priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2025-68-4-333-341pribor-365Research ArticleМЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ, ВЕЩЕСТВ И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫMETHODS AND DEVICES FOR MONITORING AND DIAGNOSTICS OF MATERIALS, PRODUCTS, SUBSTANCES AND THE NATURAL ENVIRONMENTИсследование квазистатических колебаний пьезоэлектрического диска с использованием конечно-элементного моделирования и лазерной интерферометрииStudy of Quasi-static Vibrations of a Piezoelectric Disk Using Finite Element Modeling and Laser InterferometryБражниковА. М.BrazhnikovA. M.

Артём Максимович Бражников — аспирант; кафедра „Радиотехнические устройства“; инженер

Самара

Artem M. Brazhnikov — Post-Graduate Student; Department of Radio Engineering Devices; Engineer

Samara

ArtemBragnicov@yandex.ruГанигинС. Ю.GaniginS. Yu.

Сергей Юрьевич Ганигин — д-р техн. наук, профессор; кафедра „Радиотехнические устройства“; заведующийкафедрой

Самара

Sergei Yu. Ganigin — Dr. Sci., Professor; Department of Radio Engineering Devices; Head of the Department

Samara

ganigin.s.yu@yandex.ruСамарский государственный технический университетSamara State Technical University202507052025684333341Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20252025Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/365

Исследованы квазистатические колебания пьезоэлектрического диска с несколькими электродами с целью определения их оптимальной конфигурации при работе пьезоэлемента в составе устройства. Первым критерием оптимальности выступает величина осевых деформаций геометрического центра поверхности пьезо элемента. Вторым критерием выбрана величина напряжения отклика, снимаемая с электрода обратной связи пьезоэлемента. Построена конечно-элементная модель пьезоэлектрического преобразователя в программном продукте Ansys Workbench. Рассчитаны значения напряжения отклика и амплитуды осевых деформаций при различных конфигурациях электродов. Проведены экспериментальные исследования напряжения отклика при работе преобразователя на частоте резонанса 1200 Гц и на частоте много ниже частоты резонанса — при 300 Гц. С помощью методов лазерной интерферометрии экспериментально исследованы значения осевой деформации. Исследование деформации проводилось при частоте 400 Гц. Результаты моделирования и экспериментов показали сходные тенденции. Расхождение результатов моделирования с экспериментальными данными обусловлено отличием реальных значений пьезомодулей от справочных данных производителя. Полученные результаты позволяют сформулировать рекомендации по расположению и назначению электродов дисковых пьезоэлектрических преобразователей.

Quasi-static oscillations of a piezoelectric disk with several electrodes are studied in order to determine their optimal configuration during operation of the piezoelectric element as part of a device. The first criterion of optimality is the value of axial deformations of the geometric center of the piezoelectric element surface. The second criterion is the value of the response voltage taken from the feedback electrode of the piezoelectric element. A finite element model of the piezoelectric transducer is built in the Ansys Workbench software product. The values of the response voltage and the amplitude of axial deformations are calculated for various electrode configurations. Experimental studies of the response voltage at various frequencies of the transducer are carried out: at a resonance frequency of 1200 Hz and far from the resonance frequency at 300 Hz. Using laser interferometry methods, the values of axial deformation are experimentally studied at a frequency of 400 Hz. The results of modeling and experimental studies show similar trends. The discrepancy between the simulation results and the experimental data is due to the discrepancy between the actual values of the piezomodules and the manufacturer’s reference data. The results obtained allow us to formulate recommendations on the location and purpose of the electrodes of disk piezoelectric transducers.

