Bezverkhy O., Zinchuk L., Karlash V. Modeling and experimental verification of the thin multi-electrode piezoceramic bars’ forced vibrations

Modeling and experimental verification of the thin multi-electrode piezoceramic bars' forced vibrations
Bezverkhy O., Zinchuk L., Karlash V.
S. P. Timoshenko Institute of Mechanics, The National Academy of Sciences of Ukraine
3, Nesterov str., 03057, Kyiv, Ukraine
This paper is devoted to analysis of the multi-electrode piezoceramic bars' forced vibrations. Analytical model is built for a thin and narrow piezoelectric ceramic bar with three pairs of divided electrodes on the upper and lower main surfaces. The formulae for input admittance, characteristic (resonant and anti-resonant) frequencies as well as for transform ratio are obtained. The fundamental modes of vibrations of thin piezoelectric bar and their odd and even overtones are studied. A new experimental simple technique with additional commutation permits to study many resonators' parameters: admittance, impedance, phase angles, power components etc. Experiments have been carried out with TsTBS-3 bar-prism $70.3\times8.1\times6.8/7.1$ mm size. It is established that a high electromechanical coupling may be obtained for bar's longitudinal overtones by means of the electrode coating dividing and anti-phase electrical loading. In partly shorted electrodes case, not only odd but even longitudinal modes can be induced, which are absent for full electrodes case.
Keywords: multi-electrode piezoceramic bar, forced vibrations, electromechanical coupling, input admittance, transformation ratio.
2000 MSC: 74-05, 74F15, 74H45
Моделювання й експериментальна верифікація вимушених коливань тонких багатоелектродних п'єзокерамічних стрижнів
Безверхий О. І., Зінчук Л. П., Карлаш В. Л.
Інститут механіки ім. С. П. Тимошенка НАН України
вул. Несторова, 3, 03057, Київ, Україна

Проаналізовано вимушені коливання багатоелектродних п'єзокерамічних стрижнів. Побудовано аналітичну модель для тонкого й вузького п'єзокерамічного стрижня з трьома парами розділених електродів на горішній і нижній основних поверхнях. Отримано формули вхідного адмітансу, характеристичних (резонансних і антирезонансних) частот, а також коефіцієнтів трансформації. Досліджувались основні моди коливань і їхні парні та непарні обертони. Нова проста експериментальна методика з додатковою комутацією дає змогу вивчати багато параметрів резонатора: адмітанс, імпеданс, фазові кути, компоненти потужності тощо. Експерименти велися із стрижнями-призмами розміром $70.3times8.1\times6.8/7.1$ мм із кераміки ЦТБС–3. Встановлено, що високий електромеханічний зв'язок на обертонах поздовжніх коливань стрижня можна отримати через розділення електродного покриття і протифазного електричного навантаження. У разі коротко замкнутих окремих електродів можуть збуджуватися не тільки непарні, а й парні поздовжні моди, яких за суцільних електродів немає.
Ключові слова: багатоелектродний п'єзокерамічий стрижень, вимушені коливання, електромеханічний зв'язок, вхідна провідність, коефіцієнт трансформації.
УДК: 534.1:537.226.86:539.3
Кількість посилань: 18.