• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.06a
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• pp.306-306
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• 2008

기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환소자인 압전 세라믹스는 액추에이터, 변압기, 초음파모터, 초음파 소자 및 각종 센서로 응용되고 있으며, 그 응용분야는 크게 증가하고 있다. 최근에는 이러한 압전 소자를 앞으로 도래하는 ubiquitous, 무선 모바일 시대의 휴대용 전자제품, robotics, MEMS 분야 등의 대체 에너지원으로 응용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 인간의 걷기 운동 등과 같은 일상적인 동작으로 필요한 전력을 얻을 수 있고, 세라믹 소자를 이용하기 때문에 전자노이즈가 발생되지 않을 뿐 아니라 반영구적으로 사용할 수 가 있어서, 기존 이차전지를 대체 또는 보완 할 수 있는 방안도 검토되고 있다. PZT계 세라믹스는 높은 유전상수와 우수한 압전특성으로 전자세라믹스 분야에서 가장 널리 사용되어지고 있지만 $1200^{\circ}C$ 이상의 높은 소결온도 때문에 $1000^{\circ}C$ 부근에서 급격히 휘발되는 PbO로 인한 환경오염과 기본조성의 변화로 인한 압전 특성의 저하가 문제시 되고 있다. 또한 적층 세라믹스의 제작 시 구조적 특성상 내부전극이 도포된 상태에서 동시 소결이 필요한데, 융점이 낮은 Ag전극 대신 값비싼 Pd나 Pt가 다량 함유된 Ag/Pd, Ag/Pt 전극이 사용되고 있어 경제성이 떨어지는 단점을 갖게 된다. 순수 Ag 전극을 사용하거나 Ag의 비율이 높은 내부전극을 사용하기 위해서는 $900^{\circ}C$ 이하에서 소결되고 우수한 전기적 특성을 보이는 압전 세라믹스를 개발 하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 압전특성이 우수한 $(Pb_{1-x}Cd_x)(Ni_{1/3}/Nb_{2/3})_{0.25}(Zr_{0.35}/Ti_{0.4})O_3$ 계의 조성을 설계하고, 소걸온도를 낮추기 위해서 2 단계 하소법을 이용하였다. 또한 $MnCO_3$, $SiO_2$, $Pb_3O_4$ 등을 소량 첨가하여 액상 소결 특성을 부여하여 소결 온도를 감소시키려는 시도도 하였다. 분말을 볼 밀링 (ball milling)을 통해 24시간 동안 혼합하고, 혼합된 분말은 $800^{\circ}C$에서 2시간 동안 하소하였다. 하소한 분말을 다시 72시간 동안 볼 밀링 하여 최종 분말을 얻었다. 최종 분말에 PVB를 첨가하여 직경 15mm의 디스크 형태로 성형한 후, 850~$975^{\circ}C$ 범위에서 온도를 변화시키면서 소결을 하였다. 최종 분말 및 소결된 시편을 XRD분석을 통하여 상을 확인하였고, SEM을 이용하여 미세조직을 관찰 하였다. 전기적 특성을 평가하기 위하여 두께를 1mm로 연마한 시편에 Ag 전극을 도포하여 $650^{\circ}C$에서 열처리한 후, 분극처리 하였다. 압전특성은 $d_{33}$-meter로 측정하였고, impedance analyzer를 이용하여 압전 특성 (전기기계결합계수 및 기계적품질계수)을 측정 하였다. 또한 강유전체 특성 평가 장치 (Precision-LC)를 이용하여 분극-전계 특성을 평가하였다. 이상의 연구를 통하여 소결 온도가 $900^{\circ}C$인 경우에서도 양호한 압전 특성을 확보 할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2007.11a
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• pp.295-295
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• 2007

