Optimization of excitation for piezoceramic ultrasonic transducers in nonlinear and thermal variable operating conditions

Abstract

U ovom radu prikazani su rezultati istraživanja metoda elektromehaničke i akustičke karakterizacije piezokeramičkih uzoraka i ultrazvučnih pretvarača. Istražene su uobičajene normirane metode karakterizacije, uočeni su problemi i nedostatci postojećih rješenja s naglaskom na promatranje parametara piezoelemenata pri visokim razinama pobude. Fokus je stavljen na promjene parametara piezokeramičkih elemenata ovisno o pobudnoj razini i temperaturi te na problem impedancijskog neprilagođenja piezokeramika s pobudnim sustavom pri različitim vrstama pobude. Napravljeno je modeliranje temperaturnog i impedancijskog utjecaja na parametre piezoelemenata, te su predložene nove metode elektromehaničke i akustičke karakterizacije čime su stvorene pretpostavke za unaprjeđenje procesa karakterizacije piezoelemenata predviđenih za rad u promjenjivim uvjetima. Sva mjerenja provedena su s posebnim naglaskom na rad pri rezonantnom i usko oko rezonantnog područja s pojavom nelinearnih efekata. Piezokeramički elementi razmatrani su kao crna kutija – elektromehanički šesteropol. Prikazani su ekvivalentni električni krugovi ultrazvučnih pretvarača navedeni u standardu, pri čemu su definirani bitni parametri izvedeni iz osnovnih jednadžbi. U mehaničkoj domeni prikaz piezokeramičkih elemenata ostvaren je kao titrajni sustav masa spojenih oprugom. Napravljena su mjerenja piezokeramika kao i već sastavljenih pretvarača, te su prikazani fizički parametri koji određuju rezonantne karakteristike. Mjereni parametri napona, struje, pomaka i akustičkog tlaka povezani su s parametrima električne, mehaničke i akustičke domene. Eksperimenti su realizirani u laboratorijskom okruženju s kontroliranim uvjetima. Promjene parametara piezokeramičkih elemenata promatrane su za tri definirane temperature i pri različitim opterećenjima.Electromechanical and acoustic characterization research results of piezoceramic samples and ultrasonic transducers are presented in this paper. The standardized methods of characterization were investigated, and problems of existing solutions were noticed, with an emphasis on piezoelectric parameters at high excitation levels. The focus is on changes in the parameters of piezoceramic elements depending on the excitation level and temperature and on the problem of impedance mismatch at different types of excitations, which makes the efficiency of power transmission between the excitation electronic circuit and the ultrasonic transducer inconsistent. The influence of excitation on the transducer parameters depending on the pulse signal shape is considered. Modelling of temperature and impedance influence on piezoelectric parameters was made, and new methods of electromechanical and acoustic characterization were proposed, which created preconditions for improving the process of characterization of piezoelectric elements intended for operation in variable conditions