Page 17 - 《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 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