기계적 에너지를 전기적 에너지로 변화하는 에너지 변환소자인 압전 세라믹스는 액츄에이터, 변압기, 초음파모터, 초음파 소자 및 각종 센서로 응용되고 있으며, 그 응용분야는 크게 증가하고 있다. 최근 이러한 에너지 변화 소자는 앞으로 도래하는 ubiquitous, 무선 모바일 시대의 휴대용 전자제품, robotics, 항공우주, 자동차, 의료, 건축, MEMS 분야 등의 대체 에너지원으로 응용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 인간의 동작 등과 같은 일상적인 동작으로 필요한 전력을 얻을 수 있고, 세라믹 소자를 이용하기 때문에 전자노이즈가 발생되지 않을 뿐 아니라 반영구적으로 사용할 수가 있어서, 기존 이차전지, 연료전지를 대체 또는 보완 할 수 있는 방안도 검토되고 있다. PZT계 세라믹스는 높은 유전상수와 압전특성으로 전자세라믹스분야에서 가장 널리 사용되어지고 있지만 $1200^{\circ}C$이상의 높은 소결온도 때문에 $1000^{\circ}C$ 부근에서 급격히 휘발되는 PbO로 인한 환경오염과 기본조성의 변화로 인한 압전 특성의 저하가 문제시되고 있다. 또한, 적층 세라믹스의 제작 시 구조적 특성상 내부 전극이 도포된 상태에서 동시 소결이 필요한데, 융점이 낮은 Ag전극 대신 값비싼 Pd나 Pt가 다량 함유된 Ag/Pd, Ag/Pt 전극이 사용되고 있어 경제적인 문제가 발생하게 된다. 따라서 순수 Ag 전극을 사용하거나, Ag의 비율이 높은 내부 전극을 사용하기 위해서는 $950^{\circ}C$ 이하에서 소결되는 압전 세라믹스를 개발 하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 압전특성이 우수한 $(Pb_{1-x}Cd_x)\;[(Ni_{1/3}/Nb_{2/3})_{0.25}Zr_{0.35}Ti_{0.4}]O_3$계의 조성을 설계하여, 소결온도를 낮추기 위해서 2단계 하소법을 이용하였다. 분말을 ball milling을 통해 24시간 동안 혼합하였다. 혼합된 분말은 $800^{\circ}C$에서 2시간 동안 하소하였다. 하소한 분말을 72시간 동안 ball milling 하여 최종 분말을 얻었다. 최종 분말에 PVB를 첨가하여 ${\Phi}21$ disk 형태로 성형한 후, $800{\sim}950^{\circ}C$ 소결을 하였다. 최종 분말 및 소결된 시편을 XRD분석을 통하여 상을 확인하였고, SEM을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 전기적 특성을 확인하기 위하여 두께 1mm로 연마한 시편에 Ag 전극을 도포하여 열처리한 후, 분극 처리하였다. 압전특성은 $d_{33}$ 미터로 측정하였고, impedance analyzer를 이용하여 주파수 및 impedance 특성을 측정하였다. 그 결과 $900^{\circ}C$에서 우수한 압전 특성 및 전기적 특성을 확보 할 수 있었다.

• Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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• v.40 no.11
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• pp.9-18
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• 2003

Two configurations of Film Bulk Acoustic Wave Resonators with acoustic quater-wave bragg reflector layers are theoretically analyzed using equivalent circuits and the difference of their characteristics are discussed. We compare the characteristics of λ/2 mode to those of ideal FBAR with top and bottom electrode contacting air and the characteristics of λ/4 mode to those of ideal FBAR with top electrode contacting air and bottom electrode clamped. We assume that the piezoelectric film is ZnO, the electrode is A1 and the substrate is Si, ABCD parameters are extracted and input impedance is calculated by converting the equivalent circuit from Mason equivalent circuits to the simplified equivalent circuits that ABCD parameters are extracted possible, From the variation of resonance frequency due to the change of thickness of reflector layers and the variation of electrical Q due to the change of mechanical Q of reflector layers, it is confirmed that the reflector layer just under the bottom electrode have the greatest effect on the varation of resonance frequency and electrical Q. It is shown that the number of reflector layers required for the saturation of electrical Q decreases with the increase of the impedance ratio of reflector layers and electrical Q of λ/2 mode is larger than that of λ/4 mode, Electromechanical coupling factor is independent of the number of layers, The impedance ratio of reflector layers becomes larger as the electromechanical coupling factor becomes larger, The electromechanical coupling factor of the two mode are smaller than those of ideal FBARs because of the trapping of acoustic energy in the reflector layers, The insertion loss of the ladder filter decreases with the increase of the number of reflector layers but the bandwidth is not affected much by the number of reflector layers, As the impedance ratio of reflector layers becomes larger the insertion loss becomes smaller and the bandwidth becomes wider, In our analysis of the two mode, characteristics of λ/2 mode appear to be slightly more favorable than that of λ/4 mode

• Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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• v.14 no.7
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• pp.3191-3196
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• 2013

