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Tonpilz 트랜스듀서의 성능에 미치는 압전소재의 영향
Effects of piezoelectric material on the performance of Tonpilz transducer using finite element method 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.26 no.4, 2016년, pp.139 - 144  

서진원 (한국세라믹기술원 이천분원) ,  최균 (한국세라믹기술원 이천분원) ,  이호용 (세라콤)

초록
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Tonpilz 트랜스듀서의 거동에 미치는 압전 소재의 형상과 크기의 효과에 대하여 유한요소법을 통한 컴퓨터 모사를 통하여 연구하였다. 도넛 형태의 압전체의 직경과 높이 그리고 쌓아올린 stack의 수를 변수로 고려하였고 최종적으로 소재 자체를 특성이 뛰어난 단결정 소재로 변환하였을 때 그 특성인 출력과 TVR 대역폭이 어떻게 변하는지를 모사하였다. 그 결과, 리랙서 단결정을 활용함으로써 같은 구조에서 출력을 10배 정도 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Effects of the shape and size of the piezoelectric materials on the performance of tonpilz transducers were studied with a computer simulation using a finite element method (FEM). The diameter and height of the donut-shaped piezoelectric ceramics head mass were changed as variables. And the effect o...

주제어

#Tonpilz   #Piezoelectric transducer   #Finite element method (FEM)   #Ultrasonic   #Ceramic stack  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 최근까지 head mass의 구조와 크기를 최적화하기 위한 시도[6-8]들이 계속되었으나 각 요소들이 어떤 상관 관계를 갖고 있는가에 대한 구체적인 모델링이 제시되지 못하였다. 본 연구에서는 압전체 소재의 stack 수나 크기 및 형상이 트랜스듀서의 응답 특성인 출력과 대역폭에 미치는 영향을 살펴보았다. 또한, PZT-4와 비교하였을 때, 압전 소재의 측면에서 같은 전기장 하에서 변위가 크고 전기기계 결합계수가 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
트랜스듀서는 어느 용도로 활용되었는가? 가장 많이 활용되는 트랜스듀서로서 Tonpilz 트랜스듀서는 큰 head mass와 이를 구동하는 작은 디스크 형의 압전체, 이를 고정시키는 tail mass와 볼트로 구성되며 저주파 고출력의 특징을 갖고 있다. 1958년 처음 발명된 이래[1], 수중 초음파 발생기, 초음파 세척기, 초음파 웰더나 커터 등 여러 용도에 널리 활용되고 있으며 일방향 지향성을 갖고 있어서 2차원 정렬을 통하여 수중 SONAR 시스템에도 적용되고 있다[1-3]. 한편, 트랜스듀서의 음압을 이용하여 미세입자를 분리 혹은 응집하고자 하는 시도도 계속되고 있는데 이는 최근 문제로 대두되고 있는 황사나 미세분진에 의한 대기오염과 연관되어 대기환경을 개선시키고자 하는 공학적인 한 가지 접근법으로 주목 받고 있다[4, 5].
전기음향(electro-acoustic) 트랜스듀서는 무엇인가? 전기음향(electro-acoustic) 트랜스듀서는 전기적 신호를 음향파로 바꾸거나 음향파를 전기적 신호로 바꾸는 장치로써 많은 경우에는 동시에 이 두 가지를 수행한다. 가장 많이 활용되는 트랜스듀서로서 Tonpilz 트랜스듀서는 큰 head mass와 이를 구동하는 작은 디스크 형의 압전체, 이를 고정시키는 tail mass와 볼트로 구성되며 저주파 고출력의 특징을 갖고 있다.
Tonpilz 트랜스듀서의 한계는? Tonpilz 트랜스듀서를 설계하기 위해서는 실험적인 방법이나 대수 계산을 통하여 기본적인 구조설계가 가능하지만 소재나 형상에 따른 구조의 최적화에는 도달할 수 없는 한계가 있다. 최근에는 FEM(finite element method, 유한요소법)에 기반한 상업적인 S/W를 활용함으로써 더 손쉽게 그 초음파 특성을 예측할 수 있다.
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참고문헌 (9)

  1. K. Cepni, "A methodology for designing tonpilz-type transducers", M. Sc. Thesis (Middle East Technical University, Turkey, 2011) p. 13. 

  2. Q. Yao and L. Bjorno, "Broadband tonpilz underwater acoustic transducers based on multimode optimization", IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 44 (1997) 1060. 

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  3. S. Chhith and Y. Roh, "Wideband tonpilz transducer with a void head mass", Proc. Sym. Ultrason. Electro. 30 (2009) 361. 

  4. S.-H. Jeong, W.-S. Hong, S.-H. Shim, Y.-J. Kim and S.-B. Lee, "Application of ultrasonic for agglomeration of fine soot particles", J. Kor. Soc. Combus. 8 (2003) 41. 

  5. J.A.G. Juarez, G.R. Corral and L.G. Garreton, "An ultrasonic transducer for high power applications in gases", Ultrasonics 16 (1978) 267. 

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  6. J.L. Butler, J.R. Cipolla and W.D. Brown, "Radiating head flexure and its effect on transducer performance", J. Acoust. Soc. Am. 70 (1981) 500. 

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  7. J. Kim, I. Kim and Y. Roh, "Design and fabrication of multi-mode wideband tonpilz transducers", J. Acous. Soc. Kor. 32 (2013) 191. 

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  8. J.-W. Seo, K. Choi and H.-Y. Lee, "Optimization of head mass for tonpilz transducer using finite element method", J. Korean Cryst. Growth Cryst. Technol. 25 (2015) 140. 

    원문보기 상세보기 crossref

  9. S. Zhang, F. Li, X. Jiang, J. Kim, J. Luo and X. Geng, "Advantages and challenges of relaxor-PT ferroelectric crystals for electroacoustic transducers - A review", Prog. Mater. Sci. 68 (2015) 1. 

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