正压电效应与逆压电效应的概念（压电效应与超声波在介质中传播的特殊效应）
100次浏览 发布时间：2024-10-29 11:04:00
1 压电效应
自 1880 年法国科学家兄弟 J.Curie 和 P.Curie 发现了，当石英晶体受到外力时，在其表面会产生电荷。产生的电荷随着外力的改变而改变，外力增大，电荷增大且始终与外力成正比；外力方向发生改变，电荷的方向也改变；当外力被撤销时，电荷也就消失了。这种现象被称作正压电效应。
第二年相关研究，证实了反压电效应，即当晶体处在外加电场中，晶体将会发生变形。通过计算分析发现：晶体的应变大小与外加电场的大小成正比；电场的方向相反时，应变大小不变，方向相反（由正变负）；电场撤销，应变为零。
对某些电介质晶体施加机械应力，晶体内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，导致晶体两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外力呈正比。这种没有电场作用，而由机械应力的作用使电介质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应（正压电效应）。与上述情况相反，将具有压电效应的电介质晶体置于电场中，电场的作用引起电介质内部正负电荷中心产生相对位移，而这种现象又导致晶体发生形变，晶体的这种由外加电场产生形变的现象称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。
2 压电材料
具有这种压电效应的材料称为压电材料。目前，就压电材料的种类而言，包括压电单晶体、压电陶瓷（压电多晶体）、压电聚合物和压电复合材料四大类。就材料的形态来说，有压电体材料和压电薄膜两类
1956 年，性能更加优越的锆钛酸铅陶瓷（PZT）被发现了，PZT 陶瓷具有以下优点
（1）机电耦合系数大，即电能与机械能转换效率高；
（2）机械品质因数高，即振动时能量耗小；
（3）压电电压常数、机械强度高，即经过多次撞击不变形而且输出电压不降低；
（4）优良的频率、温度稳定性；
（5）制备简单、价格低廉等。
3 超声波在介质中传播的特殊效应
3.1 生热效应
超声波在传播过程中，会带动介质分子强烈振动，加剧介质分子间的相互碰撞，从而将超声波的能量转化为热能，超声热效应。
3.2 机械效应
指介质质点受超声波影响而产生的高频振动，介质则会交替伸张和收缩。
3.3 空化效应
4 压电常数
压电常数是压电体把机械能转变为电能或把电能转变成机械能的转换系数。它反应压电材料弹性（机械）性能与介电性能之间的耦合关系。压电系数越大，表征材料弹性性能与介电性能之间的耦合越强。
5 机械品质因数
机械品质因数也是衡量压电陶瓷材料的一个重要参数。它表示在振动转换时材料内部能量消耗的程度。机械品质因数越大，能量的损耗越小。产生损耗的原因在于内摩擦。
不同的压电器件对压电陶瓷材料的 Qm 值有不同的要求，超声电机要求压电陶瓷的 Qm 值要高，而音响器件及接收型换能器则要求 Qm 值要低。
6机电耦合系数
机电耦合系数 k 是综合反映压电材料性能的参数，它表示压电材料的机械能与电能的耦合效应。机电耦合系数可定义为：
7压电换能器
压电换能器一般将压电陶瓷和弹性体结合在一起成为振动体，通过压电或者逆压电效应来进行电声之间的转化，常用的结构是夹心式压电换能器，其通过预紧力螺栓将压电陶瓷片和其前后的金属体连接起来，像“夹心”一般。与磁致伸缩超声换能器相比，压电式换能器具有结构简单、无电磁辐射、能量密度高、成本低等优点。压电换能器可以沿着纵向振动、径向振动、弯曲振动或者扭转振动，还可以将其中的振动模式两两组合为复杂的振动模态。具体的振动方式的选择要根据应用的场合和需求来确定。
8 压电陶瓷的振动模式
压电陶瓷常见的四种振动模式分别是：
振动方向平行于电场方向，振动沿厚度方向 （a）。
振动方向垂直于电场方向，振动沿长度方向（b）。
振动方向平行于电场方向，在平面内进行剪切振动（c）。
振动方向垂直于电场方向，在平面内进行剪切振动（d）。
压电陶瓷驱动器的基本原理是利用压电陶瓷的逆压电效应：施加电场的瞬间，材料产生可控的应变，应变遵循基本的逆压电方程：
式中，S为应变，E为电场强度，i和j分别为电场和应变方向。