Ultrasonic transducer is the sensor which is measuring distance. Piezo ceramic of ultrasonic sensor and adhesive technique of matching layer are the most core techniques. With the study of relation on matching layer which takes off the ultrasonic wave into the air, this paper aims to find the second useful frequency as the results which can be changed are extracted in case piezo ceramic and matching layer are bonded. And the experiment is done with piezo ceramic as real piezoelectric element and matching layer of chemical wood. OD of piezo ceramic has designed by ${\Phi}50{\times}3T$ and OD of matching layer is designed by ${\Phi}62{\times}12t$ with ${\lambda}=1/4$. Acoustic impedance is generated at the most optimum resonant frequency of 53 Khz. As experimental result, more available frequency can be generated by using the adhesive close to solid than the flexible one.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2010.06a
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• pp.328-328
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• 2010

압전 세라믹스는 엑츄에이터 및 센서 등의 다양한 응용분야로 인하여 많은 연구가 진행되어왔다. 최근 친환경 무연 압전계인 Bi층상구조 (BNT) 및 알칼리 니오븀산화물계 (KNN)에 대한 연구가 집중되고 있다. 한편, 소형화 및 고성능의 압전소자에 대한 요구 증가로 고가의 내부전극인 Ag, Ag-Pd합금으로 이루어진 적층압전소자에 대한 연구개발이 진행되어 왔다. 본 연구에서는 Ni이나 Cu를 내부전극으로 사용하는 적층압전소자의 개발가능성을 타진하고자 Ni의 산화를 억제할 수 있는 환원분위기 소결시에 압전소재의 상변화 및 내환원성 정도를 조사하였다. 압전소재인 BNT 및 KNN를 공기중에서 합성한 후, 환원분위기의 영향을 조사하고자 샘플을 디스크 형태로 성형하여 $1000{\sim}1200^{\circ}C$에서 2 시간 동안 공기, 중성 (N2) 와 환원 분위기 (3 % H2 - 97 %의 N2) 에서 소결한 후 미세구조와 전기적 특성을 SEM, EDS, XRD, impedance analyzer로 조사였다. 환원분위기에서 소결된 BNT 샘플은 페롭스카이트 상이 관찰되지 않았으며, SEM/EDS 분석결과 시편의 표면에 Bi의 석출이 관찰되었다. KNN의 경우에는 공기중에서 소결 시편뿐만 아니라 환원분위기에서 소결된 시편에서도 페롭스카이트 구조를 보였으며, EDS분석결과 K 및 Na의 휘발이 비교적 적었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2007.11a
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• pp.260-260
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• 2007

강유전성 세라믹스 재료로써는 PZT계열의 세라믹재료가 널리 쓰이고 있다. 이는 우수한 유전 및 압전특성을 가지고 있으나, PbO을 다량 함유하고 있어 $1000^{\circ}C$이상에서 PbO가 급격하게 휘발되는 성질에 따라서 조성의 변동이 생겨 재현성이 어려우며 이를 방지하기 위하여 과잉 PbO를 첨가시키기 때문에 PbO휘발로 인한 강한 독성이 인체에 유해하다. 최근에는 Pb의 환경문제가 대두됨에 따라 이를 대체할 다른 물질의 개발이 활발하게 연구되고 있다. 대표적인 비납계 강유전 세라믹스인 $(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3$ ($d_{33}$ = 120 pC/N, Kp = 39%, Qm = 210, 이하 NKN라 표기) 조성은 $KNbO_3,\;NaNbO_3$ 상태도에 따라 순수한 NKN 세라믹스는 $1140^{\circ}C$에서 안정상을 가지나, 높은 온도로 인하여$Na_2O$와 $K_2O$가 쉽게 휘발됨에 따라 화학량 비의 변화가 생겨 이차 상을 형성하기도 한다. 따라서 본 연구에서는 $LiNbO_3$의 새로운 고용체를 추가시켜 기본 NKN조성에 압전성 및 고온에서의 상안정성을 향상시키고자 하였다. 최적 조성을 설계하기 위하여 (1-x)$(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3-xLiNbO_3$, x=(0,0.02,0.04,0.06,0.08)의 범위에서 조성을 변화시키면서 실험하였다. 시편 제작은 일반적인 세라믹스 소결 공정을 적용하였는데, $850^{\circ}C$에서 5시간 하소 후 $1080^{\circ}C$에서 2시간 소결하였다. 하소 및 소결 후에는 XRD분석을 통해 perovskite구조를 확인하였고, 미세구조 확인을 위해 주사전자현미경 (SEM)으로 관찰하였다. 압전특성을 평가하기 위해 압전 $d_{33}$-meter를 사용하였으며, impedance analyzer (HP 4194A)를 이용하여 전기적 특성을 측정하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.11a
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• pp.190-190
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• 2008

