Performance comparison of 2-1-3, 1-3 and 1-3-2 piezoelectric composite transducers by finite element method

Abstract

1-3 type, 1-3-2 type and 2-1-3 type piezoelectric composites are three proper smart materials for the design and manufacture of ultrasonic transducers. They have been proposed in different stages but possess similar properties. Compared with the initial 1-3 type composite, 1-3-2 composite is of higher mechanical stability. Compared with 1-3-2 composite, 2-1-3 composite has lower manufacturing difficulty. In this paper, a comparative study on these three composites in terms of receiving transducer material properties is presented. Finite element method (FEM) has been adopted to calculate longitudinal velocity, thickness electromechanical coupling coefficient and voltage receiving sensitivity. It is concluded that for a large aspect ratio α = 1, the performance of 2-1-3 composite transducer is much better than that of 1-3 and 1-3-2 composite transducers. The thickness electromechanical coupling coefficient of 2-1-3 composite transducer is about 5.58 times that of 1-3 composite transducer and 7.42 times that of 1-3-2 composite transducer. The voltage receiving sensitivity at 2 kHz of 2-1-3 composite transducer is 13.1 dB higher than that of 1-3-2 composite transducer and 12.3 dB higher than that of 1-3 composite transducer.

П’єзоелектричнi композити типу 1-3, 1-3-2 i 2-1-3 — це три вiдповiднi розумнi матерiали для конструювання та виробництва ультразвукових перетворювачiв. Вони запропонованi для використання в рiзних каскадах, але володiють подiбними властивостями. Композит 1-3-2 володiє вищою механiчною стiйкiстю у порiвняннi з композитом типу 1-3. Композит 2-1-3 легший у виробництвi у порiвняннi з композитом 1-3-2. У цiй статтi представлено порiвняльне дослiдження цих трьох композитiв з огляду на властивостi матерiалу приймального перетворювача. Метод скiнченних елементiв (МСЕ) застосовано для обчислення поздовжньої швидкостi, товщинного коефiцiєнта електромеханiчного зв’язку та напругової чутливостi прийому. Зроблено висновок, що при великому вiдношеннi сторiн α = 1, ефективнiсть композитного перетворювача значно краща, нiж характеристики композитних перетворювачiв 1-3 i 1-3-2. Товщинний коефiцiєнт електромеханiчного зв’язку композитного перетворювача 2-1-3 приблизно у 5.58 разiв бiльший за коефiцiєнт композитного перетворювача 1-3 та у 7.42 разiв бiльший за коефiцiєнт композитного перетворювача 1-3-2. Напругова чутливiсть прийому при 2 кГц композитного перетворювача 2-1-3 на 13.1 дБ вища за напругову чутливiсть композитного перетворювача 1-3-2 та на 12.3 дБ вища за напругову чутливiсть композитного перетворювача 1-3.