《나라의 과학기술을 세계적수준에 올려세우자면 발전된 과학기술을 받아들이는것과 함께 새로운 과학기술분야를 개척하고 그 성과를 인민경제에 적극 받아들여야 합니다.》 (
볼트조임란쥬방진동자는 흔히 에네르기를 집초시키거나 나르는 역할을 하는 여러가지 형태의 폰과 결합되여 초음파세척이나 초음파용접, 초음파기계가공, 음향화학, 수중통신, 초음파수술과 같은 각이한 응용분야들에서 리용된다.
볼트조임란쥬방진동자에서 폰을 비롯한 진동자의 구조를 합리적으로 설계하는것은 매질속에서 복사출력이 최대인 진동자를 설계하는데서 대단히 중요한 문제로 나선다.
선행연구들에서는 메죤등가회로를 비롯한 전기회로리론과 유한요소해석리론을 리용하여 볼트조임란쥬방진동자의 구조를 설계하고 그의 성능을 해석한데 대하여서는 소개하고있지만 보다 발전된 전기회로리론인 유한전기회로요소모형(Finite Electrical Circuit Element Modeling)에 기초하여 매질속에서의 복사출력이 최대인 진동자의 기하학적구조를 설계하는 방법에 대하여서는 구체적으로 언급되여있지 않다.
유한전기회로요소모형은 진동자를 설계하고 해석할수 있는 두가지 기능을 다 같이 갖춘 전기회로리론으로서 진동자의 기하학적구조를 설계할뿐만 아니라 응력분포나 출력손실과 같은 파라메터들을 해석할수 있는 우점을 가지고있다.
일반적으로 볼트조임란쥬방진동자는 4개의 부분 즉 압전사기부분과 앞질량과 뒤질량부분 그리고 폰으로 구성되는데 여기서 압전사기는 앞질량과 뒤질량사이에 끼워져있고 폰은 앞질량이나 뒤질량과 볼트조임으로 결합되여있다. 이때 압전사기는 진동을 발생시키는 기능을 수행하며 부하매질과 정합된 폰에 의하여 그의 진동이 증폭되고 에네르기가 최대로 복사된다. 폰을 응용분야에 따라 계단형, 원추형, 지수형 등 여러가지 모양으로 설계할수 있으며 때로는 진동진폭을 최대로 하기 위하여 각이한 프로필(반파장진동계)들을 적층한 구조의 폰을 가진 진동자들이 리용되고있다.
우리는 매질속에서 최대복사출력을 보장하기 위하여 20kHz의 동작주파수를 만족하면서도 앞뒤면의 진동속도비가 최대인 볼트조임란쥬방진동자의 앞덧판과 뒤덧판의 기하학적치수를 등가회로해석(유한전기회로요소모형)과 유한요소해석(ANSYS)으로부터 구하고 비교하였으며 이 결과에 따르는 볼트조임란쥬방진동자를 제작하고 진동자의 특성량들을 실험값과 비교검증하였다.
우리가 설계하려는 볼트조임란쥬방진동자는 압전사기부분과 앞질량과 뒤질량부분으로 구성되여 있으며 뒤질량은 직경이 50mm인 철재료로, 앞질량은 앞면과 뒤면의 직경이 각각 80mm, 50mm인 알루미니움재료로, 압전사기는 외경과 내경이 각각 50mm, 13mm, 두께 5mm인 2개의 PZT-M재료로, 볼트는 직경 10mm인 불수강재료로 되여있다. 그리고 진동계는 한면복사계로서 앞면복사매질은 물매질이다.
우리는 먼저 유한전기회로요소모형(FECEM)을 리용하여 매질속에서 복사하는 볼트조임란쥬방진동자의 앞면(복사면)과 뒤면의 진동속도비가 최대로 되는 앞부분과 뒤부분의 기하학적길이를 MATLAB로 계산하고 유한요소해석프로그람 ANSYS해석결과와 비교하였다.
계산결과는 매질속에서 복사하는 볼트조임란쥬방진동자의 머리부와 꼬리부의 길이가 각각 34mm, 64mm일 때 앞뒤면의 진동속도비가 약 1.94로써 최대값을 가지였다.
다음으로 우리는 ANSYS를 리용하여 복사매질속에서의 볼트조임란쥬방진동자의 앞뒤덧판들의 길이변화에 따르는 진동속도비를 고찰하고 우의 리론적결과와 비교하였으며 동작주파수가 20kHz이고 복사출력 130w이 최대인 볼트조임란쥬방진동자를 제작하고 실험검증하였다.
유한전기회로요소모형을 리용한 볼트조임란쥬방진동자의 설계리론은 복사출력이 최대인 초음파세척기진동자의 기하학적구조설계방법을 반파장진동계뿐만 아니라 여러파장의 초음파진동계들에로 확장시킬수 있는 리론적기초를 준다.
