In this paper the authors address the problem of comparing two different smart damping techniques using the numerical modelling of the electro-mechanical impedance for plate structures partially treated with active constrained layer damping treatments. The paper summarizes the modelling procedures including a finite element formulation capable of accounting for the observed behaviour. The example used is a smart cantilever plate structure containing a viscoelastic material (VEM) layer sandwiched between a piezoelectric constrained layer and the host vibrating plate. Comparisons are made between active constrained layer and active damping only and based on the resonance frequency amplitudes of the electrical admittance numerically evaluated at the surface of the piezoelectric model of the vibrating structure.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.9
no.2
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pp.81-91
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1992
A control methodology for suppressing the elastodynamic responses of high-speed flexible linkage mechanisms is presented by adopting the concept of smart structures featuring piezoelectric films. The dynamic modeling of the proposed mechanism is accomplished by employing a finite element formulation which accounts for dynamic motion in both inertial and elastic coordinates. The dynamics of piezoelectric actuators and sensors bonded on the original flexible structure are developed for one-dimensional beam in conjunction with the modal analysis. The linear optimal controller which consists of a feedback control law and a Luenberger observer is employed. Numerical simulation is performed to evaluate the improvement of elastodynamic responses.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.24
no.10
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pp.780-787
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2014
This paper experimentally deals with the vibration characteristics of flat ring transducers used for ultrasonic sensors and actuators. Radial vibration mode, which is the fundamental mode of a thin piezoelectric transducer, was measured by a laser in-plane vibrometer. An impedance analyzer was used to measure natural frequencies. The results measured by experiments verified theoretical predictions. The vibration characteristics of ring transducers were identified according to the outer diameter size. The shape of the fundamental mode is almost uniform but slightly decreases from the inner to the outer circumferential surfaces. The natural frequency of the fundamental mode decreases as the outer diameter increases. It appears that the ring type transducer is suitable to excite uniformly distributed vibration on a flat surface.
Active control of solar panels with honeycomb core and carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) facesheets for smart structures using piezoelectric patch sensor and actuator to reduce the amplitude of vibration is a lack of the previous study and it is the novelty of this research. Of active control elements are piezoelectric patches which act as sensors and actuators in many systems. Their low power consumption is worth mentioning. Thus, deriving a simple and efficient model of piezoelectric patch's elastic, electrical, and elastoelectric properties would be of much significance. In the present study, first, to reduce vibrations in composite plates reinforced by carbon nanotubes, motion equations were obtained by the extended rule of mixture. Second, to simulate the equations of the system, up to 36 mode shape vectors were considered so that the stress strain behavior of the panel and extent of displacement are thoroughly evaluated. Then, to have a more acceptable analysis, the effects of external disturbances (Aerodynamic forces) and lumped mass are investigated on the stability of the system. Finally, elastoelectric effects are examined in piezoelectric patches. The results of the present research can be used for micro-vibration suppression in satellites such as solar panels, space telescopes, and interferometers and also to optimize active control panel for various applications.
In the present study, we aim to use nanotechnology sensors/actuators to capture pressure and frequency of voice singers and to send signals for improving breathing pressure. In this regard, a circular composite structure having 3 different layers are used. The core layer is nano-composite material reinforced with graphene nanoplatelets. The face sheets are piezo electric materials connected to electrical circuit capable of measuring and applying voltage to the piezoelectric layers. This sensors have extremely smaller size than conventional sensors attached to the neck of singer and, hence, minimizes the influences on the output voice of the singer. A brief theoretical framework are presented for nonlocal strain gradient theory and geometry of the sensor is described in detail. The controlling procedure along with experimental results on 20 amateur and professional singer participants are also presented. The results of the study indicate that the participants could gain benefit from the device for improving their ability in phonation and keeping their frequency at a constant level although they have difficulty in the beginning of the experiment getting used to the device.