пьезоэлектрический преобразовательконечно-элементное моделированиелазерная интерферометрияквазистатические колебанияпьезоэлементдеформацияpiezoelectric transducerfinite element modelinglaser interferometryquasi-static oscillationspiezoelectric elementdeformationReferencesIvina N. F. Analysis of the natural vibrations of circular piezoceramic plates with partial electrodes // Acoustical physics. 2001. Vol. 47, N 6. P. 417–420.Ivina N.F. Acoustical physics, 2001, no. 6(47), pp. 417–420.Krushynska A. et al. Mode excitation efficiency for contour vibrations of piezoelectric resonators // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2011. Vol. 58, N 10. P. 2222–2238.Krushynska A. et al. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2011, no. 10(58), pp. 2222–2238.Kim D. J., Oh S. H., and Kim J. O. Measurements of Radial In-plane Vibration Characteristics of Piezoelectric Disk Transducers // Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering. January 2015. Vol. 25. P. 13–23. DOI:10.5050/KSNVE.2015.25.1.013.Kim D.J., Oh S.H., and Kim J.O. Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 2015, no. January(25), pp. 13–23. DOI:10.5050/KSNVE.2015.25.1.013Yu-Hsi Huang. Electromechanical coupling efficiency of transverse vibration in piezoelectric plates according to electrode configuration // Journal of the Chinese Institute of Engineers. 2013. Vol. 36. P. 842–855.Yu-Hsi Huang, Journal of the Chinese Institute of Engineers, 2013, vol. 36, рр. 842–855.Pan Ch., Xiao G., Feng Z., Liao W.-H. Electromechanical characteristics of discal piezoelectric transducers with spiral interdigitated electrodes // Smart Materials and Structures. 2014. Vol. 23, N 12. DOI 10.1088/0964-1726/23/12/125029.Pan Ch., Xiao G., Feng Z., Liao W.-H. Smart Materials and Structures, 2014, no. 12(23), DOI 10.1088/0964- 1726/23/12/125029.Lin Y.-C. and Ma C.-C. Experimental Measurement and Numerical Analysis on Resonant Characteristics of Piezoelectric Disks with Partial Electrode Designs // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2004. Vol. 51. P. 937–947.Lin Y.-C. and Ma C.-C. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2004, vol. 51, рр. 937– 947.Carbonari R. C., Silva E. C. N., and Nishiwaki S. Optimum placement of material in piezoactuator design // Smart Materials and Structures. 2007. Vol. 16, N 1. P. 207–220.Carbonari R.C., Silva E.C.N., and Nishiwaki S. Smart Materials and Structures, 2007, no. 1(16), pp. 207–220.Кандауров А. А. Моделирование поверхностных колебаний пьезоэлектрических резонаторов // Ползуновский вестник. 2008. № 4. С. 100–104.Kandaurov A.A. Polzunovsky Vestnik, 2008, no. 4, pp. 100–104. (in Russ.)Deferrari H. A., Darby R. A. and Andrews F. A. Vibrational displacement and mode-shape measurement by a laser interferometer // The Journal of the Acoustical Society of America. 1967. Vol. 42, N 5. P. 982–990.Deferrari H.A., Darby R.A. and Andrews F.A. The Journal of the Acoustical Society of America, 1967, no. 5(42), pp. 982–990.Barbosa Fr. A. A., Nader G., Higuti R. T. A simple interferometric method to measure the calibration factor and displacement amplification in piezoelectric flextensional actuators // Sba Controle & Automação Sociedade Brasileira de Automatica. Dec. 2010. P. 577–587. DOI:10.1590/S0103-17592010000600003.Barbosa F.A.A., Nader G., Higuti R.T. Sba Controle & Automação Sociedade Brasileira de Automatica, 2010, Dec., рр. 577–587, DOI:10.1590/S0103-17592010000600003.Электрофизические параметры пьезокерамических материалов компании Аврора-ЭЛМА [Электронный ресурс]: https://avrora-elma.ru/upload/iblock/50b/wjjf2umpnkgxsurrki9zeal7ox2coe6z.pdf . (20.09.2024).https://avrora-elma.ru/upload/iblock/50b/wjjf2umpnkgxsurrki9zeal7ox2coe6z.pdf. (in Russ.)Lin Hsien-Yang, Huang Jin H., Ma Chien-Ching. Vibration Analysis of Piezoelectric Materials by Optical Methods // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2002. Vol. 49, N 8. P. 1139 –1149. DOI: 10.1109/TUFFC.2002.1026026.Lin Hsien-Yang, Huang Jin H., Ma Chien-Ching, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2002, no. 8(49), pp. 1139–1149, DOI: 10.1109/TUFFC.2002.1026026.Colcheroa L., Colcheroa J., Go´mez H. J., Prietob E., Baro A., Huanga W. H. Comparison of strain gage and interferometric detection for measurement and control of piezoelectric actuators // Materials Characterization. 2002. Vol. 48, N 2-3. P. 133–140. DOI:10.1016/S1044-5803(02)00191-2.Colcheroa L., Colcheroa J., Go´mez Herreroa J., Prietob E., Baro A., Huanga W.H. Materials Characterization, 2002, no. 2-3(48), pp. 133–140, DOI:10.1016/S1044-5803(02)00191-2.Libbrecht K. G., Black E. D. A Basic Michelson Laser Interferometer for the Undergraduate Teaching Laboratory Demonstrating Picometer Sensitivity // American Journal of Physics. 2015. Vol. 83, N 5. P. 409–417. DOI: 10.1119/1.4901972.Libbrecht K.G., Black E.D. American Journal of Physics, 2015, no. 5(83), pp. 409–417, DOI: 10.1119/1.4901972.Pisani M. A homodyne Michelson interferometer with sub-picometer resolution // Measurement Science and Technology. 2009. Vol. 20, N 8. Р. 084008. DOI:10.1088/0957-0233/20/8/084008.Pisani M. Measurement Science and Technology, 2009, no. 8(20), pp. 084008, DOI:10.1088/0957-0233/20/8/084008.Ma C. C., Huang C. H. The investigation of threedimensional vibration for piezoelectric rectangular parallelepipeds using the AF-ESPI method // I IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2001. Vol. 48, N 1. P. 142–153. DOI:10.1109/58.895923.Ma C.C., Huang C.H. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2001, no. 1(48), pp. 142–153, DOI:10.1109/58.895923.Кирьянов В. П., Коронкевич В. А. Лазерные интерферометры перемещений // Автометрия. 1998. № 6. С. 65–84.Kiryanov V.P., Koronkevich V.P. Avtometriya, 1998, no. 6, pp. 65–84. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.