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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-07012020-123533
Document
Author
Full name
Carlos Arturo Burbano Reyna
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Buiochi, Flávio (President)
Eiras, José Antonio
Silva, Glauber José Ferreira Tomaz da
Title in Portuguese
Projeto e construção de transdutores piezocerâmicos para acoplamento em ar.
Keywords in Portuguese
Camadas de acoplamento
Emissão no ar
Piezocerâmicos
Projeto caracterização-construção
Abstract in Portuguese
Este trabalho apresenta o projeto e a fabricação de transdutores para acoplamento em ar. Como elementos ativos foram usados piezocerâmicos ou piezocompósitos, vibrando em modo espessura. Como elementos passivos foram usados epóxi, membranas de filtragem e aerogel (camadas de acoplamento). Os piezocerâmicos apresentaram maior sensibilidade que os piezocompósitos. Por outro lado, os piezocompósitos apresentaram banda mais larga que os piezocerâmicos. As membranas de filtragem são de fácil manipulação e permitiram camadas de alta qualidade para acoplamento em ar. Também foi estudado o aerogel como potencial camada passiva, porém houve dificuldade no processo de manipulação, resultando em fraca estabilidade da estrutura desse material, depositado diretamente sobre as cerâmicas piezelétricas. As membranas passivas e os elementos ativos foram caracterizados e submetidos aos critérios de seleção para a fabricação de protótipos. Os comportamentos elétrico e mecânico de um conjunto de protótipos foram medidos em cada etapa de construção e comparados com os resultados teóricos. Os resultados de desempenho dos protótipos em modo transmissão mostraram que a adição de membranas porosas de espessura ?/4 incrementou de três a quatro vezes a transmissão de energia entre o elemento ativo e o ar, além de ter aumentado em aproximadamente quatro vezes a largura da banda. Os resultados do modelo numérico multifísico foram comparados aos dados do campo acústico medido com um protótipo para acoplamento em ar, operando na frequência de 0,4 MHz, tendo havido boa concordância entre eles.
Title in English
Design and construction of air coupled piezoceramic transducers.
Keywords in English
Air emission
Desing-characterisation-construction
Matching layers
Piezoceramics
Abstract in English
This work presents a design for manufacturing air-coupled ultrasound transducers. Piezoceramics or piezocomposites were used as active elements vibrating in thickness mode. Epoxy, filtration membranes and aerogel were used as passive elements (matching layers). Piezoceramics show higher sensitivity than piezocomposites. However, piezocomposites show a higher bandwidth than piezoceramics. Porous membranes are easily handling and provide high quality layers for air coupling. Aerogel was studied as a potential matching layer too, but there were handling difficulties, resulting in a fragile material structure which was synthetized directly over the piezoelectric ceramics. The passive membranes and active elements were characterized and submitted to selection criteria for manufacturing process of prototypes. The electrical and mechanical behavior of a set of prototypes were measured at each stage of construction and compared to the theoretical results. The performance of the prototypes in transmission mode shows that the addition of ?/4 -thick porous membranes increased three to four times the energy transmission between the active element and air, besides an increase of approximately four times in the bandwidth. The numerical multiphysics results were compared with the experimental acoustic field measured from the air transducer prototype operating at 0.4 MHz, showing a good concordance between them.
 
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Publishing Date
2020-01-08
 
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