铌酸钾钠基无铅压电陶瓷纵振换能器∗

张秀侦 吴超峰 姚方周 王 轲 柴 勇

(1 中国科学院声学研究所 北京 100190)

(2 中国科学院大学 北京 100049)

(3 北京海洋声学装备工程技术研究中心 北京 100190)

(4 桐乡清锋科技有限公司 嘉兴 314501)

(5 乌镇实验室 嘉兴 314500)

(6 清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室 北京 100084)

0 引言

压电陶瓷作为一种可实现机械能与电能相互转换的功能材料，已被广泛应用于电子信息、医疗健康、人工智能以及国防安全等领域。其中，以锆钛酸铅Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)为代表的铅基压电陶瓷因为制备工艺简单、成本低廉、性能优异、性能可控性强等特点，在压电陶瓷的应用领域内占据着主导地位[1]。然而，生产PZT 压电陶瓷的原料中含高达60%以上的PbO 或Pb3O4，在大规模的生产、使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，加大无铅材料的研发、生产和应用在国际上成为了共识。另外，无铅压电陶瓷的密度小于铅基压电陶瓷，有利于器件的轻量化设计，因此，发展无铅压电陶瓷具有重大的科学价值和紧迫的市场需求[2]。

近年来，国内外学者在无铅压电陶瓷领域做了大量的研究并取得了诸多重大进展[3-11]，其中BaTiO3(BT)、Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)、(K,Na)NbO3(KNN)基无铅压电陶瓷得到了广泛关注。BT、BNT及KNN 等无铅压电材料各有特点，但这些材料体系尚不能完全独立地取代铅基压电陶瓷。因此，多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的应用研究大多集中在超声换能器[12-15]、谐振器[16]、压电马达、蜂鸣器等方面[17-18]，而在水声换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电陶瓷的工艺技术不断改进，为拓展无铅压电陶瓷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材料，设计了纵振式换能器，分别建立纵振换能器的模态分析模型和电声性能分析模型，通过模态分析得到换能器的特征谐振频率及振动位移场分布，同时仿真分析得到换能器的水中电导、发送电压响应和指向性等电声性能参数，并与相同结构尺寸的PZT压电陶瓷纵振式换能器进行对比。根据仿真分析结果，加工完成了两种纵振换能器样机的制作和装配，在消声水池中进行测试，并对仿真和实测结果进行对比分析，取得了较好的效果，验证了KNN基无铅压电陶瓷材料应用于水声换能器领域的可行性。

1 换能器振动辐射特性分析

1.1 纵振式换能器有限元建模

本文设计的纵振式换能器结构如图1 所示，主要结构尺寸如表1 所示。辐射头选用密度较小的硬铝，尾块选择密度较大的黄铜，有利于换能器辐射头产生更大的振速[20]。预应力螺杆、螺母选用钛合金。对于驱动材料，采用KNN 基无铅压电陶瓷和PZT压电陶瓷作为研究对象进行对比分析。参照以上换能器的结构模型，在有限元分析中输入KNN基无铅压电陶瓷沿[001]方向极化后的介电常数、压电常数、弹性常数和密度，如表2 所示，建立换能器的模态分析模型和电声性能分析模型。

表1 换能器主要结构尺寸Table 1 Main structural dimensions of transducer

表2 压电陶瓷材料参数Table 2 The material parameters of piezoelectric ceramics

图1 纵振式换能器结构示意图Fig.1 The diagram of longitudinal vibration transducer

1.2 纵振式换能器模态分析

纵振式换能器前两阶谐振模态的位移矢量图如图2 所示。其中，KNN 基无铅压电陶瓷换能器在空气中的前两阶谐振频率分别为36.1 kHz 和71.8 kHz；而PZT 压电陶瓷换能器在空气中的前两阶谐振频率分别为35.6 kHz 和70.2 kHz，略低于无铅压电陶瓷换能器。这是由于在相同结构尺寸下，无铅压电陶瓷换能器的刚度更大，质量更轻，固有频率更高。

