Математичне моделювання циліндричних п'єзоелектричних перетворювачів для електроакустичних пристроїв
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2022.88.24-34Ключові слова:
п‘єзоелектричний перетворювач, акустоелектроніка, математична модель, імпеданс, циліндрична оболонкаАнотація
В статті наводяться послідовність та результати розроблення і дослідження математичних моделей циліндричних п'єзоелектричних перетворювачів, які активно використовуються в електро- та гідроакустиці (наприклад, у пристроях для випромінювання та прийому акустичних коливань у повітряному чи водному середовищі). Відмінними особливостями розроблюваних моделей є те, що встановлені за їх допомогою залежності, представляють собою математичний опис електроакустичного зв'язку між хвильовими полями на різних ділянках порожнистого п'єзокерамічного перетворювача циліндричної форми.
Отримані внаслідок проведеного моделювання аналітичні залежності дозволяють встановити електричний імпеданс та амплітудні значення струму і електричного заряду на електродованій поверхні п'єзоелектричного перетворювача (циліндричної п'єзоелектричної оболонки кінцевої висоти) за умов зворотного п'єзоелектричного ефекту, і тим самим отримати повний розв'язок задачі про гармонійні вісесиметричні коливання такого перетворювача.
Приведені результати отримані з використанням розробленої математичної моделі для циліндричних оболонкових перетворювачів із п'єзоелектричної кераміки типу ЦТС. Встановлена частотно-залежна зміна електричного імпедансу і компонентів вектора зміщення матеріальних частинок п'єзоперетворювача, що коливається: так, на частотах електромеханічних резонансів (порядку 33-35 кГц та 82 кГц) спостерігається різке зменшення такого імпедансу (у 2,6-5 разів). Проведені порівняння математично розрахованих та експериментально отриманих значень електричного імпедансу циліндричної п'єзокерамічної оболонки, що коливається, показали високу збіжність між ними (розбіжність між результатами моделювання та експериментально отриманими даними за однакових значень робочої частоти в діапазоні до 100 кГц не перевищувала 17%).
Посилання
References
Sanchez-Rojas J. L. (2020). Piezoelectric Transducers: Materials, Devices and Applications, Micromachines. MDPI, 524 p. DOI: 10.3390/books978-3-03936-857-0.
Zheng T., Ardolino M., Bacchetti A. & Perona M. (2020). The applications of Industry 4.0 technologies in manufacturing context: a systematic literature review. International Journal of Production Research, Vol. 59, Iss. 6, pp. 1922-1954. DOI: 10.1080/00207543.2020.1824085.
Butler J. L., Sherman Ch. H. (2016). Transducers and Arrays for Underwater Sound. Springer, 716 p.
Sharapov V., Sotula Zh., Kunickaya L. (2014). Piezo-Electric Electro-Acoustic Transducers. Springer, 230 p. DOI: 10.1007/978-3-319-01198-1.
Piezoelectric Sensor Market Report with In-Depth Analysis 2021 // Growth, Latest Trends, Size and Stocks, Opportunities, Country Data and Forecast to 2026 with Prominent Key Players, SKU ID: Maia-19372652. 2021. MarketWatch. Date of access: 18.11.2021.
Sharapov V. M., Minaev I. G., Sotula Zh. V., Kunitskaya L. G. (2013). Electroacoustic transducers [Elektroakusticheskie preobrazovateli]. Technosphere, Moskow, 280 p. [In Russian].
Bazilo C. V., Bondarenko M. O., Khlivnyi V. V., Tomenko M. H. and Tomenko V. I. (2021). Mathematical Modelling of Rod-Type Piezo-Electric Transducers for Acoustoelectronic Devices. Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia, Vol. 86, pp. 58-67. DOI: 10.20535/RADAP.2021.86.58-67.
Petrishchev O. N. (2012). Harmonic vibrations of piezoceramic elements. Part 1. Harmonic vibrations of piezoceramic elements in vacuum and the method of resonance – antiresonance [Garmonicheskie kolebaniya piezokeramicheskikh elementov. Chast’ 1. Garmonicheskie kolebaniya piezokeramicheskikh elementov v vakuume i metod rezonansa – antirezonansa]. Kyiv, Avers Publ., 300 p. [In Russian].
Soloviev A. N., Chebanenko V. A., Parinov I. A. (2018). Mathematical Modelling of Piezoelectric Generators on the Base of the Kantorovich Method. In: Altenbach H., Carrera E., Kulikov G. (eds) Analysis and Modelling of Advanced Structures and Smart Systems. Advanced Structured Materials. Springer, Singapore, Vol 81. doi: 10.1007/978-981-10-6895-9_11.
