Abstract
Finite element method (FEM) has been employed extensively for vibration modal analysis of piezoelectric transducers and devices. Recently, here has been a growing interest in the simulation and analysis of piezoelectric transducers by using equivalent electrical circuit models. This paper has been devoted to such purpose for an ultrasonic sandwich transducer having longitudinal vibrations for high power applications. By analytical analysis, the dimensions of the transducer components were obtained such that the resonance frequency of transducer to be 22KHz for 3KW power emission. By using a 2D finite element model, a current source was connected directly to the model. Also, equivalent electrical-circuit models were developed. Then, the models were analyzed by ANSYS and resonance, anti-resonance frequencies and also voltage, current and equivalent impedance variations were obtained. Finally, simulation and experimental results were compared
چکیده
روش المان محدود به طور گستره برای آنالیز مودال ارتعاشات مبدل و ابزارهای پیزوالکتریک استفاده شده است. اخیراً علاقه رو به رشدی در زمینه آنالیزو شبیه سازی مبدل های پیزو الکتریک بوسیله مدل های مدارالکتریکی معادل وجود دارد. این مقاله به چنین هدفی اختصاص پیدا کرده است. برای یک مدل ساندویچی فراصوتی که ارتعاشات طولی برای کاربردهای توان بالا دارد. از طریق آنالیز تحلیلی، ابعاد اجزای مبدل بدست آورده شده به طوری که فرکانس رزونانس مبدل 22 کیلو هرتز برای توان 3KW باشد. بوسیله مدل دوبعدی المان محدود یک منبع جریان به طور مستقیم به مدل وصل می شود. همچنین مدل های مدار الکتریکی معادل گسترش پیدا می کنند. سپس، مدل ها بوسیله نرم افزار ANSYS آنالیز می شوند. فرکانس رزونانس و آنتی رزونانس و همچنین ولتاژ ، جریان و نوسانات آمپدانس(مقاومت ظاهری)معادل بدست آمده است. در نهایت،شبیه سازی و نتایج تجربی مقایسه شده اند.
1- مقدمه
فراصوت توان بالا امروزه در گستره وسیعی از کاربردها که شامل ابزارهای پزشکی ، وسایل تمیزکاری فراصوتی ، جوشکاری فراصوتی و ماشین کاری و شیمی صوت می شود استفاده می شود. به دلیل اینکه دکتر Langevin اولین مبدل فراصوتی ساندویچی رابوسیله قراردادن حلقه های پیزوالکتریک بین قطعات فلزی ساخته است و برای ارتعاشات با شدت بالا از اسمبلی استفاده کرده است،تلاش بسیار زیادی برای مدل سازی و فرمول بندی کردن چنین مبدلی خرج شده است. یکی از کارهای معروف ، آنالیز Mason برای مبدل های PZT می باشد ، برای نمونه مقدار مدار معادل ECM. در این روش خصوصیات آمپدانس (مقاومت ظاهری)یک مبدل پیزوالکتریک نزدیک یک رزونانس عایق دار بوسیله یک مدار معادل پارامتر – انباشته معرفی شده است. فرم ساده این مدار را در شکل (1) نشان داده شده است. در شکل ، دوتا از مدل های آمپدانس مبدل پیزوالکتریکی پارامتر انباشته شده که به طور گسترده استفاده می شود نشان داده شده است وقتی که المان های پراکندگی دمائی در پیزوالکتریک ،قسمت های انطباقی و پسین قابل چشم پوشی باشد...