살다보면...

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.

가능한 모든 컨버터 공진(단일 공진에 적합: [그림 1,2,3,5,6]의 모델)에 대해 정확한 수학 식을 제공하기 위해 직렬 연결에서 두 개의 전기 부품으로, 또는 저항성 임피던스 Re와 반응성 임피던스 Xe 사이의 연결 부로서 컨버터의 복합 임피던스를 표시한다.

또한 X1과 X2로 컨버터 운동 임피던스의 반응성 부분(이중 전기회로 참조: [그림 1,2,3,5,6]과 [그림 11-a])을 제시하는 것도 매우 유용하다.

[그림 11-a] 임피던스와 주파수의 관계

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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.

[그림 10-e] 정적인 자극과 동적 자극이 분리된 기계적 자극 수신기로서의 컨버터

회로 이론을 적용하면 전압과 전류를 변환 동작하는 충전 제네레이터 등과 같은 [그림 10-d] 및 [그림 10-e]에 제시된 모델과 유사한 동작하는 많은 이중등가회로 모델을 만들 수 있다. [그림 1]에 제시된 절연 또는 단일 공진 모드를 갖춘 컨버터 모델로 돌아가서 [그림 6]까지 다시 살펴보면 컨버터 응용 작동 체계에 따라 공진주파수(직렬 또는 병렬)에서 각기 다른 특징을 갖는 컨버터를 구동 시킬 수 있다. 또한 공진주파수 영역(직렬 또는 병렬공진)에서 출력회로를 제어하고 압전변환기(컨버터)를 보정하는 방법에 따라 압전변환기의 최대 진폭 또는 최대 속도 및 최대 힘을 생성 할 수 있다는 것을 알아야 한다.  예를 들어, 직렬공진 영역에서 위상(자연적인 직렬 기계적 공진을 나타냄) 상호간에 최대 운동전류와 최대의 힘을 가져야 하지만, 동일한 영역에서 최대 속도와 최대 변위(진폭)는 두 개의 다른 상대적으로 근접한 공진주파수에서 실현된다. 병렬공진 주파수에서도 위상에 따라 최대 운동 전압과 최대 운동 속도가 동일하지만 최대 힘과 최대 진폭은 두 개의 공진 주파수에서 실현 됩니다. (이것들 역시 상대적으로 서로 가깝다.) 컨버터 입력 단자에서 전기적인 공진을 생성할 때 컨버터의 입력 전류 또는 입력 전압을 최대화 하는 것이 최고의 기계적 공진(또는 다르게 말하면 컨버터의 입력 전류 공진이 직렬 기계적 공진에 가깝지만 동일하지는 않다.)을 나타내지는 않는다. 컨버터의 입력 전압 공진도 병렬 기계적 공진에 가깝다.

이러한 세부사항들은 전기적 및 기계적 공진 작동 영역의 미세한 차이는 일반적으로 초음파 설계 및 엔지니어링에 종사하는 대다수의 사람들에게 인식되지 않는 경우가 많다. 본 글에서 컨버터의 직렬공진 영역과 최소 임피던스는 단순히 주파수 f1으로 표시하며, 컨버터의 병렬공진과 최대 임피던스의 주파수 영역은 f2로 표시 한다. 기계적 품질-변환 컨버터는 [f1]영역에서 모든 전기적 및 지계적 공진이 매우 가깝게 있고, [f2]영역에서도 동일하게 적용된다. 컨버터(압전변환기 또는 초음파 진동자)의 임피던스와 주파수 관계 곡선(주파수에 대한 다른 임피던스 파라메터)이 [그림 11-a]에 제시된 것과 유사함을 보여 준다.

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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.

[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.

