих шагов для питания пьезоэлектрических структур в земле. Пьезоэлектричество используется в следующих электронных приложениях:

Приводы

Приводы

используют пьезоэлектричество для питания таких устройств, как вязальные машины и машины Брайля, видеокамеры и смартфоны. В этой системе металлическая пластина и исполнительное устройство скрепляют вместе пьезоэлектрический материал. Затем к пьезоэлектрическому материалу прикладывается напряжение, которое расширяется и сжимается.Это движение также заставляет привод двигаться.

( Источник изображения )

Динамики и зуммеры

В динамиках

пьезоэлектричество используется для питания таких устройств, как будильники и других небольших механических устройств, для которых требуется высокое качество звука. Эти системы используют обратный пьезоэлектрический эффект путем преобразования звукового сигнала напряжения в механическую энергию в виде звуковых волн.

( Источник изображения )

Драйверы

Драйверы

преобразуют низковольтную батарею в более высокое напряжение, которое затем можно использовать для управления пьезоустройством.Этот процесс усиления начинается с генератора, который выдает синусоидальные волны меньшего размера. Эти синусоидальные волны затем усиливаются пьезоусилителем.

( Источник изображения )

Датчики

Датчики

используются в различных приложениях, таких как микрофоны, гитары с усилителями и медицинское оборудование для обработки изображений. В этих устройствах используется пьезоэлектрический микрофон для обнаружения изменений давления в звуковых волнах, которые затем могут быть преобразованы в электрический сигнал для обработки.

( Источник изображения )

Мощность

Одно из самых простых применений пьезоэлектричества — это зажигалка для сигарет. Нажатие кнопки зажигалки выпускает подпружиненный молоток в пьезоэлектрический кристалл. Это создает электрический ток, который проходит через искровой промежуток, нагревая и воспламеняя газ. Эта же пьезоэлектрическая система питания используется в более крупных газовых горелках и плитах духовок.

( Источник изображения )

Двигатели

Пьезоэлектрические кристаллы идеально подходят для приложений, требующих высокой точности, таких как движение двигателя.В этих устройствах пьезоэлектрический материал получает электрический сигнал, который затем преобразуется в механическую энергию, чтобы заставить керамическую пластину двигаться.

( Источник изображения )

Пьезоэлектричество и будущее

Что ждет пьезоэлектричество в будущем? Возможностей предостаточно. Одна популярная идея, которую выдвигают изобретатели, — это использование пьезоэлектричества для сбора энергии. Представьте себе, что в вашем смартфоне есть пьезоэлектрические устройства, которые можно активировать простым движением вашего тела, чтобы они оставались заряженными.

Если подумать немного шире, вы также можете встроить пьезоэлектрическую систему под тротуарную дорогу, которая может приводиться в действие колесами проезжающих автомобилей. Эту энергию затем можно было использовать для светофоров и других близлежащих устройств. Добавьте к этому дорогу, заполненную электромобилями, и вы окажетесь в чистой положительной энергетической ситуации.

Хотите помочь продвинуть пьезоэлектричество в будущее? Autodesk EAGLE предлагает массу бесплатных пьезобиблиотек, готовых для использования в вашем следующем проекте.Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Что такое пьезоэлектрический преобразователь?

Преобразователь — это любое устройство, используемое для преобразования энергии из одной формы в другую — обычно при преобразовании входной энергии в выходную. Чтобы преобразование произошло, также должно иметь место изменение одной формы энергии, например преобразование механической энергии в электрическую или наоборот. Есть много типов преобразователей, и их использование широко распространено, оказывая на нас разное влияние.Типичным примером является микрофон, который преобразует входную энергию — или звуковые волны, производимые голосом или инструментом — в выходную энергию или электрические импульсы в форме усиленного звука.

Другие типы электроакустических преобразователей (включая преобразование между электрической энергией и звуком) включают гидрофоны, которые преобразуют изменения давления воды в электрическую мощность, и звукосниматели на музыкальных инструментах, таких как гитары, которые преобразуют вибрацию струн инструмента в электрическую. импульс.

>> Магазин Преобразователи воздуха || Магазин ультразвуковых преобразователей <<

Что такое пьезоэлектрические преобразователи?

Пьезоэлектрические преобразователи — это тип электроакустических преобразователей, которые преобразуют электрические заряды, производимые некоторыми формами твердых материалов, в энергию. Слово «пьезоэлектрический» буквально означает электричество, вызванное давлением. Раннее применение технологии пьезопреобразователя произошло во время Первой мировой войны с использованием гидролокатора, который использовал эхо для обнаружения вражеских кораблей.Маленькие пьезопреобразователи также в основном присутствовали в стационарных телефонах. Они сидели внутри звонка и помогали создавать заметный шум, предупреждая людей о входящих звонках. Вдобавок пьезоэлектричество находит применение и в кварцевых часах, что и обеспечивает их высокую точность.

Звоните сегодня

Преимущества и ограничения пьезопреобразователей

Как и во всех других технологиях, тщательное взвешивание плюсов и минусов пьезоэлектрического преобразователя имеет большое значение для определения его эффективности в конкретной ситуации.

