Piezoelectric Ceramics Nonlinear Behavior. Application to Langevin Transducer

(Received 2 July 1996, revised 30 September 1996, accepted 28 November 1996)

Abstract
Drastic behavior changes occur for power transducers using PZT type of ceramics. A better characterization under high excitations is then required for piezoelectric materials Indeed, characteristic nonlinear behaviors such as resonance frequency shift with hysteresis effect and overtones generation are observed experimentally. They result in front mass displacement saturation, drop in performances and instabilities. To interpret such features, a nonlinear approach is proposed. This resulting nonlinear model has been applied to the transducer and simulations are given. The comparison between numerical simulations and experimental results shows good agreement. Usually, observed saturation effects are interpreted as in term of viscous factor increase, our nonlinear approach gives an alternative explanation that explains also others observed phenomena.

Résumé
Des changements importants de comportement sont observés sur des transducteurs de puissance utilisant des céramiques de type PZT. Une meilleure caractérisation de matériaux piézoélectriques sous hauts niveaux s'avère alors nécessaire. En effet, des phénomèni caractéristiques d'un comportement non linéaire tels que le décalage de la fréquence de résonance avec hystérésis ou la génération d'harmoniques ont été observés expérimentalement. Ceci se traduit pax des effets de saturation du niveau de déplacement de la face avant, une limitation des performances du système et un fonctionnement instable. Afin d'interpréter de tels comportements, une théorie non linéaire est proposée. Ce modèle a ensuite été appliqué à notre structure de transducteur. Une comparaison entre simulations et résultats expérimentaux a permis de valider cette nouvelle approche. Les effets de saturation observés ont été jusqu'à présent toujours reliés à la variation du coefficient d'amortissement, notre étude a permis de démontrer qu'une autre explication liée aux non linéarités était possible et permettait en même temps d'expliquer d'autres phénomènes observés.