Academic Journal
Mathematical Modeling the Electrical Impedance of the Piezoceramic Disk Oscillating in a Wide Frequency Range (Part 1. Low Frequencies)
| Τίτλος: | Mathematical Modeling the Electrical Impedance of the Piezoceramic Disk Oscillating in a Wide Frequency Range (Part 1. Low Frequencies) |
|---|---|
| Πηγή: | Visnyk NTUU KPI Seriia-Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia; No. 94 (2023); 41-48 Вестник НТУУ" КПИ ". Серия радиотехника Радиоаппаратостроение; № 94 (2023); 41-48 Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування; № 94 (2023); 41-48 |
| Στοιχεία εκδότη: | National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", 2023. |
| Έτος έκδοσης: | 2023 |
| Θεματικοί όροι: | дисковий елемент, impedance, п'єзоелектричний перетворювач, імпеданс, mathematical modeling, disk element, piezoelectric transducer, математичне моделювання, акустоелектроніка, acoustoelectronics |
| Περιγραφή: | The article presents the results of mathematical modeling and analysis of the electrical impedance of a piezoceramic disk that undergoes oscillations at low frequencies, i.e., when the length of the elastic wave significantly (by an order of magnitude or more) exceeds the radial size of the disk. Thus, the proposed mathematical model of disk-shaped ceramic elements of piezoelectric transducers, which are an important component of modern communication devices, environmental sensors, precision equipment, medical devices, etc. A key characteristic of the mathematical model described in the article is its ability to determine analytical dependencies that allow estimating such fundamental electrical properties of the piezoceramic disk element as electrical impedance and quasi-static electrical capacitance, thereby significantly simplifying the calculation of such an element already at the design stage.The static dielectric permittivity of a piezoceramic disk vibrating at low frequencies has been investigated. The calculated value of this parameter, based on the physical constants’ characteristic of the piezoceramic of the PZT (lead zirconate titanate) type, is 1.844 times higher compared to the high-frequency (dynamic) dielectric permittivity. It has been found that in the low-frequency range, when the mechanical stresses in the vibrating piezoceramic disk approach zero and the direct piezoelectric effect is almost negligible, the electrical impedance of such a disk can be described as the reactive resistance of a capacitor with electrical capacitance equivalent to the quasi-stationary capacitance of the disk. This is confirmed by a high degree of convergence between theoretical data and experimental results, with discrepancies not exceeding 6%. The results obtained in the article can be valuable for scientific research in the fields of precision instrument engineering and radio equipment manufacturing. Additionally, they have practical applications in the development and production of high-tech equipment. В статье приведены результаты математического моделирования и анализа электрического импеданса пьезокерамического диска, который испытывает колебания на низких частотах, то есть когда длина упругой волны значительно (на порядок и более) превышает радиальный размер диска. Таким образом, предложена математическая модель дисковых керамических элементов пьезоэлектрических преобразователей, которые являются важной составляющей современных устройств связи, датчиков окружающей среды, прецизионного оборудования, медицинских приборов и т.д. Ключевой характеристикой математической модели, описанной в статье, является ее способность определять аналитические зависимости, которые позволяют оценить такие фундаментальные электрические свойства пьезокерамического дискового элемента, как электрический импеданс и квазистатическая электрическая емкость, тем самым значительно упрощая расчет такого элемента уже на стадии проектирования. Исследована статическая диэлектрическая проницаемость пьезокерамического диска, вибрирующего на низких частотах. Рассчитанное значение этого параметра, исходя из характеристики физических констант пьезокерамики типа ЦТС (цирконат-титанат свинца) в 1,844 раза выше по сравнению с высокочастотной (динамической) диэлектрической проницаемостью. Установлено, что в низкочастотном диапазоне, когда механические напряжения в вибрирующем пьезокерамическом диске приближаются к нулю, а прямой пьезоэффект практически отсутствует, электрическое сопротивление такого диска можно описать как реактивное сопротивление конденсатора с электрической емкостью, эквивалентной квазистационарной емкости диска. Это подтверждается высокой степенью сходимости теоретических данных с экспериментальными результатами, расхождение которых не превышает 6%. Полученные в статье результаты могут быть ценными для научных исследований в областях точного приборостроения и производства радиоаппаратуры. Кроме того, они имеют практическое применение при разработке и производстве высокотехнологичного оборудования. В статті наводяться результати математичного моделювання та аналізу електричного імпедансу п'єзокерамічного диска, що здійснює коливання на низьких частотах, тобто коли довжина пружної хвилі суттєво (на порядок і більше) перевищує радіальний розмір диска. Так, запропонована математична модель дискових керамічних елементів п'єзоелектричних перетворювачів, які є важливим компонентом сучасних комунікаційних пристроїв, датчиків навколишнього середовища, прецизійного обладнання, медичних апаратів та іншого. Ключовою характеристикою математичної моделі, описаної у статті, є здатність визначати аналітичні залежності, які дозволяють оцінити такі основні електричні властивості п'єзокерамічного дискового елементу, як електричний імпеданс та квазістатичну електричну ємність, чим значно спростити розрахунок такого елементу ще на етапі його проєктування.Досліджено статичну діелектричну проникність п'єзокерамічного диска, що коливається на низьких частотах. Вираховане значення такого параметра за значень фізичних констант, що характерні для п'єзокерамік сорту ЦТС (титанат цирконат свинцю) в 1,844 раза вище порівняно з показником високочастотної (динамічної) діелектричної проникності.Виявлено, що у діапазоні низьких частот, коли механічні напруження в п'єзокерамічному диску, що коливається, наближаються до нульового рівня та прямий п'єзоелектричний ефект майже не відбувається, електричний імпеданс такого диска можна описати як реактивний опір конденсатора з електричною ємністю, еквівалентною квазістаціонарній ємності цього диска. Це підтверджується високим ступенем збігу теоретичних даних та результатів експериментів, де розбіжності не перевищують 6%.Отримані в статті результати можуть бути корисними для наукових досліджень у галузях точного приладобудування та радіоапаратуробудування, а також для практичного застосування у розробці та виробництві високотехнологічного обладнання. |
| Τύπος εγγράφου: | Article |
| Περιγραφή αρχείου: | application/pdf |
| Γλώσσα: | English |
| ISSN: | 2310-0397 2310-0389 |
| Σύνδεσμος πρόσβασης: | http://doi.radap.kpi.ua/article/view/327251 |
| Rights: | CC BY |
| Αριθμός Καταχώρησης: | edsair.scientific.p..4af5669fcc3d4d7ca4f4f72c959c769c |
| Βάση Δεδομένων: | OpenAIRE |
καταχωρήστε σχόλιο πρώτοι!