压电陶瓷共振是怎么回事

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

2） 5个周期的500kHz的正弦电压激励，作用时间也很短，激励时以500KHz振动， 激励结束后，应该以谐振频率1MHz振动。

压电陶瓷的介电性是反映陶瓷材料对外电场的响应程度，通常用介电常数ε0来表示。在外电场不太大时, 电介质对电场的响应可用线性关系： 表示,P为极化强度, ε0为真空介电常数,为电极化率,E为外加电场。不同用途的压电陶瓷元器件对压电陶瓷的介电常数要求不同。例如, 压电陶瓷扬声器等音频元件要求陶瓷的介电常数要大, 而高频压电陶瓷元器件则要求材料的介电常数要小。

压电陶瓷的弹性系数是反映陶瓷的形变与作用力之间关系的参数。压电陶瓷材料同其它弹性体一样,遵循胡克定律: Xmn=cmnpqxmnpq, 式中cmnpq叫做弹性体的弹性硬度常数, X 为应力,x为应变。对于压电体,由于存在压电性,弹性系数的数值与电学边界条件有关。 压电陶瓷最大的特性是具有压电性, 包括正压电性和逆压电性。正压电性是指某些电介质在机械外力作用下,介质内部正负电荷中心发生相对位移而引起极化, 从而导致电介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在外力不太大的情况下, 其电荷密度与外力成正比, 遵循公式：

其中,δ为面电荷密度, d为压电应变常数,T为伸缩应力。反之,当给具有压电性的电介质加上外电场时,电介质内部正负电荷中心发生相对位移而被极化, 由此位移导致电介质发生形变,这种效应称之为逆压电性。当电场不是很强时形变与外电场呈线性关系, 遵循公式：

dt为逆压电应变常数, 即d的转置矩阵, E为外加电场, x为应变。压电效应的强弱反映了晶体的弹性性能与介电性能之间的耦合程度,用机电耦合系数K表示, 遵循公式:

其中u12为压电能, u1为弹性能, u2为介电能。 经过极化了的压电陶瓷片的两端会出现束缚电荷, 所以在电极表面上吸附了一层来自外界的自由电荷。当给陶瓷片施加一外界压力F时，片的两端会出现放电现象。相反加以拉力会出现充电现象。这种机械效应转变成电效应的现象属于正压电效应。

另外, 压电陶瓷具有自发极化的性质, 而自发极化可以在外电场的作用下发生转变。因此当给具有压电性的电介质加上外电场时会发生如图所示的变化, 压电陶瓷会有变形。然而, 压电陶瓷之所以会有变形, 是因为当加上与自发极化相同的外电场时, 相当于增强了极化强度。极化强度的增大使压电陶瓷片沿极化方向伸长。相反, 如果加反向电场,则陶瓷片沿极化方向缩短。这种由于电效应转变成机械效应的现象是逆压电效应。 压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。

压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构－－压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。

压电蜂鸣片声音元件的声源主要来自压电振动板。压电振动板由一块两面印刷有电极的压电陶瓷板和一块金属板（黄铜或不锈钢等）组成。 使用粘合剂，将压电振动板和金属片粘接在一起，这就是我们俗称的蜂鸣片。

图2所示为压电振动板的振荡体系。 当在压电振动板的两个电极间施加直流电压时，由于压电效应，导致机械变形。对于形状扭曲的压电元件，其变形以辐射方向伸展。

压电振动板则沿图2（a）所示方向弯曲，而粘结于压电振动板的金属片不会伸展。相反，当压电元件收缩时，压电振动板则会沿图2（b）所示方向弯曲。因此，当交流电压穿过电极时，如图2（c）所示，图2（a）和图2（b）所示之弯曲就会交替重复发生，从而在空气中产生声波。

蜂鸣片一般而言，人的声频范围大约在20Hz到20kHz之间。人们最易听到的声频为2kHz到4kHz。因此，绝大部分压电声音元件应用在此声频范围内。

蜂鸣片一般而言，人的声频范围大约在20Hz到20kHz之间。人们最易听到的声频为2kHz到4kHz。因此，绝大部分压电声音元件应用在此声频范围内。同时，蜂鸣片谐振频率（f0）一般也选定在相同的范围内。如图3所示，谐振频率取决于支承压电振动板所采用的方法。如果压电振动板的形状相同，其数值将按照（a)、(b）和（c）的顺序变小。

通常情况下，压电振动板被安装在共鸣腔室内，以产生高声压（如图4)。利用公式（1）(赫尔姆霍茨公式)，可以计算出图4中共鸣腔室的谐振频率（fcav)。由于压电振动板和共鸣腔室具有适当的谐振频率，分别为（f0）和（fcav)，因此，可以通过控制两者的位置来增大特定频率下的声压和获得特定的带宽。