Preview

Вестник Донского государственного технического университета

Расширенный поиск

Влияние геометрических и физических параметров на резонансные частоты ультразвуковых колебаний системы упругих и пьезоэлектрических элементов

https://doi.org/10.23947/1992-5980-2017-17-4-5-13

Полный текст:

Аннотация

Введение. Исследованы резонансные частоты продольных колебаний системы, состоящей из цепочки разных по геометрическим и физическим параметрам элементов: пьезокерамического, упругих и акустического. Проведено сравнение результатов в пакетах COMSOL и ACELAN. Оценена зависимость значения первой собственной частоты от геометрических параметров. Исследовано влияние динамической вязкости на АЧХ продольных колебаний. Материалы и методы. Для исследования выбрана система упругих и акустических элементов, позволяющая описывать работу ультразвукового режущего устройства. Возбудителем колебаний выступает пьезокерамический преобразователь, совершающий колебания по толщине. Концентратор колебаний и стержневой элемент принимаются в качестве упругих элементов и выполнены из нержавеющей стали. Имитатором режущего элемента выступает акустическая жидкость. Проведен модальный и гармонический анализ сложной системы, состоящей из разных по физическим свойствам элементов. Результаты исследования. Построены осесимметричная и трехмерная конечноэлементные модели исследуемой системы. Для концентратора колебаний предложены различные виды кривизны и толщины звена с изменяемой формой поверхности. Получены первые собственные частоты продольных колебаний стержневого элемента, контактирующего с акустической жидкостью. Установлено хорошее согласие с результатами работы конечноэлементного пакета ACELAN. Получены амплитудно-частотные характеристики колебаний концевой части вблизи первой резонансной частоты. Отмечено, что вязкость акустической среды мало влияет на амплитуду колебаний упругого стержня и совсем не влияет на резонансную частоту. Обсуждение и заключения. Гармонический и модальный анализ показал, что высокочастотные продольные колебания стержневого элемента значительно зависят от тангенса угла потерь упругих элементов и слабо зависят от вязкости контактирующей акустической среды. Полученные результаты могут представлять интерес при конструировании ультразвуковых режущих медицинских приборов.

Об авторах

Александр Сергеевич Скалиух
Южный федеральный университет
Россия


Татьяна Евгеньевна Герасименко
Южный федеральный университет
Россия


Павел Артурович Оганесян
Южный федеральный университет
Россия


Анна Аркадиевна Соловьева
Южный федеральный университет
Россия


Список литературы

1. Лощилов, В. И. К вопросу о механизме ультразвуковой резки биологических тканей / В. И. Лощилов, С. М. Волков // Труды МВТУ. - 1973. - № 165. - С. 29-33.

2. Акопян, В. Б. Ультразвук в медицине, ветеринарии и биологии / В. Б. Акопян, Ю. А. Ершов ; под ред. С. И. Щукина. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва : Юрайт, 2017. - 223 с. - (Университеты России).

3. Дубровский, В. И. Биомеханика / В. И. Дубровский, В. Н. Федорова. - Москва : ВЛАДОС-пресс, 2003. - 672 с.

4. Carovac, A. Application of Ultrasound in Medicine / A. Carovac, F. Smajlovic, D. Junuzovic // Acta Informatica Medica. - 2011. - № 19 (3). - P. 168-171.

5. Dong, S. Review on piezoelectric, ultrasonic, and magnetoelectric actuators / S. Dong // Journal of Advanced Dielectrics. - 2012. - Vol. 2, № 1. - P. 1230001-1230019.

6. Liu, D.-K.-C. A brief review of actuation at the micro-scale using electrostatics, electromagnetics and piezoelectric ultrasonics / D.-K.-C. Liu, J. Friend, L. Yeo // Acoustical Science and Technology. - 2010. - № 31 (2). - P. 115-123.

7. Skaliukh, A. The general theory of polarization of ferroelectric materials / A. Skaliukh, G. Li // Advanced Materials. Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications. - Cham : Springer, 2015. - Vol. 28. - P. 393-412.

8. Vykhodtseva, N. I. Pulse duration and peak intensity during focused ultrasound surgery: theoretical and experimental effects in rabbit brain in vivo / N. I. Vykhodtseva, K. Hynynen, C. Damianou // Ultrasound in medicine & biology. - 1994. - Vol. 20, is. 9. - P. 987-1000.

9. Duck, F.-A. Physical properties of tissue: a comprehensive reference book / F.-A. Duck. - London : Academic Press, 1990. - 336 p.

10. Белоконь, А. В. Новые схемы конечноэлементного динамического анализа пьезоэлектрических устройств / А. В. Белоконь, А. В. Наседкин, А. Н. Соловьев // Прикладная математика и механика. - 2002. - Т. 66, № 3. - С. 491-501. References


Для цитирования:


Скалиух А.С., Герасименко Т.Е., Оганесян П.А., Соловьева А.А. Влияние геометрических и физических параметров на резонансные частоты ультразвуковых колебаний системы упругих и пьезоэлектрических элементов. Вестник Донского государственного технического университета. 2017;17(4):5-13. https://doi.org/10.23947/1992-5980-2017-17-4-5-13

For citation:


Skaliukh A.S., Gerasimenko T.E., Oganesyan P.A., Solovieva A.A. Effect of geometric and physical parameters on resonant frequencies of ultrasonic vibrations of elastic and piezoelectric element system<. Vestnik of Don State Technical University. 2017;17(4):5-13. (In Russ.) https://doi.org/10.23947/1992-5980-2017-17-4-5-13

Просмотров: 84


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1992-5980 (Print)
ISSN 1992-6006 (Online)