Page 12 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 Vol. 42, No. 4
2023 年 7 月 Journal of Applied Acoustics July, 2023

⋄ 研究报告 ⋄

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷纵振换能器 ∗

张秀侦 1,2,3 吴超峰 4 姚方周 5 王 轲 6 柴 勇 1,3†

(1 中国科学院声学研究所 北京 100190)
(2 中国科学院大学 北京 100049)
(3 北京海洋声学装备工程技术研究中心 北京 100190)
(4 桐乡清锋科技有限公司 嘉兴 314501)
(5 乌镇实验室 嘉兴 314500)
(6 清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室 北京 100084)

摘要：高性能环境友好型无铅压电陶瓷及其应用是当前压电材料研究的热点之一。为了探究其在水声换能器
领域的应用潜力，该文对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷和锆钛酸铅压电陶瓷纵振式换能器进行了对比研究。依据
仿真结果优化结构尺寸，制作了两种换能器样机并测试了其在空气中和水中的电声性能。测试结果表明，铌酸
钾钠基无铅压电陶瓷换能器的谐振频率为 35 kHz，最大发送电压响应为 151 dB，声源级可达 190 dB，在 26∼
67 kHz 的频率范围内发送电压响应的起伏不超过 ±4.5 dB，谐振频率处 −3 dB 的指向性开角约为 76 。该无
◦
铅压电陶瓷换能器具有和锆钛酸铅压电陶瓷换能器相当的发射性能，有望推动无铅压电材料在水声换能器领
域的应用进程。
关键词：铌酸钾钠；无铅压电陶瓷；锆钛酸铅；换能器
中图法分类号: TB565.1 文献标识码: A 文章编号: 1000-310X(2023)04-0674-09
DOI: 10.11684/j.issn.1000-310X.2023.04.002

Potassium sodium niobate-based lead-free piezoelectric ceramic longitudinal
vibration transducer

ZHANG Xiuzhen 1,2,3 WU Chaofeng 4 YAO Fangzhou 5 WANG Ke 6 CHAI Yong 1,3

(1 Institute of Acoustics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
(2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
(3 Beijing Engineering Technology Research Center of Ocean Acoustic Equipment, Beijing 100190, China)
(4 Tongxiang Tsingfeng Technology Co., Ltd., Jiaxing 314501, China)
(5 Wuzhen Laboratory, Jiaxing 314500, China)
(6 State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, School of Materials Science and Engineering,
Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract: High-performance and environmentally-benign lead-free piezoelectric ceramics and their appli-
cations have been the spotlight in the researches on piezoelectric material at present. In order to explore
its potential for application in underwater transducer, a comparative research between potassium sodium
niobate lead-free piezoelectric ceramic and lead zirconate titanate piezoelectric ceramic longitudinal trans-
ducer is carried out. The structural dimensions are optimized by finite element analysis at first. Then two types

2022-04-07 收稿; 2022-06-24 定稿
国家自然科学基金重点项目 (52032005)
∗
作者简介: 张秀侦 (1996– ), 女, 山西运城人, 硕士研究生, 研究方向: 声学换能器。
† 通信作者 E-mail: chaiyong@mail.ioa.ac.cn