引言

压电一词源于希腊语“piezo”，意为压力电力。某些晶体物质在机械应力作用下会产生电荷，反之，在电场存在下也会发生机械应变。压电效应描述了一种情况，其中换能材料感知输入机械振动并在振动频率下产生电荷。交流电压会导致压电材料以与输入电流相同的频率以振荡方式振动。

石英是最著名的具有压电性能的单晶材料。在具有ABO3钙钛矿晶体结构的材料中可以诱导出强压电效应。“A”表示较大的二价金属离子，例如铅，“B”表示较小的四价离子，例如钛或锆。

对于任何晶体要表现出压电效应，其结构必须没有对称中心。施加在晶体上的拉伸或压缩应力都会改变晶胞中正负电荷中心的间距，从而导致晶体表面产生净极化。极化与施加的应力成正比，并且与方向有关，因此压缩和拉伸应力将导致相反电压的电场。

振动与位移

压电陶瓷在居里温度以下具有非中心对称晶胞，在居里温度以上具有中心对称晶胞。非中心对称结构提供净电偶极矩。偶极子随机取向，直到施加强直流电场导致永久极化，从而产生压电特性。

极化的陶瓷可能会受到应力作用，导致晶格发生畸变，从而改变陶瓷的总偶极矩。由于施加的应力引起的偶极矩变化会导致净电场，该电场随应力线性变化。

动态性能

压电材料的动态性能与其在接近机械谐振时的交变应力下的行为有关。下图等效电路中C2与L1、C1和R1的并联组合控制换能器的电抗，电抗是频率的函数。

等效电路

频率响应

下图显示了压电换能器的阻抗随频率的变化。fm处的最小值对应于谐振，而fn处的最大值对应于反谐振。

谐振器件

非谐振器件可以用表示压电电容的电容器来建模，并用表示机械振动系统的阻抗作为电路中的并联来建模。在非谐振情况下，阻抗可以建模为电容器，这使得电路可以简化为一个替换并联组合的单个电容器。

对于谐振器件，阻抗在谐振时变为电阻或静态电容。这是一个不良影响。在机械驱动系统中，这种效应充当换能器的负载并降低电输出。在电驱动系统中，这种效应会分流驱动器，需要更大的输入电流。在谐振操作时遇到的静态电容的不利影响可以通过使用与工作频率下的静态电容谐振的并联或串联电感器来抵消。

应用

机械测量

由于压电的介电漏电流，它们不适合于力或压力变化缓慢的应用。但是，它们非常适合于爆破测量仪和加速度计可能需要的动态测量。

超声波

高强度超声波应用使用半波长换能器，其谐振频率在18 kHz到45 kHz之间。产生高强度需要大量的换能器材料，这使得制造变得困难且经济上不可行。此外，由于半波长换能器在中心具有最高的应力幅度，因此端部充当惰性质量。端部通常用具有更高机械品质因数的金属板替换；使复合换能器比单件换能器具有更高的机械品质因数。

总的电声效率为

$\eta \approx 1-{\frac {1}{1+k_{eff}^{2}Q_{E}Q_{L}}}-{\frac {1}{1+{\frac {Q_{m0}}{Q_{L}}}}}$

             Qm0 = unloaded mechanical quality factor
             QE  = electric quality factor
             QL  = quality factor due to the acoustic load alone

右侧的第二项是介电损耗，第三项是机械损耗。

当以下条件满足时，效率最大化

$Q_{L}={\frac {1}{k_{eff}}}{\sqrt {\frac {Q_{m0}}{Q_{E}}}}=Q_{Lopt}$

然后

$\eta _{\max }=1-{\frac {2}{k_{\mathrm {eff} }{\sqrt {Q_{E}Q_{m0}}}}}\qquad \left(k_{\mathrm {eff} }{\sqrt {Q_{E}Q_{m0}}}\ll 1\right)$

最大超声波效率由以下公式描述：

$I_{\mathrm {w} max}={\frac {1}{2}}(\omega _{5}u_{l})_{max}^{2}\ \rho _{m\mathrm {w} }\nu _{\mathrm {w} }(W/m^{2})$

超声波换能器的应用包括

 Welding of plastics
 Atomization of liquids
 Ultrasonic drilling
 Ultrasonic cleaning
 Ultrasound
 Non destructive testing
 etc.

工程声学/压电换能器

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