مدل‌سازی و شبیه‌سازی سرکوب هارمونیک‌های ناخواسته در مبدل‌های پیزوالکتریک با استفاده از بلورهای فونونیک

پذیرفته شده برای پوستر
کد مقاله : 1013-ISAV2025 (R1)
نویسندگان
1کارمند
2ندارد
چکیده
رزوناتورهای پیزوالکتریک از اجزای بنیادی در مبدل‌های فراصوتی هستند و نقش حیاتی در تعیین عملکرد کلی این تجهیزات در گستره وسیعی از کاربردها، از جمله تصویربرداری پزشکی، فیزیوتراپی درمانی و حسگری زیرآبی ایفا می‌کنند. مُدهای ارتعاش مکانیکی رزوناتورهای پیزوالکتریک در فرکانس‌های تشدید، از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند، زیرا به‌طور مستقیم بر بازده، حساسیت و وضوح سیگنال مبدل‌های فراصوتی تأثیر می‌گذارند. هندسهٔ رزوناتور، مانند ضخامت، قطر و شکل آن، و همچنین پارامترهای ابعادی، رفتار نوسانی را در فرکانس‌های مشخص کنترل می‌کنند. این رفتار عمدتاً ناشی از کوپل‌شدن و برهم‌کنش مُدهای مختلف ارتعاش کانتوری است که شامل مُدهای ضخامت، شعاعی و برشی می‌شوند. با این حال، مُدهای ارتعاشی ناخواسته، به‌ویژه مُدهای برشی و شعاعی، می‌توانند با ارتعاش مطلوبِ پیستونی‌مانند تداخل ایجاد کرده، بازده آکوستیکی مبدل را کاهش داده و کیفیت سیگنال را تضعیف کنند.

برای مقابله با این چالش‌ها، بلورهای فونونیک به‌عنوان راه‌حلی امیدبخش مطرح شده‌اند. بلورهای فونونیک ساختارهای دوره‌ای مهندسی‌شده‌ای هستند که به‌منظور کنترل انتشار امواج الاستیک از طریق سازوکارهایی مانند پراکندگی و تداخل طراحی می‌شوند. در این مطالعه، یک ساختار بلور فونونیک با ایجاد آرایه‌ای دوره‌ای از حفره‌های دایره‌ای که در یک شبکهٔ مثلثی و در امتداد محور قطبش تشدیدی رزوناتور پیزوالکتریک چیده شده‌اند، توسعه داده شده است. این اصلاح در ساختار داخلی رزوناتور، به‌طور مؤثری انتشار موج را تغییر می‌دهد و در نتیجه، الگوی ارتعاشی پیستونی‌مانندی ایجاد می‌کند که ضمن سرکوب مُدهای برشی نامطلوب، ارتعاشات در راستای ضخامت را تقویت می‌کند. این پالایش انتخابی مُدها، به‌طور قابل‌توجهی دامنهٔ ارتعاش مکانیکی را گسترش داده و خروجی آکوستیکی مبدل را بهبود می‌بخشد.

مدل پیشنهادی با استفاده از شبیه‌سازی‌های روش اجزای محدود (FEM) توسعه داده شده است که نشان می‌دهد ساختار بلور فونونیک، انتشار مؤثر امواج پیستونی‌مانند را تقویت کرده و در عین حال، اعوجاج‌های هارمونیکی ناخواسته را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. این نتایج حاکی از آن است که ساخت یک نمونهٔ آزمایشی بر پایهٔ این طراحی می‌تواند نقش مهمی در پیشرفت مبدل‌های پیزوالکتریک با کارایی بالا برای کاربردهای فیزیوتراپی درمانی ایفا کند؛ کاربردهایی که در آن‌ها گسیل دقیق و کنترل‌شدهٔ امواج فراصوت برای درمان مؤثر ضروری است.
کلیدواژه ها
 
Title
Suppression of Unwanted Harmonics in Piezoelectric Transducers Using Phononic Crystals: Modeling and Simulation
Authors
Abstract
Piezoelectric resonators are fundamental components in ultrasonic transducers, playing a crucial role in determining the overall performance of these devices across a wide range of applications, including medical imaging, therapeutic physiotherapy, and underwater sensing. The mechanical vibration modes of piezoelectric resonators at their resonant frequencies are particularly significant, as they directly influence the efficiency, sensitivity, and signal clarity of ultrasonic transducers. The resonator’s geometry such as its thickness, diameter, and shape and its dimensional parameters govern the oscillatory behavior at specific frequencies. This behavior arises mainly from the coupling and interaction of various contour vibration modes, including thickness, radial, and shear modes. However, unwanted vibrational modes, especially shear and radial modes, can interfere with the desired piston-like vibration, reducing the transducer's acoustic efficiency and degrading signal quality. To address these challenges, phononic crystals have emerged as a promising solution. Phononic crystals are artificially engineered periodic structures designed to manipulate elastic wave propagation through mechanisms like scattering and interference. In this study, a phononic crystal structure is developed by creating a periodic array of circular holes arranged in a triangular lattice along the resonant polarization axis of the piezoelectric resonator. This modification of the resonator’s internal structure effectively alters wave propagation, resulting in a piston-like vibration pattern that suppresses undesirable shear modes while enhancing vibrations in the thickness direction. This selective mode filtering significantly expands the mechanical vibration domain and improves the acoustic output of the transducer. The proposed model has been developed using finite element method (FEM) simulations, which validate that the phononic crystal structure promotes efficient piston-like wave propagation while significantly minimizing unwanted harmonic distortions. These results suggest that fabricating an experimental prototype based on this design could play a crucial role in advancing high-performance piezoelectric transducers for therapeutic physiotherapy, where precise and controlled ultrasonic wave emission is essential for effective treatment.
Keywords
Phononic crystals, piezoelectric transducers, physiotherapy,