A bond graph modeling approach which is equivalent to a finite element method is formulated in the case of the piezoelectric thickness vibrator. This formulation suggests a new definition of the generalized displacements for a continuous system as well as the piezoelectric thickness vibrator. The newly defined coordinates are illustrated to be easily interpreted physically and easily used in analysis of the system performance. Compared to the Mason equivalent circuit model, the bond graph model offers the primary advantage of physical realizability. Compared to circuit models based on standard discrete electrical elements, the main advantage of the bond graph model is a greater physical accuracy because of the use of multiport energic elements. While results are presented here for the thickness vibrator, the modeling method presented is general in scope and can be applied to arbitrary physical systems.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.20
no.2
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pp.144-151
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2015
The present study proposes a method for modeling a SONAR transducer with dual resonance. The Butterworth van-Dyke (BVD) model, a conventional SONAR transducer modeling method, can model only one resonance point. Hence, to address its disadvantage and to model the dual resonance, a dual resonance BVD model consisting of two serial BVD models is proposed. The two BVD models are connected in a series, and each simulate resonance at low frequency and high frequency, which allows the modeling of two resonance points. Eight elements compose the equivalent circuit by connecting the BVD models in a series, which is twice as great as that of the existing BVD model. The element value of the dual resonance BVD model is extracted by using the particle swarm optimization method. Analysis was also performed to identify the effects of changes in the value of elements that compose the equivalent circuit on the impedance characteristics of the equivalent circuit through simulation in which element values varied.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.10
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pp.2008-2017
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2002
Joint structure of a transducer horn-holder assembly fur a wire bonder was examined through FEM contact analysis. A three dimensional modeling and analysis was carried out to survey the internal physics of this structure and to prove the accuracy of a computation compared to a measurement. After validation, a simple two dimensional model was built fur various parametric study considering the efficiency and speed of the computation. Several factors such as boundary conditions, a modeling boundary, mesh density and so on, were considered to obtain consistency with three dimensional analysis. An arc angle and a position of each holder boss were chosen as design parameters. A design of experiment was applied to find out an optimized design of the holder geometry. As a result, a guideline for holder boss design was suggested and main factors and their influence on stress concentration in the transducer horn were surveyed.
Park, Joon-Soo;Kim, Hak-Joon;Song, Sung-Jin;Seong, Un-Hak;Kang, Suk-Chull;Choi, Young-Hwan
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.25
no.6
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pp.467-474
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2005
The expanded multi-Gaussian beam model has recently been developed that can calculate the radiation beam field from a single, rectangular transducer with great computational efficiency. In this study, this model is adopted to calculate the radiation beam field for a phased array transducer with various time delays to achieve steering and/or focusing. The calculation beam fields are compared to those obtained by well known Rayleigh-Sommerfeld integral that provides the exact solution in order to explore the validity of the expanded multi-Gaussian beam model And then, this study proposes a complete ultrasonic measurement model including the expanded beam model, far-field scattering model and system efficiency, Using the proposed model, phased array ultrasonic testing signals for a flat-bottomed hole with/without focusing were performed.
In this paper, the design of piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducer (pMUT) for wideband ultrasonic radiation in air was investigated. One of the methods to achieve wide frequency bandwidth in single device is modeling the transducer to multi-resonance system. The new pMUT was designed as a multi-resonance system with the addition of a suitable acoustic structure to the front and back of a thin film structure. A new pMUT consisting of thin film parts, radiation parts, and packaging parts is designed with a Lumped Parameter Model (L.P.M). Finally, it was validated as a Finite Element Method (FEM) simulation. The final designed pMUT achieved a frequency band of 102 kHz ~ 132 kHz (-3 dB).
In this paper, an estimation method is presented to determine the equivalent circuit model of an underwater acoustic piezoelectric transducer with multiple resonant modes. A fitness function that includes the coupled resonant effects is proposed to minimize an error between the measured impedance of the transducer and the calculated impedance of the equivalent model. Unknown parameters of the equivalent circuit are estimated by using PSO algorithm. The proposed method is applied to an example transducer of the sandwich type with 3 resonances in the frequency band of interest. The analytical impedance of the estimated equivalent circuit model is compared with the measured impedance of the transducer and the validity of proposed method is verified.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.13
no.11
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pp.38-45
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1996
In recent years, ultrasonic has been widely applied in measurement and industrial fields and its application range has been expanded as a result of continuous research and development. Wire Bonding Machine, an instrument fabricating semi-conductor, makes use of ultrasonic bonding method. Specially, the method utilizes the longitudinal vibration of ultrasonic transducer composed of piezoelectric vibrator and horn. This work investigates the design conditions affecting the dynamic characteristics through the theretical and experimental analysis. It conducts separately the system identification of piezoelectric vibrator in time domain and the modal analysis of horn in frequency domain. The integrated modeling is conducted via a combbination of dynamic identification of piezoelectric vibrator and theroretical analysis of horn. Then comparison is made for theroretical and experimental results of the dynamic characteristics of the ultrasonic transducer comprised of piezoelectric vibrator and horn. Form the results of the comparison we develop the design technique of ultrasonic transducer using dynamic characteristics analysis and propose the possibility of ultrasonic bonding considering the optimal conditions for the longitudinal vibration of ultrasonic transducer and other conditions.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2002.11b
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pp.705-710
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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 for the finite element modeling of magnetostrictive tonpilz transducers and for analyzing their acoustic characteristics. To take into account the nonlinearity of magnetostrictive materials, the magnetic field calculation is separated form the displacement calculation, and a curve fitting is adopted for the nonlinear behavior of the magnetic and mechanical strain fields. At first, the magnetic field is obtained by using a commercial FEM software and the displacement of the transducer is calculated by plugging the obtained magnetic field into forcing term. To verity the accuracy of the developed program, a comparison is made with a commercial code, ATILA.
The sensor response of a piezoelectric transducer embedded in a fluid loaded structure is modeled using a hybrid numerical approach. The structure is excited by an obliquely incident acoustic wave. Finite element modeling in the structure and fluid surrounding the transducer region, is used and a plane wave representation is exploited to match the displacement field at the mathematical boundary. On this boundary, continuity of field derivatives is enforced by using a penalty factor and to further achieve transparency at the mathematical boundary, drilling degrees of freedom (d.o.f.) are introduced to ensure continuity of all derivatives. Numerical results are presented for the sensor response and it is found that the sensor at that location is not only non-intrusive but also sensitive to the characteristic of the structure.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.20
no.12
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pp.1200-1209
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2010
The main subject of this paper is to develop analytic method with which output power or sensitivity variations of a magnetostrictive ultrasonic transducer can be estimated with no aid of experiments. After the bias magnetic field deployed over the patch is calculated using finite element analysis for magnetostatics, the representative value is extracted by averaging these field values. The operating point on the characteristic curve for magnetostriction is identified by this value and then the output performance is calculated from it. It is verified that the results from this simple model match well with those of its experimental version and some limits of this modeling technique are also considered.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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