Page 34 - 《应用声学》2023年第6期

1144 2023 年 11 月

2.1 压电陶瓷处于非线性工作域的换能器结构参 现，与晶堆节面位置相比，前盖板厚度对换能器频率
数对换能器声辐射性能的影响 偏移的影响较小，晶堆前向负载的等效质量是影响

研究压电晶堆节面位置对换能器声辐射性能 非线性现象的次要因素。
的影响。压电晶堆节面到晶堆前盖板距离 l p2 的改 131.0
变意味着换能器节面位置的变化。换能器其他参数
取自表 1，计算结果如图 4 所示，横坐标是 l p2 ，纵坐 130.5
标是换能器声压级和谐振频率偏移率。计算结果表 SPL/dB 130.0
明，随着 l p2 增大，换能器声压级和谐振频率偏移率
有所增加。若节面位置逐渐远离换能器前辐射面， 129.5
换能器声压级频响曲线频率波峰偏移逐渐增大。这
129.0
是由于随着晶堆厚度增大，由压电晶堆弹性非线性 40 50 60 70 80 90 100
l f⊳mm
引起的频率迟滞会随晶堆厚度增大而累积。因此，
(a) ܦԍጟ
在非线性参数确定的情况下，换能器节面越靠前，换
能器声辐射的频率偏移越小。 0.25
0.20
136
135 ᮠဋϠረဋ/% 0.15
134 0.10
SPL/dB 133 0.05

132
0
40 50 60 70 80 90 100
131
l f ⊳mm
130 (b) ᮠဋϠረဋ
5 10 15 20 25 30 35 40
l p ⊳mm
图 5 前盖板厚度对换能器声辐射性能的影响
(a) ܦԍጟ
Fig. 5 Influence of the thickness of the front
10
cover on the acoustic radiation performance of the
8 transducer
ᮠဋϠረဋ/% 6 4 换能器其他参数取自表1，计算结果如图 6 所示。计
分析前盖板大径对换能器声辐射性能的影响。

算结果表明，随着前盖板大径的增加，换能器 SPL
2
有所增加，换能器谐振频率偏移率有所增加。由于
0 增加前盖板大径相当于增大了晶堆前向负载，进而
5 10 15 20 25 30 35 40
l p ⊳mm 增加了换能器非线性损耗，换能器谐振频率偏移率
(b) ᮠဋϠረဋ
因而增大。结合图 5 和图 6 可以发现，前盖板径向、
图 4 压电晶堆节面位置对换能器声辐射性能的影响 纵向尺寸越大，换能器谐振频率偏移率越大。
Fig. 4 Influence of piezoelectric crystal stack nodes
讨论换能器径向尺寸对换能器声辐射性能的
on acoustic radiation performance of transducer
影响，令径向尺寸 d 1 = d 2 。换能器其他参数取自
研究前盖板厚度对换能器声辐射性能的影响。 表 1，计算结果如图 7 所示。计算结果表明，随着径
换能器其他参数取自表 1，计算结果如图 5 所示。计 向尺寸的减小，换能器谐振频率偏移率增大，在小
算结果表明，随着前盖板厚度的增加，换能器 SPL 于 40 mm 后急剧增大。这是由于晶片存在内径 d p ，
有所降低，换能器谐振频率偏移率有所增加，这是 降低径向尺寸会减小压电晶堆有效面积和等效质
由于增加前盖板厚度相当于增大了晶堆前向负载， 量，这就相当于提高了振动系统中换能器晶堆前向
进而增加了换能器非线性损耗。对比图和图可以发 负载，从而增加了换能器的谐振频率偏移率。换而