Mathematical Modelling of Cylindrical Piezoelectric Transducers for Electroacoustic Devices

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.authorBazilo, C. V.
dc.contributor.authorBondarenko, M. O.
dc.contributor.authorUsyk, L. M.
dc.contributor.authorAndriienko, O. I.
dc.contributor.authorAntonyuk, V. S.
dc.date.accessioned2023-05-26T08:10:35Z
dc.date.available2023-05-26T08:10:35Z
dc.date.issued2022
dc.description.abstractThis paper will review the procedure and the results of the research conducted on developing mathematical models of cylindrical piezoelectric transducers that are extensively applied in electrical acoustics and hydro acoustics (for example, in devices designed for radiating and receiving acoustic oscillations in air or water medium). The distinctive feature of the developed models lies in the fact that the dependences established are a mathematical description of the electroacoustic connection between the wave fields located in different parts of a hollow piezoceramic cylindrical transducer. The analytical dependences obtained in the result of a simulation allow us to establish the electrical impedance and amplitude values of the electric current and electric charge on the electroded surface of a piezoelectric transducer (cylindrical piezoelectric shell of finite height) under the inverse piezoelectric effect, thus obtaining a complete solution for the problem of harmonic axisymmetric oscillations of a transducer of this type. In order to assess the results, the developed mathematical model was used in cylindrical shell transducers made of PZT-type (plumbum zirconate titanate) piezoelectric ceramics. Strong evidence of a frequency-dependent change of electric impedance and components of the displacement vector for material particles in the oscillating piezoelectric transducer was found with frequencies of electromechanical resonances within the range of 33-35 kHz and 82 kHz, when a sharp impedance decrease was observed (2.6-5 times). A comparative analysis of mathematically calculated and experimentally obtained values of the electrical impedance of the oscillating cylindrical piezoceramic shell revealed high convergence between them (the discrepancy between the simulation results and experimentally obtained data at the same values of operating frequency within the range up to 100 kHz did not exceed 17%).uk
dc.description.abstractotherВ статтi наводяться послiдовнiсть та результати розроблення i дослiдження математичних моделей цилiндричних п’єзоелектричних перетворювачiв, якi активно використовуються в електро- та гiдроакустицi (наприклад, у пристроях для випромiнювання та прийому акустичних коливань у повiтряному чи водному середовищi). Вiдмiнними особливостями розроблюваних моделей є те, що встановленi за їх допомогою залежностi, представляють собою математичний опис електроакустичного зв’язку мiж хвильовими полями на рiзних дiлянках порожнистого п’єзокерамiчного перетворювача цилiндричної форми. Отриманi внаслiдок проведеного моделювання аналiтичнi залежностi дозволяють встановити електричний iмпеданс та амплiтуднi значення струму i електричного заряду на електродованiй поверхнi п’єзоелектричного перетворювача (цилiндричної п’єзоелектричної оболонки кiнцевої висоти) за умов зворотного п’єзоелектричного ефекту, i тим самим отримати повний розв’язок задачi про гармонiйнi вiсесиметричнi коливання такого перетворювача. Приведенi результати отриманi з використанням розробленої математичної моделi для цилiндричних оболонкових перетворювачiв iз п’єзоелектричної керамiки типу ЦТС. Встановлена частотно-залежна змiна електричного iмпедансу i компонентiв вектора змiщення матерiальних частинок п’єзоперетворювача, що коливається: так, на частотах електромеханiчних резонансiв (порядку 33-35 кГц та 82 кГц) спостерiгається рiзке зменшення такого iмпедансу (у 2,6-5 разiв). Проведенi порiвняння математично розрахованих та експериментально отриманих значень електричного iмпедансу цилiндричної п’єзокерамiчної оболонки, що коливається, показали високу збiжнiсть мiж ними (розбiжнiсть мiж результатами моделювання та експериментально отриманими даними за однакових значень робочої частоти в дiапазонi до 100 кГц не перевищувала 17%).uk
