Математичне моделювання дискових п'єзоелектричних перетворювачів для акустоелектронних пристроїв
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2023.91.37-45Ключові слова:
п‘єзоелектричний перетворювач, акустоелектроніка, математична модель, імпеданс, дисковий елементАнотація
В матеріалах статті представлено алгоритм побудови та дослідження математичних моделей дискових п'єзоелектричних перетворювачів, що знаходять широке застосування в гідроакустиці, мікроелектроніці, мікросхемотехніці (наприклад, як компоненти приймальних антен приладів гідроакустичного зв’язку). Переваги розроблених в статті моделей полягають у можливості встановлення за їх допомогою залежностей, які є математичним описом електроакустичного зв’язку між хвильовими полями на різних ділянках п'єзоелектричного перетворювача дискової форми.
Отримані шляхом математичного моделювання аналітичні залежності дозволяють розрахувати значення електричного імпедансу та добротності разом з амплітудними значеннями електричного заряду та струму на електродованих поверхнях п'єзоелектричного диску за умов зворотного п'єзоелектричного ефекту. Проведений повний розрахунок задачі щодо гармонійних радіальних коливань дискових п'єзоелектричних перетворювачів дозволив суттєво розширити перелік фізико-механічних параметрів п'єзоматеріалу, які раніше визначалися експериментально.
Показана залежність зміни електричного імпедансу від значень коефіцієнту електромеханічного зв'язку, хвильового числа пружних коливань та індексів Фойгта. Також встановлена висока збіжність між модулями електричного імпедансу дисків з п'єзоелектричної кераміки сорту ЦТС (цирконат-титанат свинцю), як з урахуванням, так і без урахування п'єзоелектричного ефекту (розбіжність між значеннями імпедансу в цих випадках не перевищувала 18%).
Посилання
References
Jim Tran. These Piezo Technologies are Transforming 2022. ElectronicDesign, date of access: 08.04.2022.
Aldahiry D. A., Bajaba D. A., Basalamah N. M., Ahmed M. M. (2022). Piezoelectric Transducer as an Energy Harvester: A Review. YJES, Vol. 19, Iss. 1, pp. 30–35. DOI:10.53370/001c.33771.
Compamed and Electronica 2022: PI Ceramic Presents Piezo Elements for Medical Technology and the Electronics Industry. PI Ceramic – Piezo Technology, Actuators & Components, date of access: 24.10.2022.
Piezoelectric Ceramics Manufacturing Technology. Ferroperm Piezoceramics, date of access: 18.10.2022.
Lupeiko T. G., Lopatin S. S. (2004). Old and New Problems in Piezoelectric Materials Research and Materials with High Hydrostatic Sensitivity. Inorganic Materials, Vol. 40, Iss. 1, pp. 19–32. DOI:10.1023/B:INMA.0000036326.98414.3c.
Sharapov V., Sotula Z., Kunickaya L. (2014). Piezo-Electric Electro-Acoustic Transducers. Springer Cham, 230 p. DOI:10.1007/978-3-319-01198-1.
Huang Y. H., Yen C. Y. (2017). Holographic determination of solid-liquid coupled vibration on development of circular piezoelectric hydrodevices. 15th Asia Pacific Conference for Non-Destructive Testing (APCNDT2017), Singapore, ID138.
Mieczkowski G., Borawski A., Szpica D. (2020). Static Electromechanical Characteristic of a Three-Layer Circular Piezoelectric Transducer. Sensors, Vol. 20, Iss. 1, 222. DOI:10.3390/s20010222.
Abidin N. A. K. Z., Nayan N. M., Azizan M. M., et al. (2020). The simulation analysis of piezoelectric transducer with multi-array configuration. Journal of Physics: Conference Series, Vol. 1432, 012042. DOI:10.1088/1742-6596/1432/1/012042.
Bazilo C., Zagorskis A., Petrishchev O., Bondarenko Y., Zaika V., Petrushko Y. (2017). Modelling of Piezoelectric Transducers for Environmental Monitoring. 10th International Conference “Environmental Engineering”, Vilnius Gediminas Technical University, Lithuania. DOI:10.3846/enviro.2017.008.
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.
Yanchevskiy I. V. (2011). Minimizing deflections of round electroelastic bimorph plate under impulsive loading. Problems of computational mechanics and strength of structures, Iss. 16. pp. 303–313.
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, Iss. 2, pp. 301–306.
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. Springer, Cham, Vol. 1126, pp. 151–160. DOI:10.1007/978-3-030-39162-1_14.
Wang, Q., Zhao, L., Yang, T., et al. (2021). A Mathematical Model of a Piezoelectric Micro- Machined Hydrophone With Simulation and Experimental Validation. IEEE Sensors Journal, Vol. 21, Iss. 12, pp. 13364-13372. DOI:10.1109/JSEN.2021.3070396.
Imperiale S., Joly P. (2012). Mathematical and numerical modelling of piezoelectric sensors. ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical Analysis, Vol. 46, Iss. 4, pp. 875–909. DOI:10.1051/m2an/2011070.
Jawaid H., Qureshi W. A., Pasha R. A., Malik R. A. (2019). Characterization and Mathematical Modelling of Geometric Effects on Piezoelectric Actuators. Integrated Ferroelectrics, Vol. 201, Iss. 1, pp. 201–217, DOI:10.1080/10584587.2019.1668704.
Sofonea M. and Matea A. (2012). Mathematical Models in Contact Mechanics. Cambridge University Press, 280 p.
Antonyuk V. S., Bondarenko M. O., Bondarenko Y. Y. (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, pp. 248–255. DOI:10.3103/S1063457612040065.
Sanchez-Rojas J. L. (Ed.). (2020). Piezoelectric Transducers: Materials, Devices and Applications. MDPI, University of Castilla-La Mancha, 524 p. doi:10.3390/books978-3-03936-857-0.
Paltanea V., Paltanea G., Popovici D. (2014). Analysis of the Stress-Strain State in Single Overlap Joints Using Piezo-Ceramic Actuators. 7th International Conference on Times of Polymers and Composites (TOP), Vol. 1599, pp. 370-373. DOI: 10.1063/1.4876855.
Lin Shuyu, Jie Xu. (2017). Effect of the Matching Circuit on the Electromechanical Characteristics of Sandwiched Piezoelectric Transducers. Sensors, Vol. 17, Iss. 2, pp. 329–343. DOI:10.3390/s17020329.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Костянтин Базіло, Юрій Коваленко; Людмила Усик; Еміль Фауре, 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.
