Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.3
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pp.301-312
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2009
This paper presents a theoretical approach to calculate the resonant frequency of a thickness vibration mode in the radial direction for a 1-3 piezoelectric composite transducer of circular arch shape. For the composite transducer composed of a piezoelectric ceramic and a polymer, vibration parameters were derived according to the volume ratio of a ceramic, and a vibration characteristic equation was derived from the piezoelectric governing equations with adequate boundary conditions. The fundamental resonant frequencies were calculated numerically and verified by comparing them with those obtained from the finite element analysis and the experiment. The volume ratio and the thickness are more substantial than the curvature radius to determine the fundamental resonant characteristics, and the fundamental resonant frequency becomes higher for the larger volume ratio of the piezoelectric ceramic and for the smaller thickness.
This study was conducted to develop an non-contact ultrasonic transducer for measurement of fruit firmness. The center frequency of non-contact ultrasonic transducer was 500 kHz. As an active element of non-contact ultrasonic transducer, the 1-3 piezoelectric composite material was selected. That material has high piezoelectric properties such as electro-mechanical coupling factor, $k_t$ and piezoelectric voltage constant, $d_{33}$ and also that material has low acoustical impedance which enables to matching the acoustical impedances between piezoelectric material and air. As a front matching material between 1-3 piezoelectric composite material and air, various kinds of paper with different thickness were tested. To control the dead-zone of the fabricated non-contact ultrasonic transducer, the backing material composed of epoxy resin and tungsten powder were made and evaluated. The fabricated non-contact ultrasonic transducer for fruit showed that the cneter frequency, bandwidth and beamwidth were approximately 480 kHz, 30 % and 12 mm, respectively. It was concluded that non-contact measurement of apple firmness would be possible by using the fabricated non-contact ultrasonic transducer.
A composite piezoelectric ceramic transducer is fabricated with three piezoelectric ceramic disk vibrators and two sheets of thin insulator. Its equivalent circuit is derived from the Mason's model of a thickness-driven piezoelectric vibrator. When the electric input near its fundamental resonance frequency is applied to the center vibrator and the output voltages across the left and the right vibrators are connected in series to the resistor loads, the load characteristics at resonance frequencies under the various resistor loads and the frequency characteristics near the resonance frequency without load are investigated. Furthermore, symbolic expressions for input impedances, voltage ratios, resonance frequencies, and bandwidths are derived. The data calculated from those symbolic expressions are agreed well with the measurement data.
In this study, the piezoelectric ceramics/polymer composite transducers with 1-3 connectivity have been studied. A piezoelectric ceramics PZT prepared by Wet-Dry Combination method was used as a filler in polymer matrix Eccogel. We've got the pulse-echo response for 1-3 type piezc-electric composite transducers in water. It was shown that the transmitting and receiving sensitivity of 1-3 type piezoelectric composite transducers could be improved in comparison with that- of solid PZT transducers. The reason is for that 1-3 type Piezoelectric composites have low dielectric constant and density. There was in a good agreement between the resonant frequencies calculated from one period and observed results on the Ultrasonic Transducer Analyzer. According to these results we could be figured out the distance in water by virture of the pulse-echo response.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.18
no.4
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pp.424-431
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2008
Recently, it is required that acoustic transducers for underwater detection and communication sensor have wide bandwidth and low operating frequency. In this research, the new acoustic transducer is proposed. This transducer is tonpilz type, and made of 1-3 piezoelectric composites as a driving parts. The developed transducer is evaluated the TVR(transmission voltage response) and RVS(receiving voltage sensitivity) characteristics around $4{\sim}14\;kHz$ frequency range and is compared to conventional tonpilz transducer made of solid piezoelectric ceramics as a driving parts. The resonance frequency of the developed transducer is decreased by 30% and the -3 dB bandwidth is increased by 90%, compared to conventional transducer with same dimensions. The value of TVR is decreased by 9 dB and The value of RVS is the same at resonance frequency.
