Page 13 - 《应用声学》2023年第4期
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第 42 卷 第 4 期               张秀侦等： 铌酸钾钠基无铅压电陶瓷纵振换能器                                           675


                 of transducer prototypes are fabricated and their electro-acoustic performance both in air and underwater
                 are measured. It could be found that the resonant frequency of lead-free piezoelectric ceramic transducer is
                 35 kHz with the maximum transmitting voltage response of about 151 dB. The source level could be over
                 190 dB. The highest fluctuation of transmitting voltage response in the frequency range from 26 kHz to 67 kHz
                 is no more than ±4.5 dB. And the −3 dB directivity angle at the resonant frequency is about 76 . The
                                                                                                    ◦
                 performance of lead-free piezoelectric ceramic transducer is confirmed to be comparable to that of the lead
                 zirconate titanate piezoelectric ceramic transducer. It is expected to have further applications in the field of
                 underwater transducers.
                 Keywords: Potassium sodium niobate; Lead-free piezoelectric ceramic; Lead zirconate titanate; Transducer

                                                               析得到换能器的特征谐振频率及振动位移场分布，
             0 引言
                                                               同时仿真分析得到换能器的水中电导、发送电压响

                 压电陶瓷作为一种可实现机械能与电能相互                           应和指向性等电声性能参数，并与相同结构尺寸的
             转换的功能材料，已被广泛应用于电子信息、医疗                            PZT压电陶瓷纵振式换能器进行对比。根据仿真分
             健康、人工智能以及国防安全等领域。其中，以锆钛                           析结果，加工完成了两种纵振换能器样机的制作和
             酸铅 Pb(Zr     Ti x )O (PZT) 为代表的铅基压电陶              装配，在消声水池中进行测试，并对仿真和实测结
                       1−x     3
             瓷因为制备工艺简单、成本低廉、性能优异、性能可                           果进行对比分析，取得了较好的效果，验证了 KNN
             控性强等特点，在压电陶瓷的应用领域内占据着主                            基无铅压电陶瓷材料应用于水声换能器领域的可
             导地位   [1] 。然而，生产 PZT 压电陶瓷的原料中含高                   行性。
             达 60% 以上的 PbO 或 Pb 3 O 4 ，在大规模的生产、使
                                                               1 换能器振动辐射特性分析
             用和废弃过程中易对人类健康和生态环境造成严
             重危害。为了维护环境的可持续发展，加大无铅材
                                                               1.1  纵振式换能器有限元建模
             料的研发、生产和应用在国际上成为了共识。另外，
                                                                   本文设计的纵振式换能器结构如图 1 所示，主
             无铅压电陶瓷的密度小于铅基压电陶瓷，有利于器
                                                               要结构尺寸如表 1 所示。辐射头选用密度较小的硬
             件的轻量化设计，因此，发展无铅压电陶瓷具有重大
                                                               铝，尾块选择密度较大的黄铜，有利于换能器辐射
             的科学价值和紧迫的市场需求              [2] 。
                                                               头产生更大的振速         [20] 。预应力螺杆、螺母选用钛合
                 近年来，国内外学者在无铅压电陶瓷领域
                                                               金。对于驱动材料，采用 KNN 基无铅压电陶瓷和
             做了大量的研究并取得了诸多重大进展                       [3−11] ，
                                                               PZT压电陶瓷作为研究对象进行对比分析。参照以
             其中 BaTiO 3 (BT)、Bi 0.5 Na 0.5 TiO 3 (BNT)、(K,Na)NbO 3
                                                               上换能器的结构模型，在有限元分析中输入 KNN
             (KNN)基无铅压电陶瓷得到了广泛关注。BT、BNT
                                                               基无铅压电陶瓷沿[001]方向极化后的介电常数、压
             及 KNN 等无铅压电材料各有特点，但这些材料体
                                                               电常数、弹性常数和密度，如表 2 所示，建立换能器
             系尚不能完全独立地取代铅基压电陶瓷。因此，多
                                                               的模态分析模型和电声性能分析模型。
             种无铅压电材料体系并存是未来无铅压电陶瓷的
             发展与应用的主要趋势。目前关于无铅压电陶瓷                                        z
                                                                                                ᣣ࠱݀
             的应用研究大多集中在超声换能器                   [12−15] 、谐振               y   x
             器  [16] 、压电马达、蜂鸣器等方面        [17−18] ，而在水声换
                                                                       దູెந
             能器领域的应用还未见报道。无铅压电陶瓷综合性
             能的提升，尤其是制备大尺寸且性能稳定的无铅压
                                                                                                ࡋ᠏᧚ڱ
             电陶瓷的工艺技术不断改进，为拓展无铅压电陶瓷                                   ᮕऄҧᛃీ
             的应用领域提供了更多的可能              [19] 。
                 本文以高性能 KNN 基无铅压电陶瓷作为驱动                                   图 1  纵振式换能器结构示意图
             材料，设计了纵振式换能器，分别建立纵振换能器                               Fig. 1  The diagram of longitudinal vibration
             的模态分析模型和电声性能分析模型，通过模态分                               transducer
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