超声波的产生

能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等。我们把能够实现超声能量与其他形式能量相互转换的器件称为超声波换能器。 一般情况下，超声波换能器既能用于发射又能用于接收。

在本专题实验中，我们采用压电效应实现超声波信号与电信号的转换，即压电换能器，它是利用压电材料的压电效应实现超声波的发射和接收。

某些固体物质，在压力（或拉力）的作用下产生变形，从而使物质本身极化，在物体相对的表面出现正、负束缚电荷，这一效应称为压电效应。

物质的压电效应与其内部的结构有关。如石英晶体的化学成分是SiO2，它可以看成由+4价的Si离子和-2价O离子组成。晶体内，两种离子形成有规律的六角形排列，如图Z1-1所示。其中三个正原子组成一个向右的正三角形，正电中心在三角形的重心处。类似，三个负原子对（六个负原子）组成一个向左的三角形，其负电中心也在这个三角形的重心处。晶体不受力时，两个三角形重心重合，六角形单元是电中性的。整个晶体由许多这样的六角形构成，也是电中性的。

当晶体沿x方向受一拉力，或沿y方向受一压力，上述六角形沿x方向拉长，使得正、负电中心不重合。尽管这是六角形单元仍然是电中性的，但是正负电中心不重合，产生电偶极矩 。整个晶体中有许多这样的电偶极矩排列，使得晶体极化，左右表面出现束缚电荷。当外力去掉，晶体恢复原来的形状，极化也消失。（许多大学物理教材都有关于电极化理论的介绍）

由于同样的原因，当晶体沿y方向受拉力，或沿x方向受压力，正原子三角形和负原子三角形都被压扁，也造成正、负电中心不重合。但是这时电偶极矩的方向与x方向受拉力时相反，晶体的极化方向也相反。这就是压电效应产生的原因。

当外力沿z轴方向（垂直于图Z1-1中的纸面方向），由于不造成正负电中心的相对位移，所以不产生压电效应。由此可见，石英晶体的压电效应是有方向性的。

当一个不受外力的石英晶体受电场作用，其正负离子向相反的方向移动，于是产生了晶体的变形。这一效应是逆压电效应。

还有一类晶体，如钛酸钡（BaTiCO3），在室温下即使不受外力作用，正负电中心也不重合，具有自发极化现象。这类晶体也具有压电效应和逆压电效应，它们多是由人工制成的陶瓷材料，又叫压电陶瓷。本实验中超声波换能器采用的压电材料为压电陶瓷。

脉冲超声波的产生及其特点

用作超声波换能器的压电陶瓷被加工成平面状，并在正反两面分别镀上银层作为电极，这样被称为压电晶片。当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时, 由于逆压效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡, 振荡频率与晶片的声速和厚度有关, 适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波, 即超声波。在晶片的振动过程中，由于能量的减少，其振幅也逐渐减小，因此它发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波