A multi-resonant broadband acoustic transducer with six Tonpilz elements operating at different resonant frequencies in a transducer assembly was fabricated, tested, and analyzed. A compensated transducer, modified by adding series inductance to the developed multi-resonant broadband transducer, was shown to provide improved bandwidth performance with a relatively more uniform frequency response compared with the uncompensated transducer. By controlling the series inductance, flat frequency response characteristics at two frequency bands were obtained over the range 38-52 kHz with 1.1 mH inductance and 50-60 kHz with 0.4 mH inductance. These results suggest that the operating frequency of the developed multi-resonant broadband transducer in a chirp echo sounder can be shifted to a different frequency band that is optimized according to the environment for more effective echo surveys of fishing grounds.
본 논문에서는 Tonpilz 트랜스듀서의 후면추를 고정시킴으로써 발생하는 저주파 공진 특성을 연구하여 Tonpilz 트랜스듀서의 다양한 공진모드에서의 이용 가능성을 분석하였다. 기존의 Tonpilz 트랜스듀서의 후면추에 탄성 튜브를 연결한 후 한쪽 끝을 고정 시킴으로써, 기존의 종 방향 공진 주파수 이하에서 추가적인 공진이 발생하도록 하였다. 이 저주파 공진모드는 후면추에 부착된 탄성체의 강성, Tonpilz 트랜스듀서의 전면추, 후면추의 질량 변화에 따라 그 특성이 변하게 된다. 이러한 추가적인 저주파 공진특성을 유한요소해석을 통해 분석하였으며, 그 결과를 바탕으로 특정 성능조건에 부합하는 Tonpilz 트랜스듀서의 설계가능성을 확인하였다.
This paper presents a theoretical approach to calculate the resonant frequency of a thickness vibration mode in the radial direction for a 1-3 piezoelectric composite transducer of circular arch shape. For the composite transducer composed of a piezoelectric ceramic and a polymer, vibration parameters were derived according to the volume ratio of a ceramic, and a vibration characteristic equation was derived from the piezoelectric governing equations with adequate boundary conditions. The fundamental resonant frequencies were calculated numerically and verified by comparing them with those obtained from the finite element analysis and the experiment. The volume ratio and the thickness are more substantial than the curvature radius to determine the fundamental resonant characteristics, and the fundamental resonant frequency becomes higher for the larger volume ratio of the piezoelectric ceramic and for the smaller thickness.
A three-layered piezoelectric ceramic transducer is fabricated with three piezoelectric ceramic disk transducers and two sheets of thin insulator. Its equvalent circuit is derived from the Mason's model of a thickness-driven piezoelectric transducer. We applied the electric input near its fundamental resonant frequency to the center transducer and connect the output voltages across the left and right transducers in series to the resistor load. Then we investigate the load characteristics at resonant frequencies under various resistor loads and the frequency characteristics near the resonant frequency under no load. Moreover, symbolic expressions for input impedances, voltage ratios, resonant frequencies, and bandwidths have been derived. The values calculated from those symbolic expressions are shown to agree well with the measurement values.
Sheykholeslami, Mohammad R.;Hojjat, Yousef;Cinquemani, Simone;Ghodsi, Mojtaba;Karafi, M.
Smart Structures and Systems
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제17권2호
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pp.313-325
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2016
The paper provides a comprehensive procedure for the mechanical and magnetic design of Langevin transducer based on giant magnetostrictive material. The the transducer is designed to work at its second mode of vibration, having high mechanical quality factor and low damping coefficient. The design procedure is based on an analytical model and it is verified by finite-element analysis. Experimental tests based on impedance response analysis in first and second modes are carried out on the prototype. Results confirm the appropriate design of this transducer, demonstrating the highest mechanical quality factor between the resonant transducers in the literature.
Traditional magnetostrictive/piezoelectric laminate composites are generally in the regular geometries such as rectangles or disks. To explore properties of the irregular geometry magnetostrictive/piezoelectric transducer in the fundamental resonant frequency, a step dumb-bell shaped Magnetoelectric (ME) transducer is presented in this study. Both analytical and experimental investigations are carried out for the dumb-bell shaped transducer in the fundamental frequency. Comparing with the traditional rectangular transducer, the theory shows the resonant frequency of dumb-bell shaped transducer is reduced 31%, and the experiment gives the result of that is 37% which is independent of dc magnetic fields. The ratio of magnetoelectric voltage coefficient (MEVC) between the dumb-bell shaped and rectangular shaped transducers in theory is 66% comparing with that of in experiment is varying from 140% to 33% when the dc field is increased from 0 Oe to 118 Oe.
본 논문에서는 후면추가 탄성체에 의해 고정된 Tonpilz 트랜스듀서의 공진 특성을 등가회로를 이용하여 연구하였다. 후면추가 고정됨으로 인해 발생하는 추가적인 공진특성을 나타낼 수 있는 등가회로를 설계하였으며, 설계된 등가회로를 이용하여 얻은 송신음압감도 (TVR)를 유한요소해석을 통해 도출한 결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다. 등가회로를 이용하여 송신특성을 파악한 결과, 유한요소해석 결과와 일치하였으며, 후면추 고정재료의 강성과 후면추의 질량 변화에 따른 공진 주파수와 송신음압감도 변화를 명확히 파악할 수 있었다. 본 연구에서 도출한 등가회로를 이용하면 설계변수의 변화에 따라 모델을 변경해야하고 긴 계산시간이 요구되는 유한요소해석에 비해 효과적으로 트랜스듀서의 공진특성을 해석할 수 있다.
A new type of piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) with high resonant frequency was developed by using a thin lead zirconate titanate (PZT) as an insulation layer on a floating $10{\mu}m$ silicon membrane. The PZT insulation layer facilitated acoustic impedance matching at active pMUT, leading to a high performance in the acoustic conversion property compared with the transducer using $SiO_2$ insulation layer. The fabricated ultrasonic devices were wirelessly measured by connecting two identical acoustic transducers to two separate ports in a single network analyzer simultaneously. The acoustic wave emitted from a transducer induced a $3.16{\mu}W$ on the other side of the transducer at a distance of 2 cm. The transducer performances in terms of device diameters, PZT thickness, annealings, and different DC polings, etc. were investigated. COMSOL simulation was also performed to predict the device performances prior to fabrication. Based on the COMSOL simulation, the device was fabricated and the results were compared.
본 논문에서는 인접된 다중모드 공진점을 갖는 수중 음향 압전 트랜스듀서의 전기적 등가회로 모델을 추정하는 방법을 제안하였다. 트랜스듀서의 실측된 임피던스와 추정된 등가모델의 임피던스 오차가 최소가 되도록 공진모드간 결합 영향을 고려한 적합도 함수를 제안하고, 미립자 집단 최적화 (PSO:Particle Swarm Optimization) 알고리즘을 이용하여 등가회로의 미지상수를 추정하였다. 3개의 공진점을 갖는 샌드위치형 예제 트랜스듀서에 대하여 제안된 방법을 적용하여 등가회로를 모델링하고, 수중에서의 임피던스 측정치와 추정된 등가모델의 임피던스를 비교함으로써 제안된 기법의 타당성을 검증하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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