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晶体的压电效应及压电换能器的工作原理
来源: | 发布日期:2022-11-07

(1)晶体的压电效应

具有压电性能的晶体统称为压电晶体。对这种晶体在适当的方向上施加作用力时,其内部的电极化状态会发生变化,产生内部电场,并会在压电晶体相对两表面内出现与外力成正比的、符号相反的束缚电荷,这种外力作用使压电晶体带电的现象叫做压电效应。相反,若在压电晶体上加一外电场,在此电场作用下,压电晶体内部电极化状态会发生相应的变化,产生与外加电场强度成正比的应变现象,这一现象叫做逆压电效应。压电晶体通过逆压电效应可以将电能转换成机械能。其他压电材料(包括压电陶瓷等材料)也具有上述特性。


有两种压电效应是很常用的,一种是形变的方向与电场的方向相重合,这种压电效应如图4-15所示,称之为纵向压电效应;另一种是形变的方向与电场的方向相垂直,这种压电效应如图4-16所示,称之为横向压电效应。

 

(2)压电换能器的工作原理

压电换能器是利用压电材料在电场作用下产生形变的特性,即上述压电晶体的逆压电效应而制成的超声换能器,如图4-17所示,将压电材料做成片状,上下两面涂上银层作为电极,并进行极化处理,在该压电片两电极间加上电场。可能出现两种情况:


①外加电场与压电片极化方向相同。外加电场起到了使压电片的极化强度增大的作用。极化强度的增大,使压电片沿极化方向产生伸长的形变。


②外加电场与极化方向相反。反向电场将削弱压电片的极化强度,使得压电片沿极化方向产生缩短的形变。

利用这两种现象,将外加电场换为交变电场时,压电片就会产生与交变电场同频率的交变形变,从而使压电片两面向外辐射声波。当外加电场频率与压电片固有频率相同产生谐振时,压电片振动最大,声辐射也最强烈。

压电片厚度方向逆压电效应表达式为


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式中,S3为沿厚度方向的伸缩应变;d33为沿厚度方向的压电常数;U3为沿厚度方向所加电压;t为压电片厚度。



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