压电效应的核心前提是:材料的晶体结构不具有中心对称性。这类材料(如石英单晶体、PZT 压电陶瓷)的每个晶胞 / 电畴中,正电荷的 “重心” 与负电荷的 “重心” 不重合,形成了电偶极子(电偶极矩),对应图中的椭圆,在形变时让正负电荷中心产生净的相对位移,进而产生宏观极化。若晶体有中心对称,形变时正负电荷的位移会相互抵消,不会产生压电效应。
未加压力时:虽然材料内部存在大量电偶极子,但这些电偶极子在宏观上统计均匀排列、相互抵消(单晶体未形变时正负电荷中心完全重合;压电陶瓷经极化后,内部剩余极化被电极表面吸附的自由电荷完全中和)。因此宏观上电极表面没有净电荷,材料整体呈电中性,无法检测到电压。
外力作用下:材料发生弹性形变,内部晶胞 / 电畴被拉伸 / 压缩,正负电荷中心发生相对位移,打破了原本的电中性平衡,上、下电极感应出电荷,形成可测量的电场 / 电压。
上、下电极出现的表面电荷的本质分两类:
压电单晶体(如石英):是内部正负电荷中心相对位移后,宏观极化的变化在电极上感应出的感应电荷,遵循电磁感应的基本原理。
压电陶瓷(如 PZT,换能器主流材料):是极化后原本吸附在电极表面、用于中和内部剩余极化的自由电荷,在形变导致极化变化时,被 “释放” 出来,形成可测量的表面电荷。
撤去力瞬间:形变恢复,感应电荷消失。
压电效应的行为完全由电边界条件(开路 / 短路)和力边界条件(自由 / 夹持)决定,
收发一体的超声换能器既要高效率发送,又要高灵敏度接收,所以会把超声信号频率设置在串联谐振频率与并联谐振频率之间,而不是恰好在串联谐振频率。另外如上图,需注意压电超声换能器从不振动到稳定振动是有一个起振过程的。【医学超声入门之13---9分钟搞定压电效应与压电振子】 https://www.bilibili.com/video/BV1pHYkevEZR/?share_source=copy_web&vd_source=0a8e9af0f44ba544a5b9a936e733e7c5
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