Некоторые преимущества, которые они имеют по сравнению с другими методами, включают:

• Самогенерирующиеся: из-за способности материалов создавать напряжение под воздействием некоторой энергии, схемы пьезопреобразователей не требуют внешнего источника питания.
• Доступность: схемы пьезоэлектрических преобразователей из-за их малых размеров и большого диапазона измерения просты в обращении, установке и использовании.
• Высокочастотная характеристика: гораздо более высокая, чем обычно, частотная характеристика означает, что параметры этих преобразователей быстро меняются.
• Гибкость: благодаря тому, что большинству материалов, используемых в строительстве, можно придать различные формы и размеры, вы можете применять эти преобразователи в различных областях.

Какими бы полезными ни были пьезоэлектрические преобразователи, они также имеют свои ограничения, в том числе некоторые из следующего:

• Небольшой электрический заряд: хотя они могут генерироваться самостоятельно, вам потребуется кабель с высоким сопротивлением для установления соединения с электрическим интерфейсом.
• Влияет на различные окружающие среды и условия: пьезоэлектрические преобразователи не могут измерять выходной сигнал в статических условиях, а колебания температуры и влажности могут влиять на выходной сигнал.
• Естественно низкая производительность: несмотря на то, что производительность некоторых материалов относительно выше, чем у их аналогов, производительность во многих отношениях остается низкой. Вам нужно будет подключить его к внешней цепи.

Частоты и амплитуды для пьезопреобразователей

Колебание пьезоэлементов начинается при приложении переменного напряжения.Их невероятно быстрый отклик — в диапазоне микросекунд и ниже — позволяет им использоваться в широком диапазоне приложений, включая генерацию ультразвука с частотами вплоть до 20 МГц.

Из-за их чрезвычайной чувствительности к пьезоэлектрическому эффекту можно создавать пьезопреобразователи для различных применений, от датчиков до генерации ультразвуковой энергии. Это включает более высокие плотности энергии и частоты в диапазоне от 20 до 800 кГц.

В этом диапазоне частот и амплитуд пьезопреобразователи, вырабатывающие ультразвуковую энергию, отлично подходят для различных медицинских и промышленных процессов. В секторе здравоохранения эти применения варьируются от удаления зубного налета до ультразвукового дробления камней в почках. В промышленных условиях пьезоэлектрические преобразователи идеально подходят для использования в различных процессах соединения, очистки и сварки.

Различные режимы пьезопреобразователей

Некоторые физические величины, такие как сила и напряжение, трудно измерить напрямую.В этих случаях выходные напряжения пьезоэлектрического преобразователя прямо пропорциональны любым напряжениям и / или силам, которые прилагаются к пьезоматериалу. С помощью различных режимов измерения преобразователя можно настроить шкалу для эффективного и точного измерения приложенной силы или напряжения.

Однако следует отметить, что, поскольку выходное напряжение материалов, подвергающихся пьезоэлектрическому эффекту, относительно низкое при высоком импедансе, пьезопреобразователям часто требуется какой-либо усилитель или вспомогательная схема для эффективной работы.

Детали и функции преобразователя

Хотя многие материалы могут демонстрировать пьезоэлектрический эффект, лучшие из них также должны обладать по крайней мере некоторыми из наиболее желаемых качеств. К таким характеристикам относятся постоянная стабильность, высокая производительность, пластичность и устойчивость к экстремальным температурам и влажности. Тем не менее, ни один известный материал не демонстрирует все эти качества одновременно.

Первоначально кристаллы, сделанные из кварца, стали основным материалом для пьезоэлектрических преобразователей.Кварц обеспечивает превосходную стабильность и медленное измерение при различных параметрах из-за низкой скорости утечки, что означает, что он может обеспечить отличную точность — вот почему часы чаще всего их используют. Хотя кварц все еще широко используется, он также дает довольно низкий выход, а это означает, что он не может адекватно соответствовать требованиям более сложных технологий.

В начале 1950-х годов кристаллы кварца начали уступать место пьезоэлектрической керамике в качестве основного материала преобразователя. Преимущества, предлагаемые керамическим преобразователем по сравнению с другими материалами, включают способность керамики изготавливаться самых разных форм и размеров, способность эффективно работать при низком напряжении и способность работать при температурах до 300 градусов Цельсия.

Типы преобразователей

Благодаря возможности производить керамические преобразователи различных размеров и форм, керамические преобразователи могут быть легко адаптированы к широкому спектру промышленных применений. Следовательно, они позволяют выполнить полную настройку в соответствии с конкретными потребностями клиента. Сегодня наиболее часто используемыми материалами для изготовления керамических преобразователей являются композиции цирконата и титаната свинца, и эта тенденция восходит к 1960-м годам. Поскольку технология керамических преобразователей продолжает развиваться, использование пьезополимеров и композитов также получило признание.

