小雪花的泪
压电（Piezoelectricity）1“压电学”的简单回顾
“压电学”的发展已经有了一百多年的历史。
丁盛将军
1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了“压电学”的历史。
1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英相同的正逆压电常数。
1894年，V oigt指出，仅无对称中心的二十种点的晶体才有可能具有压电效应，石英是压电晶体的一种代表，它被取得应用。 第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应，制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。 2 压电效应的机理
压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面
法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。 压电效应（Piezoelectricity），是材料中一种机械能与电能互换的现象，受到压力作用时会在两端出现电压的晶体材料叫压电材料。压电材料会有压电效应是因晶格内原子间特殊排列方式，使得材料有应力场与电场耦合的效应。
压电效应有正压电效应及逆压电效应两种。简单的说，通过外加压力而产生电荷，这是直接压电效应，反之，当外加一电压时，压电材料就会产生应力或机械运动，这就是反压电效应。这两种现象就像发动机和电动机实现电能和机械能之间的相互转换一样。
3晶体（Crystal）
农村公共产品供给内部质点具有周期性排列的格子结构的固体定义为晶体。晶体有单晶体和多晶体之分，单晶体中整个一块固体的原子或离子都是周期性规矩排列的，多晶体是由无数个微小的单晶体呈无规则的排列而成。同一物质的单晶体和多晶体，其物理性质是不完全相同的。晶胞有七种类型，又把晶体分为七个晶系：立方；六
方；四方；三方；正交；单斜；三斜。
晶体的主要性质：
（1）均匀性：指晶体的物理性质不随晶体部位的改变而改变，这是由于晶体内部结构的周期性。
（2）各向异性：指晶体的某些性质因观察方向的不同而不同，晶体的各向异性是由于晶体结构中各种方向上质点的性质和排列方式不同引起的。由于在晶体内部，凡是沿着相互平行的方向，质点的性质与排列方式是一致的，物理性质必相同。所以，晶体的各向异性和均匀性是相互补充的
（3）对称性：晶体的性质一般是各向异性的，但并不排斥晶体在某几个特定的方向上可以异相同性，这种相同的性质在不同方向或位置上有规律的重复出现的现象称为晶体的对称性。晶体的对称性也取决于内部的格子结构。
3.1晶体的压电性
压电晶体首先必须不导电，同时其结构还要有分别带正电荷和负电荷的离子或离子团存在。压电效应是由于晶体在机械力作用下发生形变，从而引起带电粒子的相对位移。
具有中心对称性的晶体，由于离子间中心对称排列不会因形变遭到破坏，即正负离子中心不会因外力作用发生相对位移，所以不会发生压电效应。具有极轴对称性点晶体可能具有压电性。压电性只晶体具有不对称的方向表现出来。3.2晶体的热释电性
晶体由于温度均匀变化而引起的表面荷电现象称为热释电效应，本质在于晶体存在自发极化。当晶体受热膨胀时，引起正负离子的相对位移，从而使晶体的自发极化发生改变。
压电晶体不一定是热释电晶体，只有具有唯一极轴的晶体才可能存在自发极化，才能是热释电晶体。热释电晶体一定是压电晶体。
极化状态是电场对电介质的荷电质点产生相对位移的作用力与电荷间的相互吸引力的暂时平衡统一的状态。
3.3 晶体的铁电性
在一些电介质晶体中，晶胞的结构使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的电极化强度，使晶体具有自发极化，晶体的这种性质叫铁电性
文献综述范文（ferroelectricity）。即晶体存在自发极化，且极化强度可随外电场重新取向的一种状态。
4 压电材料
压电材料按大的方向可分为无机压电材料和有机压电材料。
无机压电材料分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般指压电单晶体，压电陶瓷则泛指压电多晶体。
有机压电材料也叫压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。
第三类是复合压电材料。这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的
压电材料的一般分类见下图（1）
图（1）材料的一般分类
4.1压电单晶体
压电单晶体是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体无对称中心，因此具有压电性，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸
钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
4.2 压电多晶体（压电陶瓷）
压电陶瓷指用必要成分原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称为压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。
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4.3压电聚合物
压电聚合物材料其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。
4.4 压电复合物活在春天里
压电复合物是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。
5 压电材料在超声换能器中的应用
压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。下面我们介绍一下超声换能器和压电材料在超声换能器中的应用。
5.1超声换能器
超声换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界
的声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。
超声波是频率高于20000赫兹的声波，超声波是人耳听见的一种机械波，人耳能听到的声音，振动频率范围只是20HZ－20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小，而能成为声波射线并定向传播。它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。由于超声波在介质中传播时会产生许多物理、化学及生物等效应，同时因为超声波穿透力强、集束性好、信息携带量大、易于实现快速准确的在线无损检测和无损诊断，因而在工业、农业、国防、生物医学和科学研究等方面得到广泛的应用。
换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种能量的装置。在声学研究领域，换能器主要指电声换能器，它能实现电能与声能之间的相互转换。用于发射声波的换能器称为发射器，当换能器处于发射状态时，将电能转换为机械能，再转换为声能。用于接收声波的换能器称为接收器，当换能器处于接收状态时，将声能变成机械能再转换成电能在有些情况下换能器既能用作发射器又可用作接收器。
换能器的工作原理大体是相同的，通常，换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。当换能器用作发射器时，从激励电源的输出级送来的电震荡信号将引起换能器中的电储能元件中电场或磁场的变化，这种电场或是磁场的变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入
振动状态，从而推进与换能器的机械振动相接触的介质发生振动，向介质中辐射声波。接收声波的过程恰好与此相反，在接受声波的情况下，外来声波作用在换能器的振动面上，从而引起换能器的机械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压和电流。
超声换能器的种类很多，按照超声换能器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、压电式和电致伸缩式，目前，压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛。
压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转换为声信号，或者将声信号转换为电信号，从而实现能量的转换。
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