dc.description.abstractotherВ статье приводятся последовательность и результаты разработки и исследования математических моделей цилиндрических пьезоэлектрических преобразователей, активно используемых в электро- и гидроакустике (например, в устройствах для излучения и приема акустических колебаний в воздушной или водной среде). Отличительными особенностями разрабатываемых моделей является то, что установленные с их помощью зависимости представляют собой математическое описание электроакустической связи между волновыми полями на разных участках полого пьезокерамического преобразователя цилиндрической формы. Полученные в результате проведенного моделирования аналитические зависимости позволяют установить электрический импеданс и амплитудные значения тока и электрического заряда на электродированной поверхности пьезоэлектрического преобразователя (цилиндрической пьезоэлектрической оболочки конечной высоты) в условиях обратного пьезоэлектрического эффекта, и тем самым обеспечить полное решение задачи о гармонических осесимметричных колебаниях такого преобразователя. Приведенные результаты получены с использованием разработанной математической модели для цилиндрических оболочечных преобразователей из пьезоэлектрической керамики типа ЦТС. Установлено частотнозависимое изменение электрического импеданса и компонентов вектора смещения материальных частиц колеблющегося пьезопреобразователя: так, на частотах электромеханических резонансов (порядка 33-35 кГц и 82 кГц) наблюдается резкое уменьшение такого импеданса (в 2,6-5 раз). Проведенные сравнения математически рассчитанных и экспериментально полученных значений электрического импеданса колеблющейся цилиндрической пьезокерамической оболочки показали высокую сходимость между ними (расхождение между результатами моделирования и экспериментально полученными данными при одинаковых значениях рабочей частоты в диапазоне до 100 кГц не превышало 17%).uk
dc.format.pagerangePp. 24-34uk
dc.identifier.citationMathematical Modelling of Cylindrical Piezoelectric Transducers for Electroacoustic Devices / Bazilo C. V., Bondarenko M. O., Usyk L. M., Andriienko O. I., Antonyuk V. S. // Вісник НТУУ «КПІ». Радіотехніка, радіоапаратобудування : збірник наукових праць. – 2022. – Вип. 88. – С. 24-34. – Бібліогр.: 25 назв.uk
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.20535/RADAP.2022.88.24-34
dc.identifier.orcid0000-0002-1571-401Xuk
dc.identifier.orcid0000-0002-5927-0326uk
dc.identifier.orcid0000-0002-3306-2641uk
dc.identifier.orcid0000-0003-1544-6040uk
dc.identifier.orcid0000-0003-0690-2411uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/56179
dc.language.isoenuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.relation.ispartofВісник НТУУ «КПІ». Радіотехніка, радіоапаратобудування : збірник наукових праць, Вип. 88uk
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
dc.subjectpiezoelectric transduceruk
dc.subjectacoustoelectronicsuk
dc.subjectmathematical modeuk
dc.subjectimpedanceuk
dc.subjectcylindrical shelluk
dc.subjectп’єзоелектричний перетворювачuk
dc.subjectакустоелектронiкаuk
dc.subjectматематична модельuk
dc.subjectiмпедансuk
dc.subjectцилiндрична оболонкаuk
dc.subjectпьезоэлектрический преобразовательuk
dc.subjectакустоэлектроникаuk
dc.subjectматематическая модельuk
dc.subjectимпедансuk
dc.subjectцилиндрическая оболочкаuk
dc.subject.udc534.232.082.73uk
dc.titleMathematical Modelling of Cylindrical Piezoelectric Transducers for Electroacoustic Devicesuk
dc.title.alternativeМатематичне моделювання цилiндричних п’єзоелектричних перетворювачiв для електроакустичних пристроївuk
dc.title.alternativeМатематическое моделирование цилиндрических пьезоэлектрических преобразователей для электроакустических устройствuk
dc.typeArticleuk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
1767-5143-2-10-20220701.pdf
Розмір:
724.02 KB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.1 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Вісник НТУУ «КПІ». Радіотехніка, радіоапаратобудування : збірник наукових праць, Вип. 88