Dynamic behavior of piezoelectric ZnO nanowires is investigated using finite element analyses (FEA) on FE models constructed based on previous experimental observations in which nanowires having aspect ratios of 1:2. 1:31, and 1:57 are obtained during a hydrothermal process. Modal analyses predict that nanowires will vibrate in lateral bending, uniaxial elongation/contraction, and twisting (torsion), respectively, for the three ratios. The natural frequency for each vibration mode varies depending on the aspect ratio, while the frequencies are in a range of 7.233 MHz to 3.393 GHz. Subsequent transient response analysis predicts that the nanowires will behave quasi-statically within the load frequency range below 10 MHz, implying that the ZnO nanowires have application potentials as structural members of electromechanical systems including nano piezoelectric generators and piezoelectric dynamic strain sensors. When an electric pulse signal is simulated, it is predicted that the nanowires will deform in accordance with the electric signal. Once the electric signal is removed, the nanowires exhibit a specific resonance-like vibration, with the frequency synchronized to the signal frequency. These predictions indicate that the nanowires have additional application potential as piezoelectric actuators and resonators.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.12
no.2
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pp.48-58
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1995
A micro positioning system using piezoelectric actuators have very wide application region such as ultra-precision machine tool, optical device, measurement systen. In order ro keep a high precision displacement resolution, they use a position sensor and feedback the error. From the practical point of view, a high-resolution displacement sensor system are very expensive and difficult to guarantee such sensitive sensors work properly in the hard opera- tion environment of industry. In this study, a micro-positioning grinding table which does not require position sensor but uses piezoelectric voltage feedback, has been developed. It is driven by hystersis-considering reference input voltage which calculated from computer and then uses actuator/sensor characteristics of piezoelectric materials. From the result of experiments we proved a fast and stable response of micro-positioning system and suggested efficient technique to control the piezoelectric actuator. And through grinding experiments, it is revealed that a characteristics of ground surfaces transient to plastic deformation as extremely small depth of grinding.
Piezoelectric materials produce an electric field by deformation, and deform when subjected to an electric field. The coupling nature of piezoelectric materials has acquired wide applications in electric-mechanical and electric devices, including electric-mechanical actuators, sensors and structures. In this paper, a hollow sphere composed of a radially polarized spherically anisotropic piezoelectric material, e.g., PZT_5 or (Pb) (CoW) $TiO_3$ under internal or external uniform pressure and a constant potential difference between its inner and outer surfaces or combination of these loadings has been studied. Electrodes attached to the inner and outer surfaces of the sphere induce the potential difference. The governing equilibrium equations in radially polarized form are shown to reduce to a coupled system of second-order ordinary differential equations for the radial displacement and electric potential field. These differential equations are solved analytically for seven different sets of boundary conditions. The stress and the electric potential distributions in the sphere are discussed in detail for two piezoceramics, namely PZT _5 and (Pb) (CoW) $TiO_3$. It is shown that the hoop stresses in hollow sphere composed of these materials can be made virtually uniform across the thickness of the sphere by applying an appropriate set of boundary conditions.
Jo, HyeJin;Jung, Hwee Kwon;Park, Tong il;Park, Gyuhae
Composites Research
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v.28
no.4
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pp.148-154
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2015
In order to detect damage in early stages and properly maintaining structures, the structural health monitoring technology is employed. In most cases, active-sensing SHM needs many piezoelectric (PZT) sensors and actuators. Thus, if there is a defect on PZT used for active-sensing SHM, the structural status could be misclassified. This study, for reliable SHM performance, investigated to detect defects of sensors by using the admittance-based sensor diagnostics. This study also introduced an algorithm that can diagnose sensor defects based only on data measured from the sensors in case that information about the changes in adhesive and environmental investigation, this study confirms that the proposed algorithm could be efficiently applied to real-world structures in which a significant temperature variation could take place.
Most of studies on control of beams containing piezoelectric sensors and actuators have been based on linear quadratic regulator (LQR) with state feedback or output feedback law. The aim of this study is to develop velocity-acceleration feedback law in the optimal control of smart piezoelectric beams. A new controller which is an optimal control system with velocity-acceleration feedback is presented. In finite element modeling of the beam, the variation of mechanical displacement through the thickness is modeled by a sinus model that ensures inter-laminar continuity of shear stress at the layer interfaces as well as the boundary conditions on the upper and lower surfaces of the beam. In addition to mechanical degrees of freedom, one electric potential degree of freedom is considered for each piezoelectric element layer. The efficiency of this control strategy is evaluated by applying to an aluminum cantilever beam under different loading conditions. Numerical simulations show that this new control scheme is almost as efficient as an optimal control system with state feedback. However, inclusion of the acceleration in the control algorithm increases practical value of a system due to easier and more accurate measurement of accelerations.
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