Jo, Hyeon-Cheol;Lee, Gi-Seong;Choe, Heon-Il;Sa, Gong-Geon
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers C
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v.48
no.6
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pp.456-461
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1999
In this study, the characteristics of Ultrasonic Transducer fabricated with PZT-Polymer 1-3 type piezoelectric ceramic/polymer composite are investigated. 3-D underwater object restoration using the self-made ultrasonic transducer and modified SCL(Simple Competitive Learning) neural network was presented. The ultrasonic transducer was satisfied with the required condition of commerical ultrasonic transducer in underwater. The modified SCL neural network using the acquired object data $16\times16$ low resolution image was used for object restoration of $32\times32$ high resolution image. The experimental results have shown that the ultrasonic transducer fabricated with PZT-Polymer 1-3 type piezoelectric ceramic/polymer composite could be applied for SONAR system.
The radial vibration behaviors of a circular cylindrical composite piezoelectric transducer (CPT) are investigated. The CPT is composed of a piezoelectric ring polarized in the radial direction and an elastic ring graded in power-law variation form along the radial direction. The governing equations for plane stress state problem under the harmonic excitation are derived and the exact solutions for both piezoelectric and functionally graded elastic rings are obtained. The characteristic equations for resonant and anti-resonant frequencies are established. The presented methodology is fit to carry out the parametric investigation for composite piezoelectric transducers (CPTs) with arbitrary thickness in radial direction. With the aid of numerical analysis, the relationship between the radial vibration behaviors of the cylindrical CPT and the material inhomogeneity index of the functionally graded elastic ring as well as the geometric parameters of the CPTs are illustrated and some important features are reported.
The pulse-echo response of the piezoceramics PZT-polymer 3-3 type composite transducers with various PVA additions were investigated. The PZT powder was prepared by the molten salt synthesis method. The porous PZT specimens will be used as a filler to make 3-3 type comosite were prepared from a mixture of PZT and polyvinylalcohol(PVA) sphere by utilizing BURPS(Bumout Plastic Sphere) technique. It was shown that the transmitting and receiving sensitivity of 3-3 type piezoelectric composite transducers could be improved than that of solid PZT transducers. The reason is that 3-3 type piezoelectric composite have low dielectric constant, density and acoustic impedance. The distance between transducer and reflector was in good agreement with the distance calculated from the longitudinal velocity of the specimens and receiving time observed pulse-echo responses on the ultrasonic transducer analyzer.
In this study, the piezoelectric transducers with 1-3 connectivity have maded. A piezoelectric ceramic PZT prepared by Wet-Dry Combination method is used as a filler in Eccogel polymer matrix. The pulse-echo response for 1-3 type composite transducers were carried out in water. It was observed that the transmitting and receiving sensitivity of 1-3 type composite transducers were improved in comparison with that or solid PZT transducer. The reason is for that 1-3 composites have a hish piezoelectric voltage coefficients, The period of pulse-echo response for the transducer is in a good agreement with the resonant frequency of self-maded composite transducer.
PZT powders were prepared by the molten salt synthesis method. The porous PZT ceramics were made from a mixture of PZT and polyvinylalcohol(PVA) by BURPS(Bumout Plastic Sphere) technique. The 3-3 type composites were fabricated by impregnating an sintered porous PZT ceramics with various polymer matrices. The relative permittivity of 3-3 type composite specimens was shown 860-1,100 smaller than that of solid PZT ceramics(2,100), and the dissipation factors of composite specimens were about 0.02 to 0.03. The piezoelectric coefficient d$_{33}$ of composite specimens(285-328*10$^{12}$ C/N) was comparable with that of single phase PZT specimens(364*10$^{-12}$ C/N). The thickness mode coupling factor k$_{t}$(O.5-0.6) of composite specimens was comparable with that of single phase PZT specimens(k$_{t}$-0.7), and the mechanical quality factor of composite specimens was smaller than 10, and thus these 3-3 type composite specimens would be believed as a good candidates for broad band transducer applications.ons.
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