Математичне моделювання електричного імпедансу п'єзокерамічного диска, що коливається в широкому діапазоні частот (Частина 3. Високі частоти)
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2025.99.15-23Ключові слова:
електричний імпеданс, п'єзокерамічний диск, високі частоти, математичне моделювання, добротність, електромеханічний резонансАнотація
У статті представлено результати математичного моделювання електричного імпедансу п'єзокерамічного диска, який коливається в широкому діапазоні високих частот. Основною метою дослідження є створення математичної моделі, яка враховує геометричні та фізико-механічні характеристики матеріалу для оцінки поведінки диска в умовах електромеханічного резонансу та антирезонансу. Особливу увагу приділено аналізу впливу радіальних і осьових зміщень матеріальних частинок на частотну залежність механічного коефіцієнта якості та електричного імпедансу диска. У науковій роботі також враховані специфічні ефекти, характерні для високочастотного режиму, з метою підвищення точності моделювання і забезпечення оптимальних технічних характеристик пристроїв. Отримана в роботі математична модель дозволяє отримувати оцінки частотної залежності механічного коефіцієнта якості та динамічної електричної ємності в реальних умовах, зокрема з урахуванням енергетичних втрат через в'язке тертя. Числові розрахунки підтверджують високу кореляцію між теоретичними та експериментальними даними (розбіжність між ними не перевищила 3.10-3), що дозволяє використовувати модель для проєктування п'єзоелектричних пристроїв. Зокрема, встановлено, що частоти електромеханічного резонансу та антирезонансу практично не залежать від радіальних зміщень матеріальних частинок і визначаються лише осьовими компонентами. Розрахункова модель також забезпечує можливість оцінки електричного імпедансу у високочастотному діапазоні з точністю, що відповідає сучасним вимогам до проєктування функціональних пристроїв п'єзоелектроніки. Отримані результати мають практичне значення для розроблення прецизійних елементів виробів військової техніки, високоточних сенсорів, ультразвукових генераторів, медичних діагностичних пристроїв та інших технологічних систем, що використовують п'єзоелектричні матеріали.
Посилання
References
1. Dong H., Zhu Z., Li Z. et al. (2024). Piezoelectric Composites: State-of-the-Art and Future Prospects. JOM, Vol. 76, pp. 340–352. DOI: 10.1007/s11837-023-06202-w.
2. Stankiewicz G., Dev C., Weichelt M. et al. (2024). Towards advanced piezoelectric metamaterial design via combined topology and shape optimization. Struct Multidisc Optim., Vol. 67, article number 26. DOI: 10.1007/s00158-024-03742-w.
3. Shung K. K. (2015). Diagnostic Ultrasound: Imaging and Blood Flow Measurements, Second Edition (2nd ed). CRC Press, Washington, D.C. DOI: 10.1201/b18323.
4. Antonio Arnau Vives (2008). Piezoelectric transducers and applications. Springer Berlin, Heidelberg. DOI: 10.1007/978-3-540-77508-9.
5. Ammari H., Garnier J., & Jing W. (2012). Resolution and stability analysis in acoustoelectric imaging. Inverse Problems, Vol. 28, No. 8, 084005. DOI: 10.1088/0266-5611/28/8/084005.
6. Ammari H., Grasland-Mongrain P., Millien P., Seppecher L., & Seo J. K. (2015). A mathematical and numerical framework for ultrasonically-induced Lorentz force electrical impedance tomography. Journal de Mathématiques Pures et Appliquées, Vol. 103, Iss. 6, pp. 1390-1409. DOI: 10.48550/arXiv.1401.2337.
7. Gebauer B. & Scherzer O. (2008). Impedance-Acoustic Tomography. SIAM J. Appl. Math., Vol. 69, Iss. 2, pp. 565–576. DOI: 10.1137/080715123.
8. Poplavko Y. M., Yakymenko Y. I. (2020). Large Parameters and Giant Effects in Electronic Materials. Radioelectron. Commun. Syst., Vol. 63, pp. 289–298. DOI: 10.3103/S0735272720060023.
9. Oleynyk G. S. (2018). Structure formation of ceramic materials. Naukova dumka, Kyiv, Ukraine.
10. Antonyuk V. S., Bondarenko M. O., Bondarenko Yu. Yu. (2012). Studies of thin wear-resistant carbon coatings and structures formed by thermal evaporation in a vacuum on piezoceramic materials. Journal of Superhard Materials, Vol. 34, No. 4, pp. 248–255. DOI: 10.3103/ S1063457612040065.
11. Aladwan I. M., Bazilo C., Faure E. (2022). Modelling and Development of Multisectional Disk Piezoelectric Transducers for Critical Application Systems. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering, Vol. 16, No. 2, pp. 275–282.
12. Petrishchev O. N. (2012). Harmonic vibrations of piezoceramic elements. Part 1. Harmonic vibrations of piezoceramic elements in vacuum and the method of resonance-antiresonance. Avers, Kiev, Ukraine.
13. Bazilo C. V. (2018). Principles and methods of the calculation of transfer characteristics of disk piezoelectric transformers. Radio Electronics, Computer Science, Control, No. 4, pp. 7-22. DOI: 10.15588/1607-3274-2018-4-1.
14. Bazilo C. (2020). Modelling of Bimorph Piezoelectric Elements for Biomedical Devices. In: Hu Z., Petoukhov S., He M. (eds) Advances in Artificial Systems for Medicine and Education III. Advances in Intelligent Systems and Computing, Vol. 1126, Springer, Cham, pp. 151–160. DOI: 10.1007/978-3-030-39162-1_14.
15. Nithya G., Sthuthi A., Chandrashekar N., et al. (2024). Modeling, Simulation, and Optimization of Piezoelectrically Actuated Dual-Axis MEMS Accelerometer for Seismic Sensing. J. Vib. Eng. Technol., Vol. 12, pp. 5383–5395. DOI: 10.1007/s42417-023-01169-z.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Костянтин Базіло, Людмила Усик, Євген Хижняк, Дмитро Жуйков, Андрій Ярославський
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
