(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

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。