Еще один материал, который невероятно хорошо работает в преобразователях, — это Рошельская соль, представляющая собой синтетический кристалл. Из всех сред, демонстрирующих признаки пьезоэлектрического эффекта, соль Рошеля дает самый высокий выход из всех обнаруженных до сих пор материалов. Однако у него есть свои недостатки, которые могут сдерживать его успех в определенных условиях. Эти синтетические кристаллы не контактируют с влагой и не могут использоваться при температуре выше 115 градусов по Фаренгейту.

Если вы готовы пойти на компромисс между чувствительностью и максимальной выходной мощностью, синтетические кристаллы могут дать явное преимущество по характеристикам по сравнению с натуральными кристаллами.

Как измерить КПД пьезопреобразователя

Одним из способов измерения эффективности преобразователя является сравнение количества входящей энергии с выходной энергией. Каждый раз, когда происходит преобразование энергии, некоторое количество энергии будет потеряно во время процесса. В общем, чем больше количество произведенной выходной энергии по отношению к входящей энергии, тем выше уровень эффективности.

Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь

Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь генерирует ультразвуковую активность, то есть измеряет давление звуковых волн выше частот, которые может слышать человеческое ухо. Он функционирует путем быстрого расширения и сжатия при подаче соответствующей электрической частоты и напряжения. Обычно используемые в системах очистки, расширение и сжатие заставляют диафрагму преобразователя ультразвукового очистителя, которая служит чувствительным к давлению элементом устройства, вибрировать, вызывая в процессе ультразвуковую активность в резервуаре для очистки.Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь также предлагает преимущества высокой электроакустической эффективности при минимальном тепловыделении.

Применение и использование электрических преобразователей

Пьезоэлектрические преобразователи

могут использоваться во многих приложениях, в которых электроэнергия используется в промышленности, окружающей среде и в личных целях. Например, датчики воздуха часто используются в автомобилях, датчиках приближения и уровня — подумайте об автоматических раздвижных дверях, с которыми вы сталкиваетесь в продуктовых магазинах, аэропортах и ​​отелях.Они обычно используются в бытовых изделиях, таких как детекторы движения и объектов, средства для отпугивания вредителей и домашняя сигнализация. Они обычно используются в бытовых изделиях, таких как детекторы движения и объектов, средства для отпугивания вредителей и сигнализация домашней безопасности.

Производители внедряют их и в обычные электронные устройства, такие как игрушки, игры и пульты дистанционного управления. Вы также найдете их в струйных принтерах, электрических зубных щетках и зуммерах.

APC International, Ltd.- Первое, что нужно для пьезоэлектрического оборудования

В APC International, Ltd. мы на собственном опыте знаем, как прислушиваться к потребностям наших клиентов, чтобы наша роль надежного поставщика пьезокерамики и устройств превратилась в надежного партнера. Вот почему, находитесь ли вы на первых этапах проектирования прототипа или вам нужно массовое производство критически важных компонентов, наш опытный персонал и современное производственное оборудование готовы предоставить вам пьезоизделия и услуги, которые вам необходимы. ожидайте от лидера отрасли.

Есть вопросы о пьезопреобразователях или других пьезоматериалах? Свяжитесь с нами или позвоните нам по телефону (570)726-6961, чтобы узнать больше.

Производство электроэнергии от пьезоэлемента: 7 ступеней

ПЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Пьезоэлектрическая пластина — это устройство, которое использует пьезоэлектрический эффект для измерения давления, ускорения, деформации или силы путем преобразования их в электрический заряд. Пьезоэлектричество — это электричество, вырабатываемое пьезоэлементом за счет эффекта, называемого пьезоэлектрическим эффектом.Это способность определенных материалов генерировать переменное напряжение (переменный ток), когда они подвергаются механическому воздействию или вибрации, или вибрировать, когда они подвергаются переменному напряжению, или и то, и другое. Самый распространенный пьезоэлектрический материал — кварц. Определенная керамика, соли Рошеля и различные другие твердые вещества также проявляют этот эффект. Когда звуковая волна ударяется об одну или обе стороны пластин, пластины вибрируют. Кристалл улавливает эту вибрацию, которая преобразуется в слабое переменное напряжение. Следовательно, между двумя металлическими пластинами возникает переменное напряжение, форма волны которого аналогична звуковым волнам.И наоборот, если на пластины подается сигнал переменного тока, он заставляет кристалл вибрировать синхронно с сигнальным напряжением. В результате металлические пластины также вибрируют и создают акустические помехи.

УСИЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

В нашем проекте мы использовали корпус Villard Cased для преобразования источника переменного тока в постоянный и усиления напряжения. Мы выбрали каскад Виллара, потому что он одновременно выпрямляет и усиливает вход от источника с помощью диодов и конденсатор.

VILLARD CASCADE

Умножитель напряжения — это электрическая цепь, которая преобразует электрическую мощность переменного тока с более низкого напряжения в более высокое постоянное напряжение, обычно с использованием сети конденсаторов и диодов. Умножители напряжения могут использоваться для генерации от нескольких вольт для электронных устройств до миллионов вольт для таких целей, как эксперименты по физике высоких энергий и тестирование молниезащиты. Наиболее распространенный тип умножителя напряжения — это последовательный полуволновой умножитель, также называемый каскадом Виллара.