Optimisation of the parameters of the matching layer of a piezoelectric transducer by the finite element method

Authors

  • Nikolai N. Dedovich A. N. Sevchenko Institute of Applied Physics Problems, Belarusian State University, 7 Kurchatava Street, Minsk 220045, Belarus
  • Petr V. Kuchynski A. N. Sevchenko Institute of Applied Physics Problems, Belarusian State University, 7 Kurchatava Street, Minsk 220045, Belarus
  • Anatoly F. Romanov A. N. Sevchenko Institute of Applied Physics Problems, Belarusian State University, 7 Kurchatava Street, Minsk 220045, Belarus

Keywords:

ultrasound, piezoelectric transducer, designs, matching layer, modelling, finite element method
Supporting Agencies
The work was carried out with the financial support of the Ministry of Education of the Republic of Belarus as part of a separate project of the research work «Research and development of broadband piezoelectric transducers for use in high-precision ultrasonic measuring instruments operating in a wide range of temperatures and pressures » (state registration No. 20231563).

Abstract

A methodology for finding the optimal parameters of the matching layer of a piezoelectric transducer designed to convert and receive ultrasonic vibrations in a gas is presented. As a way to optimise the parameters of the matching layer, modelling of a piezoelectric transducer by the finite element method using the COMSOL Multiphysics software package is used. Models of a piezoelectric transducer are presented and optimisation of the parameters of the matching layer is implemented in order to increase the efficiency of electrical signal conversion into ultrasonic vibrations and vice versa. The obtained models allow to estimate the frequency characteristics of a piezoelectric transducer and to analyse the efficiency of mutual conversion of electrical and ultrasonic energy, as well as the process of propagation of ultrasonic waves. It is shown that the finite element modelling method allows to establish requirements for the material and geometry of the matching layer of a piezoelectric transducer, and a slight complication of the model makes it possible to predict the operation of piezoelectric transducers in the mode of radiation and reception of ultrasonic signals in a gas environment during the design and manufacture of prototypes.

Author Biographies

  • Nikolai N. Dedovich, A. N. Sevchenko Institute of Applied Physics Problems, Belarusian State University, 7 Kurchatava Street, Minsk 220045, Belarus

    researcher at the laboratory of information and measuring systems

  • Petr V. Kuchynski, A. N. Sevchenko Institute of Applied Physics Problems, Belarusian State University, 7 Kurchatava Street, Minsk 220045, Belarus

    doctor of science (physics and mathematics), docent; director

  • Anatoly F. Romanov, A. N. Sevchenko Institute of Applied Physics Problems, Belarusian State University, 7 Kurchatava Street, Minsk 220045, Belarus

    PhD (engineering); head of the laboratory of information and measuring systems

References

  1. Богуш МВ. Проектирование пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей. Панич АЕ, редактор. Москва: Техносфера; 2014. 312 с. (Пьезоэлектрическое приборостроение; том 9).
  2. Богуш МВ, Пикалев ЭМ. Ультразвуковые излучатели – приемники для газа. В: Фундаментальные проблемы функционального материаловедения, пьезоэлектрического приборостроения и нанотехнологий. Пьезотехника-2005. Сборник трудов Международной научно-практической конференции; 23–26 августа 2005 г.; Ростов-на-Дону, Азов, Россия. Том 3. Ростов-на-Дону: Издательство Ростовского государственного педагогического университета; 2005. с. 13–17.
  3. Богуш МВ. Проектирование пьезоэлектрических датчиков с использованием конечно-элементных математических моделей. Приборы. 2007;12:30–38. EDN: IJCXUR.
  4. Дедович НН, Романов АФ. Моделирование элементов конструкции пьезоэлектрического преобразователя методом конечных элементов. В: Свистун АИ, Гусев ОК, Воробей РИ, Жагора НА, Князев МА, Маляревич АМ и др., редакторы. Приборостроение-2024. Материалы 17-й Международной научно-технической конференции; 26–29 ноября 2024 г.; Минск, Беларусь. Минск: [б. и.]; 2024. с. 44–46.
  5. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. Картвелишвили ВМ, переводчик; Баничук НВ, редактор. Москва: Мир; 1984. 428 с.
  6. Стренг Г, Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. Агошков ВИ, Василенко ВА, Шайдуров ВВ, переводчики; Марчук ГИ, редактор. Москва: Мир; 1977. 350 с.
  7. Дедович НН, Романов АФ. Оптимизация элементов конструкции пьезоэлектрического преобразователя методом конечных элементов. В: Свистун АИ, Гусев ОК, Воробей РИ, Жагора НА, Князев МА, Маляревич АМ и др., редакторы. Приборостроение-2024. Материалы 17-й Международной научно-технической конференции; 26–29 ноября 2024 г.; Минск, Беларусь. Минск: [б. и.]; 2024. с. 42–44.

Downloads

Published

2026-01-14

Issue

Section

Research Instruments and Methods

How to Cite

(1)
Dedovich, N. N.; Kuchynski, P. V.; Romanov, A. F. Optimisation of the Parameters of the Matching Layer of a Piezoelectric Transducer by the Finite Element Method. Журнал Белорусского государственного университета. Физика 2026, No. 3, 70-77. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2025-3-%p.