图2 纵振式换能器前两阶谐振模态Fig.2 The first two resonant modes of longitudinal vibration transducer

定义换能器尾块底面中心为原点，垂直于底面沿辐射头的方向为z轴正方向。图3 给出了前两阶模态下辐射头表面x方向和换能器z方向的位移场z分量曲线。可以看到，在一阶谐振频率处，换能器主要产生自身的纵向振动，位移节点位于陶瓷片和尾块交界处，最大位移位于辐射头外层，与辐射头中心的位移差约1.2×10-4mm，说明辐射头的弯曲振动也产生了部分影响。同时，辐射头表面的位移分布并非严格对称，这是由于在仿真中建立的是三维全模型，存在非对称弯曲模态的影响。随着频率的升高，辐射头的弯曲振动逐渐加强，在二阶谐振频率处，换能器的位移节点处于尾块中间，最大位移处于辐射头外层，但与辐射头中心的位移差增大，换能器主要产生弯曲振动。

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

驱动材料的不同对位移曲线的影响并不大，但整体呈现出KNN 基无铅压电陶瓷换能器的z方向位移幅值在一阶谐振频率处略小于PZT 压电陶瓷换能器，在二阶谐振频率处略大于PZT压电陶瓷换能器的特点。这是由于KNN 基无铅压电陶瓷的质量小于PZT 压电陶瓷，由动量守恒可知，KNN 基无铅压电陶瓷换能器的辐射头振速更小，所以在一阶谐振频率处位移幅值更小；同时由于纵振式换能器前后质量差距越大，换能器的一阶纵振模态越纯，弯曲模态的影响会减弱，使得在二阶谐振频率处，PZT压电陶瓷换能器的位移幅值更小。

1.3 纵振式换能器水中电声性能分析

对驱动材料分别为KNN 基无铅压电陶瓷和PZT 压电陶瓷时换能器的水中电导、发送电压响应和指向性进行了仿真计算。计算模型除压电堆部分有所区别之外，其他条件完全一致，包括阻尼条件及自由度耦合状态等。图4 和图5 分别为两种换能器在水中的电导曲线和发送电压响应，换能器前两阶谐振频率和对应的电导峰值及发送电压响应峰值整理在表3 中。可以看到，和空气中的谐振频率相比，由同振质量增加导致的辐射阻抗变化，换能器在水中的谐振频率降低，其中二阶谐振频率的降低更为明显。KNN 基无铅压电陶瓷换能器的水中谐振频率略高于PZT压电陶瓷换能器，但电导峰值和发送电压响应峰值与PZT 压电陶瓷换能器基本持平，且两种换能器的发送电压响应在27∼70 kHz 频带内起伏均为±3 dB左右，拥有较好宽带特性。

表3 换能器水中电声性能Table 3 The electroacoustic performance of transducer underwater

图4 纵振式换能器水中导纳Fig.4 The simulated admittance of transducer underwater

图5 纵振式换能器发送电压响应Fig.5 The simulated transmitting voltage response of transducer

纵振式换能器在水平方向由于声源辐射的对称性呈现全指向性特点，垂直方向的指向性如图6所示，不同驱动材料下纵振式换能器的前后声压比均为12 dB左右，-3 dB开角约为74◦。

图6 纵振式换能器垂直方向指向性Fig.6 The simulated vertical directivity of transducer

2 换能器制作与测试分析

根据以上仿真结果，分别制作了以KNN 基无铅压电陶瓷和PZT 压电陶瓷为驱动材料的纵振式换能器样机，其结构尺寸均为Φ26 mm×43 mm，质量分别为91 g 和94 g。图7 给出了换能器的各部分零件及组装后的换能器样机照片。

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

将制作完成后的换能器在消声水池中进行测量，如图8 所示。测试发送电压响应时采用脉冲正弦信号激励，发射换能器与标准水听器的间距为3.86 m，吊放深度为3 m。

图8 纵振式换能器测试Fig.8 Tests of transducer

用阻抗分析仪测得换能器的水中导纳如图9所示，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kt和机械品质因数Qm可由下列公式计算得到[21]：

