Page 17 - 《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                                           679


                                                                                        f a 2
             2 换能器制作与测试分析                                               Q m =                      ,      (2)
                                                                                                 2
                                                                                            2
                                                                               2πf r |Z m | C t (f − f )
                                                                                            a    r
                 根据以上仿真结果,分别制作了以 KNN 基无                        其中,f r 、f a 分别为换能器的谐振频率、反谐振频率,
             铅压电陶瓷和 PZT 压电陶瓷为驱动材料的纵振式                          |Z m | 为阻抗模值的最小值 (对应于导纳模值的最大
             换能器样机,其结构尺寸均为Φ26 mm × 43 mm,质                     值),C t 为换能器的自由电容,计算结果如表4 所示。
             量分别为 91 g 和94 g。图7 给出了换能器的各部分                     可以看到,KNN基无铅压电陶瓷换能器的厚度振动
             零件及组装后的换能器样机照片。                                   机电耦合系数 k t 为 0.52,已超过多数铅基压电陶瓷
                 将制作完成后的换能器在消声水池中进行测                           换能器(0.4 左右);机械品质因数Q m 为8,低于铅基
             量,如图 8 所示。测试发送电压响应时采用脉冲正                          压电陶瓷换能器        [22] 。
             弦信号激励,发射换能器与标准水听器的间距为
                                                                           表 4  换能器水中性能参数
             3.86 m,吊放深度为3 m。
                                                                  Table 4 The key parameters of transducer
                 用阻抗分析仪测得换能器的水中导纳如图 9所
                                                                  underwater
             示,并得到其谐振频率、反谐振频率、自由电容等参
             数,则厚度机电耦合系数 k t 和机械品质因数 Q m 可                        驱动材料     谐振频率 反谐振频率 厚度机电耦合 机械品质
             由下列公式计算得到          [21] :                                     f r /kHz  f a/kHz  系数 k t   因数 Q m
                                                                KNN 基无铅
                          √                                                  33.0    37.6      0.52      8.0
                                    (         )                   压电陶瓷
                             πf r     π f a − f r
                      k t =      tan            ,       (1)
                             2f a     2   f a                   PZT 压电陶瓷     30.8    33.8      0.45     10.5















                        (a) KNN۳௄ᨥԍႃᬝၬ             (b) ጫ૝र૱ᑟ٨ՊᦊѬᭆ͈                (c) ጸᜉՑᄊ૱ᑟ٨

                                             图 7  KNN 基无铅压电陶瓷换能器样机
                             Fig. 7 The prototype of KNN-based lead-free piezoelectric ceramic transducer




















                                  (a) PZTԍႃᬝၬ૱ᑟ٨                      (b) KNN۳௄ᨥԍႃᬝၬ૱ᑟ٨
                                                   图 8  纵振式换能器测试
                                                  Fig. 8 Tests of transducer
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