Математичне моделювання електричного імпедансу п'єзокерамічного диска, що коливається в широкому діапазоні частот (Частина 2. Середні частоти)
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2024.97.38-45Ключові слова:
п'єзоелектричний перетворювач, акустоелектроніка, математичне моделювання, імпеданс, дисковий елементАнотація
У даній статті представлено подальше дослідження з математичного моделювання електричного імпедансу п'єзокерамічного диска в широкому спектрі частот, з особливою увагою до середньочастотного діапазону, тобто коли довжина пружної хвилі стає співмірною з радіусом п'єзокерамічного диска, який є важливим для численних сучасних застосувань. Розроблена математична модель для п'єзоелектричних перетворювачів дискової форми з п’єзокераміки, що дозволяє оцінити їх електричний імпеданс та квазістатичну електричну ємність в середньочастотній області, залежно від геометричних та фізико-механічних характеристик таких перетворювачів. Встановлено, що п'єзокерамічний диск у середньочастотній області досягає стану електромеханічного антирезонансу на частоті, на якій його електричний імпеданс прямує до нескінченості. Це відбувається через повну компенсацію поляризаційних зарядів електричним зарядом, що призводить до зникнення електричного струму та відсутності споживання енергії від генератора. Розрахунки показали, що на частотах поблизу першого товщинного резонансу (відповідає безрозмірному хвильовому числу від 40 до 60), радіальні зміщення матеріальних частинок диска зникають. Відзначено дуже швидке зменшення рівнів радіальних зсувів зі збільшенням номера електромеханічного резонансу. При цьому, оцінка механічної добротності п'єзокерамічних дискових елементів, отримана за допомогою математичної моделі, тісно корелює з реальними значеннями, що підтверджено високою збіжністю між теоретичними та експериментальними результатами.
Посилання
References
Erhart J., Půlpán P., Pustka M. (2017). Piezoelectric Ceramic Resonators. Springer, Cham, Switzerland. DOI: 10.1007/978-3-319-42481-1.
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.
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.
Behera A. (2022). Piezoelectric Materials. In: Advanced Materials. Springer, Cham, Switzerland, pp. 43–76. DOI: 10.1007/978-3-030-80359-9_2.
Yazdian A., Karafi M. R. (2023). An analytical model to study the frequency response of ultrasonic welding transducers. SN Appl. Sci., Vol. 5, no. 157. DOI:10.1007/s42452-023-05368-x.
Kouh T., Hanay M. S., Ekinci K. L. (2017). Nanomechanical Motion Transducers for Miniaturized Mechanical Systems. Micromachines. Vol. 8, no.4. DOI: 10.3390/mi8040108.
Bishop R. H. (2002). The Mechatronics Handbook. CRC Press, Washington, D. C.
Katsouras I., Asadi K., Li M., van Driel T. B., Kjær K. S., et al. (2016). The negative piezoelectric effect of the ferroelectric polymer poly (vinylidene fluoride). Nat Mater., Vol. 15(1), pp. 78-84. DOI: 10.1038/nmat4423.
Holterman J., Groen W.A. (2012). An introduction to piezoelectric materials and components. Stichting Apllied Piezo, Apeldoorn.
Narita F., Wang Zh. (2024). Piezoelectric Materials, Composites, and Devices: Fundamentals, Mechanics, and Applications. Academic Press, UK.
Poplavko Y. M., Yakimenko Y. I. (2013). Piezoelectrics. National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, Ukraine.
Oleynyk G. S. (2018). Structure formation of ceramic materials. Naukova dumka, Kyiv, Ukraine.
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. DOI: 10.3103/ S1063457612040065.
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.
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, no. 12. DOI: 10.1063/5.0099161.
Bardzokas D. I., Filshtinsky M. L., Filshtinsky L. A. (2007). Mathematical Methods in Electro-Magneto-Elasticity. In: Lecture Notes in Applied and Computational Mechanics. Vol. 32, 2007th Ed. Springer, USA.
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.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Костянтин Базіло, Еміль Фауре, Людмила Усик, Вячеслав Туз, 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.
