donstuAdvanced Engineering Research (Rostov-on-Don)Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)2687-1653Don State Technical University10.23947/1992-5980-2017-17-4-5-13donstu-177Research ArticleMECHANICSМЕХАНИКАEffect of geometric and physical parameters on resonant frequencies of ultrasonic vibrations of elastic and piezoelectric element systemВлияние геометрических и физических параметров на резонансные частоты ультразвуковых колебаний системы упругих и пьезоэлектрических элементовСкалиухАлександр СергеевичSkaliukhAlexander S.a.s.skaliukh@gmail.comГерасименкоТатьяна ЕвгеньевнаGerasimenkoTatyana E.tegerasimenko@sfedu.ruОганесянПавел АртуровичOganesyanPavel A.paul.oganesyan@yandex.ruСоловьеваАнна АркадиевнаSolovievaAnna A.solovievarc@gmail.comЮжный федеральный университетРоссияSouthern Federal UniversityRussian Federation201713072018174513Copyright © Skaliukh A.S., Gerasimenko T.E., Oganesyan P.A., Solovieva A.A., 20172017Скалиух А.С., Герасименко Т.Е., Оганесян П.А., Соловьева А.А.Skaliukh A.S., Gerasimenko T.E., Oganesyan P.A., Solovieva A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnik-donstu.ru/jour/article/view/177

Introduction. Resonance frequencies of the longitudinal oscillations are investigated for a system consisting of diverse geometrical and physical elements - piezoceramic, elastic, and acoustic ones. The results are compared in COMSOL and ACELAN packages. The dependence of the first eigenfrequency value on the geometric parameters is evaluated. The dynamic viscosity effect on the longitudinal oscillations FRF is studied. Materials and Methods. The system of elastic and acoustic elements which allows describing the operation of an ultrasonic cutting device is selected for the study. The oscillator is a piezoelectric transducer which oscillates in thickness. An oscillation concentrator and a rod element are specified as elastic elements. They are made from stainless steel. The cutting element simulator is acoustic fluid. Modal and harmonic analysis of a complex system consisting of diverse physical elements is carried out. Research Results . Axisymmetric and three-dimensional finite-element models of the investigated system are constructed. Various types of curvature and thickness of the link with changeable surface shape are proposed for the oscillation concentrator. The first eigenfrequencies of the longitudinal vibrations of the rod element contacting with the acoustic liquid are obtained. Good agreement with the results of the ACELAN finite-element package is established. The amplitude-frequency characteristics of the end oscillations near the first resonance frequency are obtained. It is notable that the acoustic medium viscosity has little effect on the oscillation amplitude of the elastic rod, and does not affect the resonance frequency at all. Discussion and Conclusions . Harmonic and modal analysis has shown that the high-frequency longitudinal vibrations of the rod element depend significantly on the dissipation factor of the elastic elements, and depend weakly on the viscosity of the contacting acoustic medium. The results obtained may be of interest under designing ultrasonic cutting medical devices.

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.

метод конечных элементовпьезоэлектрический преобразовательультразвуковой скальпельамплитудно-частная характеристикаfinite-element methodpiezoelectric transformerharmonic scalpelfrequency-response analysisReferencesЛощилов, В. И. К вопросу о механизме ультразвуковой резки биологических тканей / В. И. Лощилов, С. М. Волков // Труды МВТУ. - 1973. - № 165. - С. 29-33.Loshchilov, V.I., Volkov, S.M. K voprosu o mekhanizme ul'trazvukovoy rezki biologicheskikh tkaney. [Revisiting mechanism of ultrasonic cutting of bio-tissues.] Trudy MVTU im. Baumana, 1973, no. 165, pp. 29–33 (in English).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).Akopyan, V.B., Yershov, Y.A. Ul'trazvuk v meditsine, veterinarii i biologii. [Ultrasound in medicine,veterinary science, and biology.] Shchukin, S.I., ed., 2nd revised and enlarged ed. Moscow: Yurayt, 2017, 223 p. (in English).Дубровский, В. И. Биомеханика / В. И. Дубровский, В. Н. Федорова. - Москва : ВЛАДОС-пресс, 2003. - 672 с.Dubrovskiy, V.I., Fedorova, V.N. Biomekhanika. [Biomechanics.] Moscow: VLADOS-press, 2003, 672 p. (in English).Carovac, A. Application of Ultrasound in Medicine / A. Carovac, F. Smajlovic, D. Junuzovic // Acta Informatica Medica. - 2011. - № 19 (3). - P. 168-171.Carovac, A., Smajlovic, F., Junuzovic, D. Application of Ultrasound in Medicine. Acta Informatica Medica, 2011, no. 19 (3), pp. 168–171.Dong, S. Review on piezoelectric, ultrasonic, and magnetoelectric actuators / S. Dong // Journal of Advanced Dielectrics. - 2012. - Vol. 2, № 1. - P. 1230001-1230019.Dong, S. Review on piezoelectric, ultrasonic, and magnetoelectric actuators. Journal of Advanced Dielectrics, 2012, vol. 2, no. 1, pp. 1230001–1230019.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.Liu, D.-K.-C., Friend, J., Yeo, L. A brief review of actuation at the micro-scale using electrostatics, electromagnetics and piezoelectric ultrasonics. Acoustical Science and Technology, 2010, no. 31 (2), pp. 115–123.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.Skaliukh, A., Li, G. The general theory of polarization of ferroelectric materials. Advanced Materials. Manufacturing, Physics, Mechanics and Applications. Cham: Springer, 2015, vol. 28, pp. 393–412.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.Vykhodtseva, N.I., Hynynen, K., Damianou, C. Pulse duration and peak intensity during focused ultrasound surgery: theoretical and experimental effects in rabbit brain in vivo. Ultrasound in medicine & biology, 1994, vol. 20, iss. 9, pp. 987–1000.Duck, F.-A. Physical properties of tissue: a comprehensive reference book / F.-A. Duck. - London : Academic Press, 1990. - 336 p.Duck, F.-A. Physical properties of tissue: a comprehensive reference book. London: Academic Press, 1990, 336 p.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. ReferencesBelokon, A.V., Nasedkin, A.V., Soloviev, A.N. Novye skhemy konechnoelementnogo dinamicheskogo analiza p'yezoelektricheskikh ustroystv. [New schemes of finite element dynamic analysis of piezoelectric devices.] Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 2002, vol. 66, no. 3, pp. 491–501 (in English).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.