Ivanov I., Kolev S., Nenova B., Kossev V. (2020). Investigation of characteristics of cylindrical piezoceramic transducers used in systems for underwater monitoring and management. Security & Future, Vol. 4, Issue 2, pp. 75-77.
Didkovskyi V. S., Korzhyk O. V., Leiko O. H., Naida S. A., Poroshyn S .M., Petrishchev O. M. (2012). Orientation of interference and focused acoustic antennas [Napravlenist interferentsiinykh ta fokusovanykh akustychnykh anten]. NTUU «KPI», Kyiv, 150 p. [In Ukrainian].
Kudzinovska I. P. (2014). Mathematical modelling of vibrations of round piezoceramic plate taking into account viscoelasticity of material. Bulletin of Zaporizhzhia National University [Visnyk Zaporiz’kogo nacional’nogo universytetu], No 1, pp. 59–66. [In Ukrainian].
Mouhanned Brahim (2017). Modeling and Position Control of Piezoelectric Motors. Automatic. Université Paris Saclay (COmUE), English. NNT : 2017SACLS296.
Halchenko V. Y., Filimonov S. A., Batrachenko A. V. and Filimonova N. V. (2018). Increase the Efficiency of the Linear Piezoelectric Motor. Journal of Nano- and Electronic Physics, Vol. 10, Iss. 4, pp. 04025-1. DOI: 10.21272/jnep.10(4).04025.
Khutornenko S. V., Voeikov A. N., Vasilchuk D. P. (2011). Mathematical model of a piezoelectric resonator in the presence of a gradient field in the plane of the crystal element [Matematicheskaya model’ piezoelektricheskogo rezonatora pri nalichii gradientnogo polya v ploskosti kristallicheskogo elementa]. Scientific works of DonNTU. Series: ''Mining and electromechanical'' [Naukovi praci DonNTU. Seriya: ''Girny’choelektromexanichna''], Vol. 21(189), pp. 168–172. [In Russian].
Bazilo C. V. (2017). Principles of electrical impedance calculating of oscillating piezoceramic disk in the area of medium frequencies. Radio Electronics, Computer Science, Control, No. 4. pp. 15–25. DOI: 10.15588/1607-3274-2017-4-2.
Yuanmao Ye et al. (2012). A Novel Method for Connecting Multiple Piezoelectric Transformer Converters and its Circuit Application. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 27, Iss. 4, pp. 1926-1935. DOI: 10.1109/TPEL.2011.2171007.
Yanchevskiy I. V. (2011). Minimizing deflections of round electroelastic bimorph plate under impulsive loading. Problems of computational mechanics and strength of structures, Vol. 16, pp. 303–313. [In Russian].
Lineykin S., Ben-Yaakov S. (2004). Feedback isolation by piezoelectric transformers: comparison of amplitude to frequency modulation. IEEE 35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, Aachen, Germany, pp. 1834–1840. DOI: 10.1109/PESC.2004.1355395.
Buchacz A., Placzek M., Wrobel A. (2014). Modelling of passive vibration damping using piezoelectric transducers – the mathematical model. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and reliability, Vol. 16, No. 2, pp. 301–306.
Ajitsaria J., et al. (2007). Modeling and analysis of a bimorph piezoelectric cantilever beam for voltage generation. Smart Materials and Structures, Vol. 16, No. 2, pp. 447-454. doi: 10.1088/0964-1726/16/2/024.
Kanan A., Kaliske M. (2021). On the computational modelling of nonlinear electro-elasticity in heterogeneous bodies at finite deformations. Mechanics of Soft Materials, Vol. 3, No. 4. doi: 10.1007/s42558-020-00031-6.
Hyun-Gwon Kil, Chan Lee (2018). Analysis of Characteristics of Elastic Waves Propagating on a Vibrating Cylindrical Shell at Frequencies around a Ring Frequency. Proccedings of Euronoise 2018, pp. 2631-2636.
Petrishchev O. N., Bazilo C. V. (2017). Methodology of Determination of Physical and Mechanical Parameters of Piezoelectric Ceramics. Journal of Nano- and Electronic Physics, Vol. 9, Issue 3, pp. 03022-1–03022-6. DOI: 10.21272/jnep.9(3).03022.
Bazilo C., Zagorskis A., Petrishchev O., Bondarenko Y., Zaika V., Petrushko Y. (2017). Modelling of Piezoelectric Transducers for Environmental Monitoring. Proccedings of 10th International Conference ''Environmental Engineering'', Vilnius Gediminas Technical University, Lithuania. DOI: 10.3846/enviro.2017.008.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2022 Максим Олексійович Бондаренко
Ця робота ліцензується відповідно до 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.
