超声波和压电效应

如果外力作用在气体、液体或固体等弹性介质上，则压力和密度波动会在空间和时间上从受力点开始进行起伏传播。这就是所谓的声音。

超声波是传播波的频率超出16,000赫兹时使用的术语，如此之高的频率使其无法被人耳察觉。超声波的频率范围高达16千兆赫，即160亿周期/秒。

工业、医疗技术和研究将超声波用于多种用途。广为人知的应用领域是超声检查，也称为回波描记术。在这里，超声波用于生成组织和器官的图像。与医疗技术中的其他成像方法相比，超声检查一个很大的优势在于声波是无害的，甚至可以用于未出生的婴儿。

除了医学成像之外，测量技术中的应用还要求低声强。声强描述了撞击某个表面的功率。如果声强超过10瓦/厘米2，则称为高功率声音。与低功率超声波相比，高功率超声波会引起材料变化甚至破坏，因此适用于材料加工、超声清洗或医疗领域的碎石术。

压电陶瓷元件如何产生超声波？

压电陶瓷是产生和检测超声波的适宜材料。载流子在电场作用下在压电材料中迁移，从而导致长度出现肉眼可见的的变化（逆压电效应）。如果施加的电压为交流电压，则介质（例如空气）中的粒子开始振动。出现压力波动。粒子稀疏会导致压力降低，而受压则会导致压力增加。声音波长描述了两个稀疏或受压区域之间的距离。产生的声波在周围介质中传播。声速根据介质的密度和弹性特性的不同而变化。

纵波与横波之间存在根本性区别。对于纵波，振荡发生在其传播面上。它们可以在液体和气体中传播，也可以在固体中传播。而对于横波，则垂直于其传播方向振荡，这仅在固体中才有可能。两种波型均可以通过边界区域的反射或折射转换为另一种波形，从而形成密度更大的材料。

换能器的原理结构

电声换能器也称为换能器，可将声能转换为电能，反之亦然。它由有源压电陶瓷元件、外壳和电气连接器组成。

传播声波的一个重要参数是特性声阻抗，也称为波阻抗。它取决于介质密度和声速。两种介质的声阻抗之间的差异决定了声波能否以及如何从一种介质传播到另一种介质。如果该差异过大，就会反射声波，因此无法进行传播。

压电陶瓷元件与换能器中的周围介质之间的适配层（转换层）可确保声阻抗的*小可能差异，从而提高传播质量。理想情况下，该层的厚度等于声波波长的四分之一(λ/4)。

通过阻抗表征压电陶瓷

受激振荡的压电元件的机电特性可以用电气等效电路图表示。C0 表示电介质的电容。串联 C1, L1和 R1 描述了弹性变形、有效质量和惯性以及内部摩擦产生的机械损失等机械性能的变化。然而，此谐振电路的描述仅适用于机械固有谐振附近的频率。大多数压电材料参数是通过对共振时的特殊试验体进行阻抗测量来确定。Z 阻抗也称为视在电阻，是一种复合型交流电阻，其中实部代表欧姆电阻，虚部代表电抗。阻抗由复矢量的长度和相位角φ来描述。