Kim, Jin-Wook;Kim, Won-Ho;Joh, Chee-Young;Roh, Yong-Rae
The Journal of the Acoustical Society of Korea
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v.29
no.7
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pp.439-447
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2010
In this paper, the resonant characteristic of a Tonpilz transducer with a fixed tail mass has been researched and the feasibility to utilize the transducer in that resonant frequency has been analyzed. The additional resonance is occurred by adhering an elastic tube to the tail mass of a conventional Tonpilz transducer and fixing the other end of the tube. The characteristic of this low resonant mode is analyzed by means of the finite element method, then it is shown that this mode is affected by the variation of the stiffness of the tube as well as the mass of the head mass and tail mass. Based on the analysis results, the Tonpilz transducer is designed to meet specific performance conditions.
The radiation property of a Tonpilz transducer is influenced by the structural variables of the transducer. In this study, with respect to a single mode Tonpilz transducer, the radiation patterns were calculated for different head mass geometries of the same effective radiation area. The shapes of the head mass analyzed were the most popular circular, regular triangular, square, regular hexagonal and regular octagonal types, and radiation pattern equations were derived for each of the head mass shapes. Based on the derived equations, radiation patterns in accordance with the shape and size of the head mass were calculated and the results were compared with each other. Validity of the calculation results were confirmed by means of finite element analysis.
Typical underwater acoustic transducers detect only the magnitude of an acoustic pressure and they have the limitation of not being able to recognize the direction of the sound signal. Hence, the authors of this paper proposed a new vector sensor structure based on Tonpilz transducers that could detect both the magnitude and the direction of a sound pressure. In the proposed structure, the piezoceramic ring was divided into four segments, and proper combination of the output voltages of the segments in response to the external sound pressure could provide the information on the orientation of the sound source. In this paper, a Tonpilz transducer has been fabricated to have the proposed structure and its characteristics has been measured to confirm the validity of the proposed structure.
In this work, we present an underwater acoustic transducer with a cavity-type head mass to achieve a wide frequency bandwidth. We analyzed the effects of design variables on the transducer characteristics, and optimized the structure of the Tonpilz transducer based on the analysis results. Further, validity of the design was verified by manufacturing a prototype of the transducer and measuring its properties. The designed transducer had a far wider -6 dB fractional bandwidth which is 131 % than that of a single mode transducer, and the measured results were confirmed to be in good agreement with the analysis results.
Proceedings of the Acoustical Society of Korea Conference
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1997.06a
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pp.53-56
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1997
Tonpilz 압전변환기에 관하여 유한요소법을 사용하여 공기중의 동특성 해석과 수중의 방사임피던스를 해석하였다. 공기중에서 트랜스듀서의 구조를 변화시키면서 입력 어드미턴스 특성과 진동모드를 해석하여 압전변환기를 모델링하였다. 음향 윈도우를 압전변환기 전면에 부착한 후 유한요소법(FEM)에 의하여 매질의 영향을 고려한 입력어드미턴스 특성을 해석하였으며, 또한 방사임피던스 계산 루틴을 추가하여 무한 배플의 경계조건하에서 방사 임피던스를 해석하였다. 공기중과 수중에서의 해석을 통하여 Tonpilz 압전변환기 단일 소자의 구조 변경 및 기계 부재의 추가등에 따라 변동하는 변환기의 특성 및 방사 임피던스를 해석하므로서 평면 배열형 음향 트랜스듀서의 설계에 필요한 파라메터를 구할 수있다.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2002.11a
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pp.370.2-370
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2002
Magnetostrictive materials are used low-frequency sonar transmitter instead of piezoelectric materials. But it is difficult to analyze due to the nonlinearity and hysteresis of magnetostrictive materials. This paper deals with the program development based on finite element method to model the magnetostrictive tonpilz transducers and to analyze their acoustic characteristics. (omitted)
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.26
no.6
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pp.252-257
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2016
Dust-collecting behavior of tonpilz transducer was simulated with finite-element-method (FEM) software. In order to optimize the performance of tonpilz transducer, the shape factors including the thickness of head mass, the diameter of tail mass and the depth of bolt were analyzed as variables. As a vibrating energy source, the piezoelectric materials was also tested with PZT-4 and two kinds of piezoelectric single crystals. The output power of the transducer was maximized with the shape factors and then the behavior of the dust-collection was demonstrated with the multi-physics software, COMSOL.
Kim, Jin-Wook;Kim, Won-Ho;Joh, Chee-Young;Roh, Yong-Rae
The Journal of the Acoustical Society of Korea
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v.30
no.6
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pp.344-352
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2011
In this paper, the resonant characteristic of a Tonpilz transducer with a fixed tail mass has been studied by means of an equivalent circuit approach. An equivalent circuit has been designed to describe the characteristic of a Tonpilz transducer that has an additional resonance because of its fixed tail mass. The transmitting voltage response of the transducer calculated by the designed circuit has been compared with that by the FEA (finite element analysis) to confirm the validity of the circuit. This equivalent circuit approach produces identical results with the FEA, in which the variation of resonant frequencies and TVR has been clearly figured out in relation to the stiffness of the mounting fixture and the mass of the tail mass. The suggested equivalent circuit can be utilized to figure out the characteristics of the Tonpilz transducer more efficiently than FEA that requires much calculation time and revision of the models in accordance with the variation of design variables.
In this paper, we designed a wideband Tonpilz transducer, and verified the validity of the design through experiments. The wide frequency bandwidth was achieved by coupling the fundamental longitudinal mode of the transducer with a flapping mode of the head mass. Structure of the Tonpilz transducer was optimized by means of the finite element method and genetic algorithm to achieve the widest fractional bandwidth under design constraints. The optimized structure showed a far wider -6 dB fractional bandwidth of transmitting responses than that of single mode transducers. For verification of the design result, we manufactured a transducer prototype of the designed structure and characterized its performance, which showed good agreement with the design results.
Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology
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v.26
no.4
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pp.139-144
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2016
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 of the stack number was also investigated. Finally, if the piezoelectric ceramics were changed to a piezoelectric single crystal having high piezoelectric constants, how the performances especially, the output power and the TVR transmittance were affected was simulated by FEM. As a result, the output of transducer could be increased to 10 times of PZT-4 with replacement of relaxor single crystal of the same size.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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