梁家宁，莫喜平，柴 勇,3，刘永平,3

(1. 中国科学院声学研究所，北京 100190；2. 中国科学院大学，北京 100149；3. 北京海洋声学装备工程技术研究中心，北京 100190)

0 引 言

由于面剪切振动模式极优异的压电性能，其在加速度计、压电谐振器、压电超声马达和换能器等领域的应用被广泛研究[9-12]。van Tol等最早将面剪切振动模式应用在水声换能器中[13]，其极低的频率常数和高压电应变系数有利于换能器在低频大功率情况下工作。Karun Jr等利用反相激励两组面剪切单晶[14]，设计制造了宽带水声换能器，其工作频段为2～10 kHz，最大发送电压响应为140 dB。目前，国内关于面剪切振动模式水声换能器的研究尚未见诸报道。

1 面剪切振动模式

图1 正应力和剪切应力方向示意图Fig.1 Schematic diagram of normal stress and shear stress directions

图2 面剪切应力T6方向示意图Fig.2 Sche matic diagramof theT6direction of surface shearstress

图3 单晶绕[011]轴旋转角度θ示意图Fig.3 Schematic diagram of the rotation angle θ of a single crystal rotating around the [011] axis

2 面剪切振动模式换能器模型

面剪切振动模式弛豫铁电单晶换能器1/2结构如图4所示，换能器由8块[011]极化方向zxt-45°切型的PIN-PMT-PT单晶驱动。8块单晶电路并联，施加同相电压，利用单晶产生的剪切位移带动八边形质量块上下振动，从而在换能器前端辐射头处辐射声能。与传统的纵向换能器不同，面剪切振动模式换能器采用与单晶连接的1/8圆环作为尾质量，并且与相邻尾质量间距为0.8 mm，这是由于开缝圆环可以降低换能器工作频率，同时消除单晶面剪切振动造成的应力集中现象。为了获得更大的前后端振速比，辐射头和与单晶连接的八边形质量块选用密度较小的铝合金材料，圆环型尾质量选用密度较大的黄铜。……