图9 纵振式换能器实测水中导纳Fig.9 The measured admittance of transducer underwater

其中，fr、fa分别为换能器的谐振频率、反谐振频率，|Zm|为阻抗模值的最小值(对应于导纳模值的最大值)，Ct为换能器的自由电容，计算结果如表4 所示。可以看到，KNN基无铅压电陶瓷换能器的厚度振动机电耦合系数kt为0.52，已超过多数铅基压电陶瓷换能器(0.4 左右)；机械品质因数Qm为8，低于铅基压电陶瓷换能器[22]。

表4 换能器水中性能参数Table 4 The key parameters of transducer underwater

由图10 可知，KNN 基无铅压电陶瓷换能器水中前两阶谐振频率分别为35 kHz 和67 kHz，PZT压电陶瓷换能器水中前两阶谐振频率为30.5 kHz和69 kHz，且两者在第一个谐振点处的发送电压响应均达到了151 dB (基准值为1 µPa/V)，并在26∼67 kHz 的频率范围内响应曲线较为平坦，整体带宽KNN基无铅压电陶瓷换能器略高于PZT压电陶瓷换能器。对比仿真结果与实测结果，可以看到二者的发送电压响应有较好的吻合，但随着频率升高，尤其是在二阶谐振点处，实测结果与仿真结果差距较大。PZT 设计频带内响应的最高起伏达到±4.5 dB，整体带宽实测结果均低于仿真结果，并在68 kHz 处有一明显低谷。一方面是由于PZT 压电陶瓷换能器的机械品质因数Qm更高，不利于宽带发射，另一方面则是因为在装配和测试过程中会存在一定误差。

图10 换能器实测发送电压响应Fig.10 The measured transmitting voltage response of transducer

图11 给出了两种换能器在一阶谐振点处的垂直方向指向性测试曲线。其中，KNN 基无铅压电陶瓷换能器的-3 dB 开角为76◦，前后声压比为19 dB；PZT 压电陶瓷换能器的-3 dB 开角为79◦，前后声压比为14 dB，与仿真结果基本一致。

仿真与实测结果存在一定误差的原因总结如下：

(1) 换能器的制作装配过程中，主要部件间的连接并非如仿真分析中假设的刚性连接，从而产生了一定的能量损耗，这会导致换能器发送电压响应实测值低于仿真值。

(2) 纵弯耦合结构换能器的二阶模态以弯曲振动为主，在实际装配过程中受外壳的影响更大，使得换能器发送电压响应在二阶谐振频率处的误差更大。

(3) 驱动材料本身的均匀性和一致性的不足也使得实测结果与仿真结果之间存在一定的差异，主要体现在换能器实测指向性图并非严格对称。

上述结果从换能器的水中电导、发送电压响应、指向性方面均验证了KNN 基无铅压电陶瓷的性能可与传统铅基压电陶瓷相当。图12 给出了关于KNN 基无铅压电陶瓷换能器的线性度研究，可以看到当电压每增加一倍，声源级增加6 dB，满足线性关系，且声源级可达到190 dB，有望实现大功率发射。

图12 KNN 基无铅压电陶瓷换能器线性度研究Fig.12 The linearity study of KNN-based leadfree piezoelectric ceramic transducer

3 结论

本文研究了KNN 基无铅压电陶瓷纵振式换能器，并与相同结构的PZT 压电陶瓷换能器对比。仿真结果和测试结果表明，该无铅压电陶瓷材料具有和传统PZT 压电陶瓷材料相当的压电常数、介电常数，更高的厚度振动机电耦合系数和更低的Qm值，制作的纵振式换能器发射性能可与PZT 压电陶瓷纵振式换能器相媲美。由于KNN 基无铅压电陶瓷的密度不到传统PZT 压电陶瓷密度的2/3，在后续研究中，可将KNN 基无铅压电陶瓷拓展应用于更多类型的换能器当中，充分发挥其在换能器轻量化设计方面的优势。