Эталонная проверочная модель пьезоэлектрического преобразователя

07/09/2016

Пьезоэлектричество используется во многих современных устройствах. При их проектировании нужно быть уверенным в надёжности и корректности проведенных расчётов. Используя для моделирования программное обеспечение COMSOL Multiphysics®, можно быстро достичь высокоточных результатов. Для доказательства такого утверждения наша команда разработала бэнчмарк-модель пьезоэлектрического преобразователя.

Инновационная технология получения энергии с использованием пьезоэффекта

Представьте себе концепт умного пола, который генерирует электроэнергию за счет движения человека по нему. При ходьбе людей по дому вырабатывается определённое количество энергии, с помощью которой можно будет освещать дом и питать электрические приборы. В основе данной технологии лежит пьезоэлектрический эффект.

С момента открытия в 1880 году французскими физиками Жаком и Пьерром Кюри, пьезоэлектричество используется в различных областях, начиная от генерирования и измерения звука до создания больших напряжений. Также этот эффект можно наблюдать в кнопочных газовых грилях, в генераторах частоты в кварцевых часах и музыкальных инструментах.

Фотография пьезоэлектрического звукоснимателя на скрипке.

Пьезоэлектрический звукосниматель на скрипке. Автор изображения — Just plain Bill, собственное произведение. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons.

Для оптимизации конструкции подобных пьезоэлектрических устройств применяется численное моделирование. Программное обеспечение COMSOL Multiphysics предоставляет пользователям широкие возможности подобных точных расчётов.

Для демонстрации мы создали бэнчмарк-модель композитного пьезоэлектрического преобразователя. Ознакомление с ней будет особенно полезно тем, кто занимается моделированием ультразвуковых явлений, а также будет хорошим базовым примером для моделирования фильтров на поверхностных и объемных акустических волнах.

Анализ модели композитного пьезоэлектрического преобразователя в COMSOL Multiphysics®

Трёхмерная цилиндрическая модель пьезоэлектрического преобразователя состоит из пьезокерамического слоя, двух алюминиевых слоёв и двух адгезивных слоёв. Они расположены таким образом, что алюминиевые слои на концах соединены с пьезокерамическим слоем через два адгезивных слоя. Для уменьшения вычислительных ресурсов воспользуемся доступными симметриями. Для модели будем использовать сектор цилиндра с углом разворота в 10 градусов.

Устройство работает на переменном напряжении, которое прикладывается к поверхностям электродов с каждой стороны пьезокерамического слоя. Конкретно для нашего примера амплитудное значение напряжения 1 В, а частотный диапазон от 20 до 106 кГц. Задачей моделирования является расчёт комплексного адмиттанса в заданном диапазоне частот, который включает первые четыре основные собственные частоты устройства.

Первое исследование в модели — это расчёт собственных частот, а затем выполняется расчет в частотном диапазоне в окрестности первых четырёх собственных частот. Благодаря встроенному функционалу COMSOL Multiphysics можно одновременно рассчитывать механическую и электрическую подсистемы нашего устройства. Это не только увеличивает эффективность, но и способствует более точным расчётам.

На графике изображена вибрация на самой низкой собственной частоте
На графике изображена зависимость реактивной проводимости от частоты.

Слева: Первая собственная мода резонатора. Справа: График зависимости реактивной проводимости (мнимая часть адмиттанса) от частоты.

Давайте проанализируем результаты расчета. На левом графике выше изображена характерная мода вибраций пьезоэлектрического преобразователя на самой низкой собственной частоте, на правом — зависимость реактивной проводимости (мнимая часть адмиттанса) от частоты возбуждения. Эти результаты хорошо согласуются с теоретическими расчетами, представленными в статье "Finite Element Simulation of a Composite Piezoelectric Ultrasonic Transducer" (Конечно-элементное моделирование композитного пьезоэлектрического ультразвукового преобразователя, см. [1]). Обратите внимание, что, так как мы не учитывали демпфирование в расчёте, есть небольшое расхождение результатов в окрестности собственных частот. Однако, используя инстурменты COMSOL Multiphysics, также можно рассчитать эту модель с учётом демпфирования.

Улучшайте навык проектирования пьезоэлектрических устройств, используя COMSOL Multiphysics® и модуль MEMS

Функционал программного обеспечения COMSOL Multiphysics позволяет высокоточно проектировать пьезоэлектрические устройства. С помощью гибких настроек и расширенных возможностей вы будете всегда уверены в точных результатах расчёта пьезоэлектрических устройств. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с ресурсами, указанными ниже.

Узнайте больше о моделировании пьезоэлектрических устройств

Список литературы

  1. Y. Kagawa and T. Yamabuchi, "Finite Element Simulation of a Composite Piezoelectric Ultrasonic Transducer", IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, vol. SU-26, no. 2, pp. 81-88, 1979.

Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