자연적으로 발생되는 파도, 비, 우박 등과 철도, 차량 및 엘리베이터 등과 같은 인위적인 설치, 이동에 의해 발생되는 진동에너지는 우리 일상생활에서 가장 흔하게 발생할 수 있는 에너지원인데, 이러한 진동에너지는 압전 소재를 이용하여 재생 가능하여 최근에는 이에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 예를 들면, 미국의 MIT에서는 인간이 걸을 때 신발에 가해지는 압력을 이용하여 전력을 발생시키는 연구를 진행하여 2.9 mW의 전력을 얻었다. 특히 이러한 기술은 인간의 걷기 운동 등과 같은 일상적인 동작으로 필요한 전력을 얻을 수 있고, 세라믹 소자를 이용하기 때문에 전자노이즈가 발생되지 않을 뿐 아니라 반영구적으로 사용할 수가 있어서, 소형 전자기기 등에 서 기존 이차전지를 대체 또는 보완 할 수 있는 기술로 검토되고 있다. PZT계 세라믹스는 높은 유전상수와 우수한 압전특성으로 이러한 압전발전 분야에서 가장 널리 사용되어지고 있다. 하지만 에너지 효율을 높이기 위하여 적층 구조의 제작 시 구조적 특성상 내부전극이 도포된 상태에서 동시 소결이 필요한데, $1000^{\circ}C$ 이상의 높은 소결온도 때문에 소재 원가가 낮은 Ag전극 대신 값비싼 Pd나 pt가 다량 함유된 Ag/Pd, Ag/Pt 전극이 사용되고 있어 경제성이 떨어지는 단점을 갖게 된다. 순수 Ag 전극을 사용하거나 Ag의 비율이 높은 내부전극을 사용하기 위해서는 $900^{\circ}C$ 이하에서 소결되고 우수한 전기적 특성을 보이는 압전 세라믹스 소재를 개발 하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 압전특성이 우수한 $(Pb_{1-x}Cd_x)(Ni_{1/3}Nb_{2/3})_{0.25}(Zr_{0.35}/Ti_{0.4})O_3$ 계의 조성을 설계하고, 소결온도를 낮추기 위해서 2 단계 하소법을 이용하였다. 또한 $MnCO_3$, $SiO_2$, $Pb_3O_4$ 등을 소랑 첨가하여 액상 소걸 특성을 부여하여 소결 온도를 감소시키려는 시도도 하였다. 소결체의 전체적인 제조 공정은 일반적인 벌크 세라믹의 소걸 공정을 따랐다. 최종 소결된 시편을 XRD분석을 통하여 상을 확인하였고 SEM을 이용하여 미세조직을 관찰 하였다. 전기적 특성을 평가하기 위하여 두께를 1mm로 연마한 시편에 Ag 전극을 도포하여 $650^{\circ}C$ 에서 열처리한 후, 분극처리 하였다. Impedance analyzer를 이용하여 압전 특성 (전기기계결합계수 및 기계적품질계수)을 측정 하였고, 압전전하상수는 $d_{33}$-meter로 측정하였다. 본 연구에서는 압전체에 가해지는 하중의 크기, 시편의 크기, 하중을 가하는 방법, 에너지 저장회로의 최적화 등을 다양하게 시도하면서 에너지 변환 및 저장 효율을 평가하였다.

• Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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• v.39 no.4
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• pp.41-54
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• 2002

In this study, we have analyzed the effects of the membrane layer and the bragg reflector layers on the resonance characteristics through comparing the characteristics of the membrane type FBAR (Film Bulk Acoustic Wave Resonator) and the one type bragg reflector layers with those of the ideal FBAR with top and bottom electrode contacting air by using equivalent circuit technique. It is assumed that ZnO is used for piezoelectric film, $SiO_2$ are used for membrane layer and low acoustic impedance layer, W are used for the high acoustic reflector layer and Al is used for the electrode. Each layer is considered to have a acoustic propagation loss. ABCD parameters are picked out and input impedance is calculated by converting 1-port equivalent circuit to simplified equivalent circuit that ABCD parameters are picked out possible. From the variation of resonance frequency due to the change of thickness of electrode layers, reflector layers and membrane layer it is confirmed that membrane layer and the reflector layer just under the electrode have the greatest effect on the variation of resonance frequency. From the variation of resonance properties, K and electrical Q with the number of layers, K is not much affected by the number of layers but electrical Q increases with the number of layers when the number of layers is less than seven. The electrical Q is saturated when the number of layers is large than six. The electrical Q is dependent of mechanical Q of reflector layers and membrane layer. Both ladder filter and SCF (Stacked Crystal Filters) show higher insertion loss and out-of-band rejection with the increase of the number of resonators. The insertion loss decreases with the increase of the number of reflector layers but the bandwidth is not much affected by the number of reflector layers. Ladder Filter and SCF with membrane layer show the spurious response due to spurious resonance properties. Ladder filter shows better skirt-selectivity characteristics in bandwidth but SCF shows better characteristics in insertion loss.

• Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology
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• v.37 no.3
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• pp.196-213
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• 2001

A split beam ultrasonic transducer operating at a frequency of 70 kHz to use in the fish sizing echo sounder was developed and the acoustic radiation characteristics were experimentally analyzed. The amplitude shading method utilizing the properties of the Chebyshev polynomials was used to obtain side lobe levels below -20 dB and to optimize the relationship between main beam width and side lobe level of the transducer, and the amplitude shading coefficient to each of the elements was achieved by changing the amplitude contribution of elements with 4 weighting transformers embodied in the planar array transducer assembly. The planar array split beam transducer assembly was composed of 36 piezoelectric ceramics (NEPEC N-21, Tokin) of rod type of 10 mm in diameter and 18.7 mm in length of 70 kHz arranged in the rectangular configuration, and the 4 electrical inputs were supplied to the beamformer. A series of impedance measurements were conducted to check the uniformity of the individual quadrants, and also in the configurations of reception and transmission, resonant frequency, and the transmitting and receiving characteristics were measured in the water tank and analyzed, respectively. The results obtained are summarized as follows : 1. Average resonant and antiresonant frequencies of electrical impedance for four quadrants of the split beam transducer in water were 69.8 kHz and 83.0 kHz, respectively. Average electrical impedance for each individual transducer quadrant was 49.2$\Omega$ at resonant frequency and 704.7$\Omega$ at antiresonant frequency. 2. The resonance peak in the transmitting voltage response (TVR) for four quadrants of the split beam transducer was observed all at 70.0 kHz and the value of TVR was all about 165.5 dB re 1 $\mu$Pa/V at 1 m at 70.0 kHz with bandwidth of 10.0 kHz between -3 dB down points. The resonance peak in the receiving sensitivity (SRT) for four combined quadrants (quad LU+LL, quad RU+RL, quad LU+RU, quad LL+RL) of the split beam transducer was observed all at 75.0 kHz and the value of SRT was all about -177.7 dB re 1 V/$\mu$Pa at 75.0 kHz with bandwidth of 10.0 kHz between -3 dB down points. The sum beam transmitting voltage response and receiving senstivity was 175.0 dB re 1$\mu$Pa/V at 1 m at 75.0 kHz with bandwidth of 10.0 kHz, respectively. 3. The sum beam of split beam transducer was approximately circular with a half beam angle of $9.0^\circ$ at -3 dB points all in both axis of the horizontal plane and the vertical plane. The first measured side lobe levels for the sum beam of split beam transducer were -19.7 dB at $22^\circ$ and -19.4 dB at $-26^\circ$ in the horizontal plane, respectively and -20.1 dB at $22^\circ$ and -22.0 dB at $-26^\circ$ in the vertical plane, respectively. 4. The developed split beam transducer was tested to estimate the angular position of the target in the beam through split beam phase measurements, and the beam pattern loss for target strength corrections was measured and analyzed.

• Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology
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• v.34 no.1
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• pp.74-84
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• 1998

A doubly resonant ultrasonic transducer has been designed as an attempt to increase the bandwidth of underwater transducers. The dual resonance conditions were accomplished by attaching a single acoustic matching layer on the front face of a Tonpilz transducer consisted of an aluminum head, a piezoelectric ring, a brass tail and a prestress bolt. A modified Mason's model was used for the performance analysis and the design of transducers, and the constructed transducers were tested experimentally and numerically by changing the impedances and thicknesses of the head, tail and matching layers in the water tank. Two distinct resonance peaks in the transmitting voltage response(TVR) of a developed transducer were observed at 34.3 and 40.4 kHz, respectively, with the difference frequency of 6.1kHz and the center frequency of 37.2kHz. The values of TVR at these frequencies were 136.5 dB re $1\;\muPa/V$ at 34.3 kHz and 136.8 dB re $1\;\muPa/V$ at 40.4 kHz, respectively. Reasonable agreement between the experimental results and the numerical results was achieved. From this result, it is expected that the generation of the distinct resonances at any two desired frequencies can be achieved through the proper choice of the matching layer to provide the impedance transformation between the transducer and the medium.