1-9회 초음파 진동자 모델링 및 해석

PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS MODELING AND CHARACTERIZATION
Author: Miodrag Prokic / Published 2004 in Switzerland by MPI

위의 자료(책)가 초음파 진동자를 이해하기가 좋은 자료인 것 같아 관심있는 지인들과 함께 공부 할 요량으로 번역을 해봤습니다. 많은 오역이 존재 할 수 있다는 것을 사전에 밝힙니다. 이 점을 참고하시고 보시기 바랍니다.

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[그림 6]의 하단에 제시된 것과 같은 유사한 등가회로 개념을 사용하여 전압 또는 전류 변압기(변류기)로 컨버터(진동자)와 부하 사이를 분리 할 수도 있다. 이 같이 분리가 적용되는 모델의 등가 입력 임피던스는 변하지 않는다.

모든 피에조 컨버터는 액츄에이터인 동시에 기계적 진동을 감지 할 수 있는 센서로 사용 할 수 있으며, 기계적인 진동에 비례하는 전기적 신호를 생성하므로 가속도계, 마이크, 수신기와 같은 센서로도 사용이 가능 합니다.

[그림 10-d] 기계적 자극 수신기(센서)로서의 컨버터

 

수신기로의 [그림 1, 2, 3, 4, 5, 6]에서 고조파를 제외한 단순화된 컨버터 모델만 다시 등가회로적으로 변환해 보면 [그림 10-d]에 제시된 이중 모델에 의한 수신기(센서)로서 컨버터를 제시 할 수 있다. 나중에 고조파를 [그림 10-d]에 포함하려면 [그림 10-d]에 제시된 위치에 기계적(물리적)인 자극을 유지하면 된다. 물리적인 출력을 생성하기 위해 컨버터를 전기적으로 구동할 때, 동시에 부하가 컨버터에 기계적 자극을 생성(반사)시키는 많은 상황(초음파 세척, 용착 등)에서 컨버터 내부적으로 추가 전하, 전류 및 전압이 생성되는 것이 컨버터의 작동에 어떤 영향을 미치는가 고려하는 것이 중요하다. 피에조 컨버터(압전 진동자)를 기계적 자극 검출 센서로만 사용하는 경우, 센서 파라메터와 센서 출력 신호를 검증하고 정량화하기 위해 가장 편리한 전기적 모델이 무엇인지 알아야 한다. [그림 10-d]에 제시된 모델은 잘 선택된 주파수 대역(또는 압전 컨버터의 상호작용과 임피던스에 민감한 체계)에서 외부 기계적 변동을 동시에 감지 할 수 있는 액티브 한 진동 소스로 작동하려는 경우에도 중요하다.

피에조 컨버터가 센서로 작동될 때 정적인(음파와 같은) 외부자극 및 일정한 물리(기계)적 외부자극을 감지하여 전압(또는 전하)을 발생 시키는데, 이는 압전소자(피에조세라믹) 결정 구조 내부에 영구적으로 분극 된 전기장이 존재하기 때문이다. (압전소자를 제조하는 과정에서 분극이라는 과정을 통해 전기적 쌍극자를 일정한 방향으로 정렬 시킴으로 내부적으로 양전하와 음전하의 방향이 일정해 진다.) 압전소자에 외부의 힘이 가해지면 내부적으로 분극 된 피에조 결정구조는 약간의 평형이 틀어지며, 분극 된 전극으로 외부 힘에 비례하는 일정량의 자유 전하를 방출한다. 압전소자에 물리적 저주파 자극만 적용된다면 [그림 10-d]의 왼쪽에 제시된 두 가지의 센서 모델을 안전하게 적용 할 수 있고, 충전소스 Qa와 전압소스 Ua를 정적인 전원으로 취급 할 수 있다.

외부의 물리적 자극이 동적이고 높은 주파수 진동 소스에서 발생하는 경우, 일반적으로 이 진동 유형은 압전소자의 공진 주파수 범위 안에 있습니다. 이러한 유형의 자극은 일반적으로 진폭의 힘이 매우 작거나 또는 속도가 매우 낮아 그 평균 수준이 “0”에 가깝다. 압전소자는 액츄에이터로 작동 할 수 있으며, 동시에 외부의 자극을 감지하는 센서로 사용 할 수 있다. 이러한 상황에서 [그림 10-e]에 제시된 바와 같이 정적 및 동적(또는 가변적)자극 소스가 분리된 모델을 만들 수 있다. (또는 [그림 10-d]에 이미 배치된 동일한 위치에서 분리 할 수도 있다.) 동적 외부자극이 적용된 [그림 10-e]는 동작 인덕턴스가 있는 유도 결합 전압원의 형태로 도입된다.