1-1회 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.

---

압전변환기와 초음파-전원공급장치(앰프)에 관련된 고출력 초음파 분야에서 일하는 엔지니어는 이 책에서 제시하는 주제에 대한 정확한 답을 알아야 한다. 적절한 초음파 연구를 위하여 수년 간의 노력과 막대한 돈을 낭비하는 대신에 25년 이상 전문적인 R&D환경에서 일한 결과를 종합한 이 책을 참조하는 것이 훨씬 빠르고 쉽다.

---

1.    압전변환기 모델링 및 해석

다음의 사진은 모델링 및 해석 기술과 관련된 제품의 사진이다. 이 책에서 제시한 바와 같이 장치 및 구성 요소는 모두 동일한 방법론 및 동일한 용어를 사용하여 측정, 모델링 및 해석 될 수 있다.

압전변환기의 동등한 모델을 제시하고 분석 할 수 있는 많은 가능성이 있다. 여기에 제시된 분석은 주로 고출력 압전, Langevin, sandwich-converter (초음파 세척, 플라스틱 용접, 초음파 화학 및 기타 전력 산업 응용 분야에 적용 가능)의 모델링이며, 다양하고 광범위한 다른 압전변환기 및 센서의 분야에도 쉽게 적용 할 수 있다. (그러나 이 내용은 본 책의 주요 목적은 아니다).

최대 초음파 출력을 기계적 부하에 전달하기 위해 초음파전원공급 장치를 최적화 할 때 전기공학적 요구사항에는 쉽게 측정이 가능하고 정량화된 단순하고 실용적인 전기적 파라메터(저항, 컨덴서, 코일, 전압, 전류와 같은)로 이루어진 등가회로 모델이 필요하다. 이러한 모델에서 어떤 특정 구성 요소가 순수한 전기적 특성을 나타내는지 그리고 어떤 구성요소가 기계적 부하와 음향적 특성을 표현하는지를 알아야 한다. 일반적인 압전변환기의 가장 좋은 등가회로의 파라메터는 Butterworth-Van Dyke(BVD)로 나타내거나 Redwood가 개발한 이중회로(Mason 등가회로를 간소화하거나 실험 결과와 전기기계적 유추를 기반으로 하는 압전 임피던스 모델링)로 나타낸다. 이 책에서는 위에서 언급한 서로 상응하는 두 개의 이중 전기 모델을 사용하여 직렬공진 및 병렬공진에서 작동하는 [그림 1]과 같은 압전변환기 모델을 제시한다.

임피던스 분석기(HP 4194A와 유사한 기기 들)가 전자산업에서 개발된 후 압전변환기 모델링은 매우 단순화 되었다. 실제로 모델링을 위해 하나의 변환기에서 동작모드(한 쌍의 직렬공진 및 병렬공진 중 해당하는 주파수 영역을 선택)를 선택하면 임피던스 분석기는 선택된 주파수 영역에서 스위핑 신호를 발생시켜 컨버터에서 통과하는 전압과 전류를 측정함으로써 전기적 임피던스 측정을 수행한다. 다음 단계는 측정된 임피던스 파라메터를 이론적으로 알려진 컨버터 모델과 비교하여 이론적 임피던스 모델에 배치 및 계산을 한다. 이 방법을 통해 몇 가지(임피던스 분석기의 측정모드) 단계에서 선택된 주파수 범위에 관련된 모든 전기적 구성요소(R, L, C)의 값을 얻을 수 있고, 이러한 것 들은 초음파 전원공급장치의 최적화, 최적의 공진주파수, 출력전력제어, 초음파 진동자 품질 최적화 등 다양한 엔지니어링 목적에 반드시 필요하다. 우리는 임피던스 분석기를 사용하여 측정된 컨버터의 임피던스 값과 임피던스 커브 피팅 절차의 결과 값을 비교 할 수도 있다. 충분히 높은 기계적 품질계수를 가진 잘 설계된 컨버터의 경우, 선택된 주파수 영역에서 R, L, C 파라메터가 측정된 값과 계산된 값이 100% 일치하는 올바른 모델링을 얻을 수도 있다.

이 책(문서)의 목적은 다음과 같다.

○ 압전변환기(초음파 진동자)의 전기적 특성을 단순화하고 실용적이며 쉽게 정량화가 가능한 전기적 등가회로의 파라메터를 설명하기 위해 다양하게 설계된 컨버터의 특성 및 성능의 최적화 등의 목적으로 직렬공진 및 병렬공진에서 압전변환기의 높은 주파수와 고조파에 대한 본질적인 컨버터 모델을 설명하고, 컨버터가 기계적인 입력을 전기적 출력으로 변환(수신기 또는 센서)하는 모델을 설명한다.

○ 압전변환기의 기계적 부하에 대한 매우 일반적인 개념을 수립한다.(여기서는 기계적인 부하를 초음파 전원공급 장치 또는 컨버터 구동회로의 내부 저항에 상당하는 기계적 부하를 정규화된 형태로 표현한다.)

○ 전기적 입력을 기계적 출력으로 변환 할 때 압전변환기가 직렬 및 병렬공진 모드에서 최적의 전력 전달을 분석하고, 두 상황에서 기계적 부하 절차 및 손실을 설명한다.

---

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