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技術(shù)專欄

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壓電式換能器的工作原理是什么?

  壓電式換能器是利用某些單晶材料的壓電效應(yīng)和某些多晶材料的電致伸縮效應(yīng)來(lái)將電能與聲能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的器件。因其電聲效率高、功率容量大以及結(jié)構(gòu)和形狀可以根據(jù)不同的應(yīng)用分別進(jìn)行設(shè)計(jì),在功率超聲領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

  壓電效應(yīng)

  某些單晶材料的結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱特性,當(dāng)這些材料受到外加應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的變化(形變)會(huì)破壞原來(lái)宏觀表現(xiàn)為電中性的狀態(tài),產(chǎn)生*化電場(chǎng)(電*化),所產(chǎn)生的電場(chǎng)(電*化強(qiáng)度)與應(yīng)變的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng),它是由居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。隨后,在1881年又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這類單晶材料還具有逆壓電效應(yīng),即具有正壓電效應(yīng)的材料在受到外加電場(chǎng)作用時(shí),會(huì)有應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生,其應(yīng)變與外電場(chǎng)的大小成正比。

  壓電效應(yīng)是晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)特性,它與晶體結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性有關(guān),而壓電效應(yīng)的大小及性質(zhì)則與施加的應(yīng)力或電場(chǎng)對(duì)晶體結(jié)晶軸的相對(duì)方向有關(guān)。

  具有壓電效應(yīng)的單晶材料種類很多,常用的如天然石英(SiO2)晶體,以及人工單晶材料如硫酸鋰(Li2SO4)、鈮酸鋰(LiNbO3)等等。

  電致伸縮效應(yīng)

  某些多晶材料中存在有自發(fā)形成的分子集團(tuán),即所謂“電疇”,它具有一定的*化,并且沿*化方向的長(zhǎng)度往往與其他方向的長(zhǎng)度不同。當(dāng)有外加電場(chǎng)作用時(shí),電疇會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),使其*化方向與外加電場(chǎng)方向趨于一致,從而使該材料沿外加電場(chǎng)方向的長(zhǎng)度將發(fā)生變化,表現(xiàn)為彈性應(yīng)變。這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應(yīng)。

  電致伸縮效應(yīng)也有逆效應(yīng),即具有電致伸縮效應(yīng)的多晶材料在經(jīng)受外加應(yīng)力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),其總的*化強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生變化,即表現(xiàn)為電*化(產(chǎn)生電場(chǎng))。

  因此,電致伸縮效應(yīng)可以說(shuō)與電*化現(xiàn)象有關(guān)(自*化)。

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