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초음파기술에서 실제 관심 분야의 대부분은 기계적(또는 음향적)부하를 가변(부하에 따라 다름) 저항으로 대체 될 수 있다고 가정하여 단일 작동하는(특정한 하나의 공진주파수로 동작하는) 공진모드를 사용하고, 직렬 또는 병렬공진에서 컨버터를 작동시킨다. 이렇게 단순화된 상황의 경우에는 [그림 5~10-b]에 제시된 부하 모델을 사용하는 대신에 [그림 10-c]에 제시된 부하 모델을 표준화하여 사용 할 수 있다. [그림10-c]의 모든 모델은 이중 전기회로의 상호 등가이며, [그림 7]과 [그림 4]에 제시된 일반 등가회로를 사용하여 관계를 상호 변환할 수 있다. 효과적인 컨버터 등가회로는 음향적 저항부하 [그림10-c]는 기계적인 운동 부분에 적절하게 배치된 직렬 또는 병렬 가변 저항(RLS1,2 또는 RLP1,2)에 의해 제시된다. 직렬 부하 저항 RLS1,2만 있는 회로[그림 10-c] 옵션을 적용하면 직렬 부하저항이 비례적으로 증가한다. 또한 음향적 부하 증가를 병렬 부하저항 RLP1,2만 있는 회로 옵션을 적용하면 병렬 부하 저항이 비례적으로 감소한다. 결과적으로 직렬 부하저항 RLS1,2는 음향적 임피던스 ρvs(= 밀도 x 음속 x 표면)에 정비례 하며, 병렬 부하저항 RLP1,2 음향적 어드미턴스 또는 Mobility(= 1 / ρvs)에 정비례한다. [그림 10-c]의 모델에 기초하여 최적의 전력 전달, 임피던스 정합, 무효 임피던스의 보상, 기계적인 출력(진폭) 제어 등, 다양한 분석을 위해 일반적으로 유효한 플랫폼을 구축할 수 있기 때문에 이것은 피에조진동자 부하를 이해하고 모델링 하는데 매우 중요한 단계이다.

[그림 10-c] 단일모드, 직렬 및 병렬 저항부하 임피던스 모델
([그림 4]의 등가회로 응용)

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이미 확립된 일괄 파라메터 모델링의 틀에서 컨버터의 고조파(더 높은 공진주파수)에 대해 설명을 계속한다. [그림 10-a]와 [그림 10-b]는 직렬과 병렬 연결의 기본 공진회로의 구성으로 다양한 회로의 가능성이 제시 되었다. [그림 10-a]는 제 1 공진모드의 직접적인 저항성 부하(단순화된)를 나타낸다.

[그림 10-a] 음향적이나 기계적인 부하가 없는 컨버터 모델링에 유효한
고조파를 포함한 이중회로 컨버터 모델링

단일 공진모드 부하[그림 10-a]를 등가변환 시키면 변압기의 유도결합 형태로 표시할 수 있다. 여기서 변압기의 2차 측에 RL이 배치되며, 1차 측에는 컨버터(진동자) 운동 인덕턴스와 직렬로 다른 변압기의 운동 인덕턴스와 유도 결합의 조합을 만들 수 있다. 위에 언급된 “변압기의 유도 결합 옵션”의 대부분은 [그림 10-a]에서 [그림 10-e]까지 모든 부하 상황과 등가회로 모델의 가장 편리한 형태로 구현 할 수 있다.

앞서 설명한 모든 모델링을 포괄하는 [그림 10-a]의 경우보다 다양한 부하 상황의 고조파를 가진 이중 컨버터 모델의 훨씬 일반적인 예가 [그림 10-b]과 같이 제시된다. 가능한 모든 기계적 부하 상황[그림 10-b]은 (1), (2), (3), (4)로 표시된 이중 부하 임피던스로 표시되었다.

[그림 10-b] 고조파와 기타 다른 부하를 포함한 이중회로 컨버터 모델링
(여기서는 부하를 전기적 임피던스(1), (2), (3), (4)로 표시)

예를 들어 [그림 10-b]에서 위쪽 컨버터 모델의 부하(1)이 출력 단자에 연결되면 컨버터는 무부하 작동 상태가 되며, 이를 컨버터(진동자) 공진 상태라고 한다. 여기에 부하(2)가 연결되면, 이는 저항성 기계적 부하의 경우이다. 부하(3)도 연결되면, 단일 공진주파수 혼(소노트로드) 또는 부스터와 유사한 단순 기계적 공진 상태이다. 부하(4)는 임의의 복잡한 기계적 임피던스의 가장 일반적인 경우를 나타낸다.

[그림 10-b]의 아래쪽은 이미 설명한 위쪽과 같으며, 단 부하(1)은 실제로 아무것도 연결되지 않은 개방 상태가 컨버터의 무부하 상태로, 이 상태가 컨버터의 공진 상태이다. 부하(2), (3), (4) 위쪽 컨버터 모델의 설명과 같다.