Исследование квазистатических колебаний пьезоэлектрического диска с использованием конечно-элементного моделирования и лазерной интерферометрии

Исследованы квазистатические колебания пьезоэлектрического диска с несколькими электродами с целью определения их оптимальной конфигурации при работе пьезоэлемента в составе устройства. Первым критерием оптимальности выступает величина осевых деформаций геометрического центра поверхности пьезо элемента. Вторым критерием выбрана величина напряжения отклика, снимаемая с электрода обратной связи пьезоэлемента. Построена конечно-элементная модель пьезоэлектрического преобразователя в программном продукте Ansys Workbench. Рассчитаны значения напряжения отклика и амплитуды осевых деформаций при различных конфигурациях электродов. Проведены экспериментальные исследования напряжения отклика при работе преобразователя на частоте резонанса 1200 Гц и на частоте много ниже частоты резонанса — при 300 Гц. С помощью методов лазерной интерферометрии экспериментально исследованы значения осевой деформации. Исследование деформации проводилось при частоте 400 Гц. Результаты моделирования и экспериментов показали сходные тенденции. Расхождение результатов моделирования с экспериментальными данными обусловлено отличием реальных значений пьезомодулей от справочных данных производителя. Полученные результаты позволяют сформулировать рекомендации по расположению и назначению электродов дисковых пьезоэлектрических преобразователей.

1. Ivina N. F. Analysis of the natural vibrations of circular piezoceramic plates with partial electrodes // Acoustical physics. 2001. Vol. 47, N 6. P. 417–420.

2. Krushynska A. et al. Mode excitation efficiency for contour vibrations of piezoelectric resonators // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2011. Vol. 58, N 10. P. 2222–2238.

3. Kim D. J., Oh S. H., and Kim J. O. Measurements of Radial In-plane Vibration Characteristics of Piezoelectric Disk Transducers // Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering. January 2015. Vol. 25. P. 13–23. DOI:10.5050/KSNVE.2015.25.1.013.

4. Yu-Hsi Huang. Electromechanical coupling efficiency of transverse vibration in piezoelectric plates according to electrode configuration // Journal of the Chinese Institute of Engineers. 2013. Vol. 36. P. 842–855.

5. Pan Ch., Xiao G., Feng Z., Liao W.-H. Electromechanical characteristics of discal piezoelectric transducers with spiral interdigitated electrodes // Smart Materials and Structures. 2014. Vol. 23, N 12. DOI 10.1088/0964-1726/23/12/125029.

6. Lin Y.-C. and Ma C.-C. Experimental Measurement and Numerical Analysis on Resonant Characteristics of Piezoelectric Disks with Partial Electrode Designs // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2004. Vol. 51. P. 937–947.

7. Carbonari R. C., Silva E. C. N., and Nishiwaki S. Optimum placement of material in piezoactuator design // Smart Materials and Structures. 2007. Vol. 16, N 1. P. 207–220.

8. Кандауров А. А. Моделирование поверхностных колебаний пьезоэлектрических резонаторов // Ползуновский вестник. 2008. № 4. С. 100–104.

9. Deferrari H. A., Darby R. A. and Andrews F. A. Vibrational displacement and mode-shape measurement by a laser interferometer // The Journal of the Acoustical Society of America. 1967. Vol. 42, N 5. P. 982–990.

10. Barbosa Fr. A. A., Nader G., Higuti R. T. A simple interferometric method to measure the calibration factor and displacement amplification in piezoelectric flextensional actuators // Sba Controle & Automação Sociedade Brasileira de Automatica. Dec. 2010. P. 577–587. DOI:10.1590/S0103-17592010000600003.

11. Электрофизические параметры пьезокерамических материалов компании Аврора-ЭЛМА [Электронный ресурс]: https://avrora-elma.ru/upload/iblock/50b/wjjf2umpnkgxsurrki9zeal7ox2coe6z.pdf . (20.09.2024).

12. Lin Hsien-Yang, Huang Jin H., Ma Chien-Ching. Vibration Analysis of Piezoelectric Materials by Optical Methods // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2002. Vol. 49, N 8. P. 1139 –1149. DOI: 10.1109/TUFFC.2002.1026026.

13. Colcheroa L., Colcheroa J., Go´mez H. J., Prietob E., Baro A., Huanga W. H. Comparison of strain gage and interferometric detection for measurement and control of piezoelectric actuators // Materials Characterization. 2002. Vol. 48, N 2-3. P. 133–140. DOI:10.1016/S1044-5803(02)00191-2.

14. Libbrecht K. G., Black E. D. A Basic Michelson Laser Interferometer for the Undergraduate Teaching Laboratory Demonstrating Picometer Sensitivity // American Journal of Physics. 2015. Vol. 83, N 5. P. 409–417. DOI: 10.1119/1.4901972.

15. Pisani M. A homodyne Michelson interferometer with sub-picometer resolution // Measurement Science and Technology. 2009. Vol. 20, N 8. Р. 084008. DOI:10.1088/0957-0233/20/8/084008.

16. Ma C. C., Huang C. H. The investigation of threedimensional vibration for piezoelectric rectangular parallelepipeds using the AF-ESPI method // I IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2001. Vol. 48, N 1. P. 142–153. DOI:10.1109/58.895923.

17. Кирьянов В. П., Коронкевич В. А. Лазерные интерферометры перемещений // Автометрия. 1998. № 6. С. 65–84.