Page 15 - 《应用声学》2023年第4期

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 677

定义换能器尾块底面中心为原点，垂直于底面 位移幅值在一阶谐振频率处略小于 PZT 压电陶瓷
沿辐射头的方向为 z 轴正方向。图 3 给出了前两阶 换能器，在二阶谐振频率处略大于 PZT压电陶瓷换
模态下辐射头表面 x 方向和换能器 z 方向的位移场 能器的特点。这是由于 KNN 基无铅压电陶瓷的质
z 分量曲线。可以看到，在一阶谐振频率处，换能器 量小于 PZT 压电陶瓷，由动量守恒可知，KNN 基无
主要产生自身的纵向振动，位移节点位于陶瓷片和 铅压电陶瓷换能器的辐射头振速更小，所以在一阶
尾块交界处，最大位移位于辐射头外层，与辐射头中 谐振频率处位移幅值更小；同时由于纵振式换能器
心的位移差约 1.2 × 10 −4 mm，说明辐射头的弯曲 前后质量差距越大，换能器的一阶纵振模态越纯，弯
振动也产生了部分影响。同时，辐射头表面的位移 曲模态的影响会减弱，使得在二阶谐振频率处，PZT
分布并非严格对称，这是由于在仿真中建立的是三 压电陶瓷换能器的位移幅值更小。
维全模型，存在非对称弯曲模态的影响。随着频率 1.3 纵振式换能器水中电声性能分析
的升高，辐射头的弯曲振动逐渐加强，在二阶谐振频 对驱动材料分别为 KNN 基无铅压电陶瓷和

率处，换能器的位移节点处于尾块中间，最大位移处 PZT 压电陶瓷时换能器的水中电导、发送电压响应
于辐射头外层，但与辐射头中心的位移差增大，换能 和指向性进行了仿真计算。计算模型除压电堆部分
器主要产生弯曲振动。 有所区别之外，其他条件完全一致，包括阻尼条件及
驱动材料的不同对位移曲线的影响并不大，但 自由度耦合状态等。图 4 和图 5 分别为两种换能器
整体呈现出 KNN 基无铅压电陶瓷换能器的 z 方向 在水中的电导曲线和发送电压响应，换能器前两阶

3.2 2.0
KNN KNN
3.0 PZT 1.5 PZT
ͯረڤ z Ѭ᧚/(10 -4 mm) 2.6 ͯረڤ z Ѭ᧚/(10 -4 mm) 1.0
2.8

0.5
2.4
2.2
-0.5 0
2.0
1.8 -1.0
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
x/mm z/mm
(a) ʷ᫽വগʾᣣ࠱݀xவՔᄊͯረڤzѬ᧚ (b) ʷ᫽വগʾ૱ᑟ٨zவՔᄊͯረڤzѬ᧚
1.0
3.5 KNN 0.5 KNN
PZT
PZT
3.0
ͯረڤ z Ѭ᧚/(10 -4 mm) 2.0 ͯረڤ z Ѭ᧚/(10 -4 mm) -0.5 0
2.5
1.5
1.0
0.5
0
-0.5
-1.0
-1.0
-1.5
-1.5
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
x/mm z/mm
(c) ̄᫽വগʾᣣ࠱݀xவՔᄊͯረڤzѬ᧚ (d) ̄᫽വগʾ૱ᑟ٨zவՔᄊͯረڤzѬ᧚
图 3 纵振式换能器振动位移场 z 分量
Fig. 3 The z component of vibration displacement of transducer