声波滤波器基础——神奇的压电效应

大家好，我是RF小木匠

我们在之前的文章中介绍了一些关于声波滤波器的知识，从什么是声波，到声表面波，再到声表面波滤波器的结构，当然这里面也介绍了一些体声波滤波器。当然都是泛泛之谈，我们期望从器件的根源着手，详细去分析讲解。当然这里面也遗漏了一个重要的原理：压电效应和压电陶瓷，这个就是电磁波怎么变成为声波的原理。今天我们尝试着去解开压电效应的奥秘。

压电效应有个比较拗口的英文名字：Piezoelectric（paɪ,izoɪ'lektrɪk），这个单词我现在还不会读。还好国人给了它一个形象的名字：压电，这里面包含了压力和电，这也就形象的描述了这个特性，受到压力产生电流，如下图所示：

也足以看到中国文字的博大精深，什么Piezo，源自希腊又怎么样，你要标标准准的来自英国就应该叫做：Press-electric，这不就明白了吗？简而言之：压电效应就是当晶体受到挤压时会产生电流，反过来，当向晶体施加电流时，晶体形状也会发生变化。

神奇不？这么神奇的东西哪里有呢？其实压电晶体就在我们的身边，我们日常用的石英表，扬声器、麦克风都含有压电晶体，还有一个就是我们生活中最常用的电子打火机，就用到了压电晶体。

你可能会有所怀疑，这么神奇的东西居然这么普遍？是的，打火机的工作原理是什么呢？请看下图：你手一按，产生压力，然后压电晶体产生电流，在开路处产生电火花，打火机就打着了。

小时候，肯定有不少男生拿着这个欺负小女生。被这个电一下确实蛮疼的。

我们简单了解了压电效应之后，那么压电晶体到底是个什么玩意呢？顾名思义，压电晶体，就是具有压电效应的晶体。这里要从晶体的构造说起。规则晶体由通过键结合在一起的原子的组织和重复结构定义，这称为晶胞。大多数晶体（例如铁）具有对称的晶胞，这使其无法用于压电目的。如下图所示：

但是压电晶体却比较特殊，它的晶胞是不对称的。但是它仍然可以以电中性平衡存在。但是呢，当你在晶体表面施加压力时，晶体结构变形，原子就会互相推挤，就可以产生电流，这就完成了机械力到电的转变。当你对压电晶体施加电流时，晶体就会膨胀和收缩，就可以实现电流到机械能的转变。

这种压电材料有很多种，我们在电子设计中最常用的是石英晶体，还有一些天然的压电材料包括蔗糖，罗谢尔盐，黄玉，电气石，甚至骨骼。

但是天然材料很多应用比较受限，所以人们有制造了很多人造压电材料，比如PZT由锆钛酸铅制成，在相同的机械压力下可以产生比石英更高的电压，下图就是在超声波中使用的PTZ压电材料。

钛酸钡是一种陶瓷压电材料，在第二次世界大战期间被发现，并以其持久的耐用性而闻名。

铌酸锂是将氧，锂和lithium结合在一起的陶瓷材料，其性能与钛酸钡相似。

正因为有了这些压电材料，我们才能将压电效应发挥的极致，制做扬声器、麦克风。

当然还有医院的B超。

当然也构成各种声波滤波器的物理基础

---

今天就到这里了。欢迎大家留言讨论。