引言

壓電一詞源於希臘語“piezo”，意為壓力電力。某些晶體物質在機械應力作用下會產生電荷，反之，在電場存在下也會發生機械應變。壓電效應描述了一種情況，其中換能材料感知輸入機械振動並在振動頻率下產生電荷。交流電壓會導致壓電材料以與輸入電流相同的頻率以振盪方式振動。

石英是最著名的具有壓電效能的單晶材料。在具有ABO3鈣鈦礦晶體結構的材料中可以誘匯出強壓電效應。“A”表示較大的二價金屬離子，例如鉛，“B”表示較小的四價離子，例如鈦或鋯。

對於任何晶體要表現出壓電效應，其結構必須沒有對稱中心。施加在晶體上的拉伸或壓縮應力都會改變晶胞中正負電荷中心的間距，從而導致晶體表面產生淨極化。極化與施加的應力成正比，並且與方向有關，因此壓縮和拉伸應力將導致相反電壓的電場。

振動與位移

壓電陶瓷在居里溫度以下具有非中心對稱晶胞，在居里溫度以上具有中心對稱晶胞。非中心對稱結構提供淨電偶極矩。偶極子隨機取向，直到施加強直流電場導致永久極化，從而產生壓電特性。

極化的陶瓷可能會受到應力作用，導致晶格發生畸變，從而改變陶瓷的總偶極矩。由於施加的應力引起的偶極矩變化會導致淨電場，該電場隨應力線性變化。

動態效能

壓電材料的動態效能與其在接近機械諧振時的交變應力下的行為有關。下圖等效電路中C2與L1、C1和R1的並聯組合控制換能器的電抗，電抗是頻率的函式。

等效電路

頻率響應

下圖顯示了壓電換能器的阻抗隨頻率的變化。fm處的最小值對應於諧振，而fn處的最大值對應於反諧振。

諧振器件

非諧振器件可以用表示壓電電容的電容器來建模，並用表示機械振動系統的阻抗作為電路中的並聯來建模。在非諧振情況下，阻抗可以建模為電容器，這使得電路可以簡化為一個替換並聯組合的單個電容器。

對於諧振器件，阻抗在諧振時變為電阻或靜態電容。這是一個不良影響。在機械驅動系統中，這種效應充當換能器的負載並降低電輸出。在電驅動系統中，這種效應會分流驅動器，需要更大的輸入電流。在諧振操作時遇到的靜態電容的不利影響可以透過使用與工作頻率下的靜態電容諧振的並聯或串聯電感器來抵消。

應用

機械測量

由於壓電的介電漏電流，它們不適合於力或壓力變化緩慢的應用。但是，它們非常適合於爆破測量儀和加速度計可能需要的動態測量。

超聲波

高強度超聲波應用使用半波長換能器，其諧振頻率在18 kHz到45 kHz之間。產生高強度需要大量的換能器材料，這使得製造變得困難且經濟上不可行。此外，由於半波長換能器在中心具有最高的應力幅度，因此端部充當惰性質量。端部通常用具有更高機械品質因數的金屬板替換；使複合換能器比單件換能器具有更高的機械品質因數。

總的電聲效率為

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

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

右側的第二項是介電損耗，第三項是機械損耗。

當以下條件滿足時，效率最大化

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

然後

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

最大超聲波效率由以下公式描述：

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

超聲波換能器的應用包括

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

工程聲學/壓電換能器

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