1.压电效应

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应，如图3-14所示；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。

具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料分为单晶材料和多晶材料，常用的单晶材料有石英（SiO₂）、碘酸锂等，常用多晶材料有锆钛酸铅（PbZrTiO₃，缩写为PZT）、钛酸铅（PbTiO₃，缩写为PT）等，多晶材料又称压电陶瓷。单晶材料接收灵敏度较高，多晶材料发射灵敏较高。

压电单晶体是各向异性的，其产生压电效应的机理与其特定方向上的原子排列方式有关。当晶体受到特定方向的压力而变形时，可使带有正、负电荷的原子位置沿某一方向改变，而使晶体的一侧带有正电荷，另一侧带有负电荷。

图3-14 压电效 应示意图

压电多晶体是各向同性的。为了使整个晶片具有压电效应，必须对陶瓷多晶体进行极化处理，即在一定温度下以强外电场施加在多晶体的两端，使多晶体中的各晶胞的极化方向重新取向，从而获得总体上的压电效应。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。超声波探头就是压电传感器的一种，其压电晶片具有压电效应，当高频电脉冲激励压电晶片时，发生逆压电效应，将电能转换为声能（机械能），探头发射超声波。当探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转换为电能。超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转换，因此常把探头叫作换能器。

2.压电材料的主要性能参数

（1）压电应变常数d₃₃ 压电应变常数d₃₃表示在压电晶体上施加单位电压时所产生的应变大小，单位为m/V。

式中 U——施加在压电晶片两面的电压；

Δt——晶片在厚度方向的变形量。

压电应变常数d₃₃是衡量压电晶体材料发射性能的重要参数。d₃₃值大，发射性能好，发射灵敏度高。

（2）压电电压常数g₃₃ 压电电压常数g₃₃表示作用在压电晶体上单位应力所产生的电压梯度大小，单位为V·m/N。

式中 P——施加在压电晶片两面的应力；

U_p——晶片表面产生的电压梯度，即电压U与晶片厚度t之比，U_p=U/t。

压电电压常数g₃₃是衡量压电晶体材料接收性能的重要参数。g₃₃值越大，接收性能越好，接收灵敏度越高。

（3）介电常数ε

C=ε（A/t） （3-4）

式中 C——电容器电容；

A——电容器极板面积；

t——电容器极板距离。

由式（3-4）可知，当电容器极板间距和面积一定时，介电常数ε越大，电容C也就越大，即电容器所储电量就越多。压电晶体的ε应根据不同用途来选取。超声检测用的压电晶体，频率一般要求比较高，此时，ε应小一些。因为ε越小，C就越小，电容器充放电时间越短、频率越高。

（4）机电耦合系数K 机电耦合系数K表示压电材料机械能（声能）与电能之间的转换效率。

对于正压电效应：

对干逆压电效应：(www.daowen.com)

压电晶片振动时，同时产生厚度方向和平面方向的伸缩变形，因此机电耦合系数分为厚度方向机电耦合系数K_t和平面方向机电耦合系数K_p。K_t越大，检测灵敏度越高；K_p越大，低频谐振波增多，发射脉冲变宽，导致分辨力降低，盲区增大。

（5）机械品质因子Q_m 压电晶片在谐振时储存的机械能E_储与在一个周期内损耗的能量E_损之比称为机械品质因子Q_m：

压电晶片振动损耗的能量主要是由内摩擦引起的。Q_m值对分辨力有较大的影响，Q_m值大，表示损耗小，晶片持续振动时间长，脉冲宽度大，分辨力低。反之，Q_m值小，表示损耗大，脉冲宽度小，分辨力高。

（6）厚度频率常数N_t 由驻波原理可知，压电晶片以厚度模式振动，基频时t=λ/2，则基频谐振频率f的表达式为

式中 t——晶片厚度；

c——晶片中的纵波声速。

由式（3-5）可知：

式（3-6）说明压电晶片的厚度与基频的乘积是一个常数，这个常数称为厚度频率常数，简称频率常数，用N_t表示。该式表明用同样的材料制作探头时，晶片越薄，频率越高；晶片越厚，频率越低。频率常数的单位与声速的单位相同，并可表示为MHz·mm的形式，以便压电晶片频率或厚度的计算。

由式（3-5）可见，探头向工件发射超声波的频率主要取决于晶片的厚度和晶片中的声速。

例1：使用PZT-4多晶材料制作2.5MHz的纵波直探头，该晶片的厚度应设计为多厚？

解：由表3-1可知，PZT-4多晶材料的频率常数N_t为2.0MHz·mm，则根据式（3-6）得：

例2：使用厚度为0.2mm的PZT-4多晶材料制作纵波直探头，其共振频率为多少？

解：根据式（3-6）得

（7）居里温度T 压电材料与磁性材料一样，其压电效应与温度有关。它只能在一定的温度范围内产生，超过一定的温度，压电效应就会消失。使压电材料的压电效应消失的温度称为压电材料的居里温度，用T_c表示。例如，石英T_c=570℃，钛酸钡T_c=115℃。制作高温条件下工作的探头宜选用T_c高的材料。常用压电材料性能参数见表3-1。

（8）声阻抗率 见第2章2.5.2节。

表3-1 超声波探头常用压电材料主要性能参数

超声波探头对晶片的一般要求如下：

①机电耦合系数K较大，以便获得较高的转换效率。

②机械品质因子Q_m较小，以便获得较高的分辨力和较小的盲区，但Q_m小，灵敏度变低。

③压电应变常数d₃₃和压电电压常数g₃₃较大，以便获得较高的发射灵敏度和接收灵敏度。

④频率常数N_t较大，介电常数ε较小，以便获得较高的频率。

⑤居里温度T_c较高，声阻抗Z适当。