压电单晶32模Tonpilz换能器：针对宽带和高功率特性的设计与性能评估

《IEEE Sensors Journal》：Piezoelectric Single Crystal 32-mode Tonpilz Transducers: Design and Performance Evaluation for Broadband and High-Power Characteristics

　　

压电单晶体具有较高的机电耦合系数（k33 ≈ 0.9）和较大的压电常数（d33 > 1500 pC/N），因此被广泛研究用于声学换能器，以实现高效率和宽带性能。然而，尽管其压电性能优异，但由于驱动场、温度和机械应力的限制，单晶体在高频高功率换能器中的应用受到了限制。为了克服这些限制，本研究设计并实验验证了一种采用[011]极化的单晶制成的32模Tonpilz换能器，这种单晶在33模器件中的电稳定性优于常用的[001]极化单晶。在30 MPa压缩应力下，[011]极化单晶的矫顽场强度为8.81 kV/cm，大约是[001]极化单晶的12倍。基于这些结果，使用[011]极化的PIN-PMN-PT单晶设计了一种32模Tonpilz换能器。该设计结合了压电堆的纵向共振和头部质量的拍动模式来拓宽带宽，并考虑了电学和机械应力的限制，以实现高功率运行。所制造的换能器经过实验测试，仿真结果与实测数据吻合良好，源级测量证实其可在高达1500 Vrms的电压下线性工作。这些结果表明，基于[011]极化单晶的换能器是高功率水下声学投影器的有希望的候选材料。