Математичне моделювання електричного імпедансу п'єзокерамічного диска, що коливається в широкому діапазоні частот (Частина 1. Низькі частоти)
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2023.94.41-48Ключові слова:
п'єзоелектричний перетворювач, акустоелектроніка, математичне моделювання, імпеданс, дисковий елементАнотація
В статті наводяться результати математичного моделювання та аналізу електричного імпедансу п'єзокерамічного диска, що здійснює коливання на низьких частотах, тобто коли довжина пружної хвилі суттєво (на порядок і більше) перевищує радіальний розмір диска. Так, запропонована математична модель дискових керамічних елементів п'єзоелектричних перетворювачів, які є важливим компонентом сучасних комунікаційних пристроїв, датчиків навколишнього середовища, прецизійного обладнання, медичних апаратів та іншого. Ключовою характеристикою математичної моделі, описаної у статті, є здатність визначати аналітичні залежності, які дозволяють оцінити такі основні електричні властивості п'єзокерамічного дискового елементу, як електричний імпеданс та квазістатичну електричну ємність, чим значно спростити розрахунок такого елементу ще на етапі його проєктування.
Досліджено статичну діелектричну проникність п'єзокерамічного диска, що коливається на низьких частотах. Вираховане значення такого параметра за значень фізичних констант, що характерні для п'єзокерамік сорту ЦТС (титанат цирконат свинцю) в 1,844 раза вище порівняно з показником високочастотної (динамічної) діелектричної проникності.
Виявлено, що у діапазоні низьких частот, коли механічні напруження в п'єзокерамічному диску, що коливається, наближаються до нульового рівня та прямий п'єзоелектричний ефект майже не відбувається, електричний імпеданс такого диска можна описати як реактивний опір конденсатора з електричною ємністю, еквівалентною квазістаціонарній ємності цього диска. Це підтверджується високим ступенем збігу теоретичних даних та результатів експериментів, де розбіжності не перевищують 6%.
Отримані в статті результати можуть бути корисними для наукових досліджень у галузях точного приладобудування та радіоапаратуробудування, а також для практичного застосування у розробці та виробництві високотехнологічного обладнання.
Посилання
References
Piezoelectric Ceramics Market Size, Changing Dynamics and Future Growth Trend 2022-2029. Market Intelligence, date of access: 17 November, 2023.
Piezoelectric Devices: From Bulk to Thin-Film 2019. Yolegroup, date of access: 17 November, 2023.
Francisco A., Marcos G., Leonardo B.-R., Muhlen S. (2014). Electric Impedance of Piezoelectric Ceramics under Acoustic Loads. Transactions on Electrical Engineering, Vol. 12, Iss. 2, pp. 48-54. DOI: 10.37936/ecti-eec.2014122.170819.
Ogbonna V. E., Popoola A. P. I., Popoola O. M. (2022). Piezoelectric ceramic materials on transducer technology for energy harvesting: A review. Front. Energy Res., Vol. 10, doi: 10.3389/fenrg.2022.1051081.
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.
Ishchuk V., Kuzenko D., Sobolev V. (2018). Piezoelectric and functional properties of materials with coexisting ferroelectric and antiferroelectric phases. AIMS Materials Science, Vol. 5, Iss. 4. pp. 711-741. DOI: 10.3934/matersci.2018.4.711.
Kirilyuk V. S., Levchuk O. I. (2018). Mathematical modeling of the electrostressed state in the orthotropic piezoelectric space with an arbitrary orientated circle crack under uniaxial tension. System research and information technologies, No. 3. DOI: 10.20535/SRIT.2308-8893.2018.3.06.
Cao P., Zhang S., Wang Z., Zhou K. (2023). Damage identification using piezoelectric electromechanical impedance: a brief review from a numerical framework perspective. Structures, Vol. 50, pp. 1906-1921. doi: 10.1016/j.istruc.2023.03.017.
Gogoi N., Chen J., Kirchner J., Fischer G. (2022). Dependence of Piezoelectric Discs Electrical Impedance on Mechanical Loading Condition. Sensors, Vol. 22, Iss. 5, 1710. DOI: 10.3390/s22051710.
Zhou K., Zhang Y., Tang J. (2022). Order-Reduced Modeling-Based Multi-Level Damage Identification Using Piezoelectric Impedance Measurement. IFAC-PapersOnLine, Vol. 55, Iss. 27, pp. 341-346. doi: 10.1016/j.ifacol.2022.10.536.
Han H., Cheng C., Xiong X-G., Su J., Dai J-X., Wang H., Yin G., Huai P. (2015). Piezoelectric, Mechanical and Acoustic Properties of KNaNbOF5 from First-Principles Calculations. Materials, Vol. 8, Iss. 12, pp. 8578-8589. DOI: 10.3390/ma8125477.
Nguyen T. T., Hoang N. D., Nguyen T. H., Huynh T. C. (2022). Analytical impedance model for piezoelectric-based smart Strand and its feasibility for prestress force prediction. Structural Control and Health Monitoring, Vol. 29, Iss. 11, e3061. doi: 10.1002/stc.3061.
Kenji Uchino (2017). The Development of Piezoelectric Materials and the New Perspective. Chapter 1 In Advanced Piezoelectric Materials, pp. 1-92. DOI: 10.1016/B978-0-08-102135-4.00001-1.
Brissaud M. (2022). Modeling and characterization of thick piezoelectric disk including radial, longitudinal and shear modes. Ferroelectrics, Vol. 600, Iss. 1, pp. 46-58. DOI: 10.1080/00150193.2022.2115796.
Antonyuk V. S., Bondarenko M. A., 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.
Rathod V. T. (2019). A Review of Electric Impedance Matching Techniques for Piezoelectric Sensors, Actuators and Transducers. Electronics, Vol. 8, Iss. 2, 169. DOI: 10.3390/electronics8020169.
Bazilo C. V. (2017). Principles of electrical impedance calculating of oscillating piezoceramic disk in the area of medium frequencies. Radio Electronics, Computer Science, Control, Vol. 4, pp. 15–25. DOI: 10.15588/1607-3274-2017-4-2.
Kathavate V. S., Prasad K. E., Kiran M. S. R. N., Zhu Y. (2022). Mechanical characterization of piezoelectric materials: A perspective on deformation behavior across different microstructural length scales. J. Appl. Phys., Vol. 132, Iss. 12, 121103. DOI: 10.1063/5.0099161.
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.
Bazilo, C. V. (2018). Principles and methods of the calculation of transfer characteristics of disk piezoelectric transformers. Radio Electronics, Computer Science, Control, Vol. 4, pp. 7-22. DOI: 10.15588/1607-3274-2018-4-1.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Костянтин Базіло, Руслана Трембовецька, Людмила Усик, Еміль Фауре, Андрій Чорній
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.
