New insights into the mechanical pre-stressing of piezotransducers

Abstract

Although pre-stressing is a requirement for the operation of a high-power piezo transducers, its impact on the model, the performance and the design of such devices is still not yet fully covered in the literature. This work attempts to bridge this gap by analyzing how the components of the Butterworth-Van Dyke model, the resonances, electrical impedances, electromechanical coupling factor, mechanical losses, and the tuning inductance are determined as a function of mechanical pre-stress. We have employed the Butterworth Van-Dyke model to study piezoelectric transducers tightened with a range of pre-stressing levels (12.2–60.1 MPa). As expected, the experimental results indicate that the components of the Butterworth-Van Dyke model are dependent upon the mechanical pre-stressing. The conclusions point out that, under mechanical pre-stressing levels between a threshold value and 60.1 MPa, the transducers used in this work tend to stabilize and enhance their performances. Also, upon stabilization, the transducers can be tuned with a constant inductance, which may also aid the design of ultrasonic systems. Overall, this work contributes to the definition of pre-stressing levels and its relationship with the length of the transducer, the mechanical losses, and the tuning.

Investigation of the equivalent circuit and performance of an ultrasonic transducer under a force load

“…Arnold and Mühlen [24] and Arnold and Martins [25] experimentally investigated the effect of prestress on the frequency of piezoelectric transducers and showed that prestress changes the frequency of a piezoelectric transducer by changing the state of the contact surface between the piezoelectric ceramic and the front and rear metal mass. The effect of prestress on the resonance frequency, electromechanical coupling coefficient, and elastic loss factor of the piezoelectric transducer was also investigated by modeling the relationship between prestress and the components of the piezoelectric transducer Butterworth-Van Dyke circuit model.…”

Análise de um amplificador classe B para cargas piezelétricas

“…Nessas condições o ramo mecânico assume um comportamento meramente resistivo. Quando o transdutor é sujeito a efeitos externos como variações da carga acústica (VERRATI et al, 2020;ARNOLD et al, 2021;SHUYU, 2005) A impedância elétrica total de TPL0 é dada pela Equação 3…”

“…A equação 3 mostra que a representação final do circuito da Figura 1 pode ser representada por um circuito em série composto por um componente resistivo e um componente imaginário. Outros estudos, (ARNOLD et al, 2021;KAUCSOR et al,2004), demonstram que efeitos externos ao transdutor podem promover variações na impedância do mesmo, a qual pode ser emulada por pequenos aumentos de R1 e C1. Estas variações resultam em uma diminuição da frequência de ressonância e a carga do amplificador tem um comportamento semelhante a um circuito série com componentes resistiva e indutiva.…”

“…Inicialmente foi montado no laboratório de Eletrônica da Faculdade de Tecnologia da Unicamp, um transdutor piezelétrico utilizado como carga, composto por duas peças de cerâmica piezelétrica e peças de alumínio. Uma descrição mais detalhada deste transdutor é mostrada em Arnold et al (2021). Usando-se um analisador de impedância HP4194A -Agilent, obteve-se a curva de impedância do transdutor em função da frequência.…”