压电陶瓷（片）工作原理与性能参数

压电陶瓷片，是—种新型的电子元件，其用途十分广泛。

压电陶瓷片，系以锆钛酸铅压电陶瓷材料制成。主要用于压电扬声器、传声器、超声延迟线、测量振动和测量压力的传感器、电话中的送受话器等方面作机械能(声能)转换成电能，或在低功率下由电能转换成机械能的换能元件；也可应用于超声波清洗焊接、探伤、超声诊断、超声医疗、水声发射、引燃、引爆等作高压强功率时将电能转换成机械能的换能元件。

原理与特性

压电效应具有可逆性：若在压电陶瓷片上施以音频电压，就能产生机械振动，发出声响；
反之，压电陶瓷片受到机械振动(或压力)时，片上就产生一定数量的电荷Q，从电极上可输
出电压信号。

目前比较常见的锗钛酸铅压电陶瓷片(PZT)，是用锆、钛、铅的氧化物配制后烧结而成的。鉴于人耳对频率约为3kHz的音响最敏感，所以通常将压电陶瓷片的谐振频率f₀设计在3kHz左右。考虑到在低频下工作，仅用一片压电陶瓷片难以满足频率要求，—般采用双膜片结构，其外形与符号如图1所示。它是把直径为d的压电陶瓷片与直径为D的金属振动片复合而成的。D一般为15~40mm，复合振动片的总厚度为h。

图1　压电陶瓷片结构和图形符号

当压电材料—定时，谐振频率与h成正比，与(D/2)2成反比。谐振频率fo与复合振动片的直径D呈指数关系，如图2(a)所示。显然D愈大，低频特性愈好。压电陶瓷片作传声器使用时，工作频率约为300Hz~5kHz。压电陶瓷片的阻抗Z取决于d/D之比，由图2(b)可见，阻抗随d/D比值的增大而降低。

图2　压电陶瓷片频率特性曲线

压电陶瓷片有两种驱动方式。第一种是自激振荡式驱动。其电路原理是通过晶体管放大器提供正反馈，构成压电晶体振荡器，使压电陶瓷片工作在谐振频率fo上而发声。此时压电陶瓷片呈低阻抗，输出音量受输入电流控制，因此亦称为电流驱动型。

第二种为他激振荡式驱动，利用方波(或短形波)振荡器来激励发声。这时压电陶瓷片一般工作于fo之外的频率上，因此阻抗较高，输入电流较小，它居于电压驱动式。其优点是音域较宽。音色较好。

表1　GS型压电陶瓷元件技术性能表

表2　GF型压电陶瓷元件技术性能参数