4 超声波与压电陶瓷

第二次世界大战中，德国军队的潜水艇和德国的军事势力一样，经过了由盛到衰的历史。

战争初期，德军投入了大量的 V—11 型潜艇，潜艇经常在水下偷偷接近英国商船或军用船只，在近距离用鱼雷发起突然袭击。英国被击沉的船只达数千艘，遭受了惨重的损失。盟军用雷达和声纳挽救了战局。雷达能侦察到浮到海面上充电的潜艇，而装在舰艇上的声纳能“听”到水下的潜艇，所以潜艇从“无形杀手”变成了被追捕的猎物，大量被击毁。到了战争后期，德军潜艇已不能构成威胁，盟军取得了制海权。

声纳是一种超声波定位探测系统，它向水下发射方向性很强的超声波束，靠接收反射回来的声波来判断水下物体的位置。人们早就知道蝙蝠是用耳朵“看”东西的。蝙蝠的嘴能发出每秒 13 万周的频率的声波，耳朵能听到它回声，还能够准确地判断造成回声的物体的方向和位置。

人的耳朵能听到每秒 20 到 2000 次的振动。每秒低于 20 次的振动称为次

声波，高于 2000 次的称为超声波，人耳都是听不到的。狗的耳朵能听见超声波。有一部电视剧《犬笛》，讲的是一个小孩能吹出只有狗才听得见的声音。这支笛子发出的就是超声波，犬笛是 1883 年发明的，所以这个故事是有科学依据的。

人们不仅能用超声波进行水下探测潜艇，还用声纳测定海深，研究海底构造，探测鱼群。还用超声波检查人体内的病变和肿瘤，用超声波探测桥梁、大型钢铁制件里的气泡和裂缝。超声波探测不仅像神话中的“顺风耳”，更是一种穿透钢铁的“透视眼”。

法国物理学家皮埃尔·居里是著名女科学家玛丽·居里的丈夫，他们因发现放射性元素共同获得 1903 年的诺贝尔物理学奖。正是这位居里先生发现了压电现象。

1880 年，皮埃尔·居里和他的弟弟雅克·居里发现石英晶体在受到机械压力时会在晶体两端产生电压，这种现象称为压电现象或压电效应。反过来，如果在石英晶体两端加上电压，石英晶体就会产生轻微的收缩，这种现象称为电致伸缩或负压电效应。

显然，如果把一种快速波动的电压加到石英上，石英就会作相应的振动，形成超声波。1917 年法国物理学家朗之万用这种方法产生了超声波，并把超声波用到侦察潜艇上。在二战中，这种技术进一步发展完善，成为声纳技术。

现在，陶瓷已经完全取代天然晶体，成为广泛使用的压电材料，这就是锆钛酸铅陶瓷。

锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）是六十年代发现的。锆钛酸铅的优异性能促进了超声技术的发展和应用，在压电材料中至今仍占有最显著的地位。三十多年来，寻找新的压电材料的研究很多也是以锆钛酸铅为基础的，元素周期表

中所有可能使用的元素几乎都被用来掺杂到锆钛酸铅中，以便产生能适应不同要求的新型陶瓷，形成了数以千计的专利技术。

压电陶瓷的用处很广，目前已进入实用阶段，例如：

压电点火器点火器的核心是两粒黄豆大的锆钛酸铅压电陶瓷，每粒陶瓷连着一个电极，两个电极相距几个毫米。打火时，手指的力量通过机械传动、挤压两颗压电陶瓷，由于压电效应，陶瓷受到挤压后产生数千伏的电压，电压传到电极上，电极间距离很小，高电压击穿电极间的空气产生电火花，从而点燃煤气、液化气。这种点火方式一发即中，可靠性高，装置简单，使用寿命长。

压电传感器传感器是自动检测，自动控制系统的眼睛和耳朵。它把要检测的对象的性质转变成电讯号传送给检测和控制系统。这些待测对象有各种化学性质，也有温度、压力等物理性质。作为传感器的材料必须对测量的对象敏感。一种材料往往只能感觉一、两种性质，只用于相应性质的测量。压电材料能把压力或振动变成电讯号，因而被用来制造检测机械振动的传感器。

声纳系统需要接受水下的振动，这个装置叫水听器，是用压电陶瓷做传感器的。水听器的灵敏度非常高，甚至可以检测到十多米远处的昆虫拍打翅膀所引起的空气波动，用来探测水下物体，自然就可以做到“明察秋毫”了。

频率控制器无线电通讯需要对频率实行控制。利用压电效应可以制成性能优良的频率控制器。向压电体施加高频电压、压电体就产生频率相同的机械波振动。当机械振动频率和压电体的固有频率相同时，就产生共振（谐振），使机械振动的幅度大大增加。由于压电效应，这种大幅度的机械振动又产生交变电流。电场能和机械能互相转换，形成振荡。在谐振频率下，流过压电体的电流最大，阻抗最小，因此，可以用压电体制造从音频到超高频的各种滤波器、谐振器，而且体积小，频率稳定性好。

精密位移控制在压电陶瓷两端加上电压，陶瓷就产生微小的形变，这种性质可以用来进行精密位移控制，制成压电控制器。在精密仪器、精密机械、光学仪器等领域中经常要用到精密位移控制。传统的方法用机械传装置来实现。比较起来，压电控制反应速度快，装置体积小。

在精密位移控制方面，铌镁酸铅陶瓷性能更为优越。它的电极伸缩效应大，可以达到千分之几；经历多次反复伸缩仍能保持原有尺寸不变形。因为在电压下产生伸缩的效应称电致伸缩效应，所以铌镁酸铅被称为电致伸缩陶瓷。

多层结构的电致伸缩位移器可以在低电压下工作，使得位移器工作电压降低，安全性增加了。

电致伸缩位移器的伸缩效应大，因而位移器体积更小。例如弯月型位移器只有 3 毫米厚可以产生百微米级的位移。