压电效应是一种机电现象，存在于某些不对称晶体结构中，例如石英和各种多晶陶瓷。当压电材料受到物理应力时，它将极化并在其表面产生电压。这种将机械能转换为电能的过程被称为正压电效应。同样，将压电材料暴露在电场中会导致其变形，根据电场的方向，要么膨胀，要么收缩。这被称为逆压电效应。如果暴露在电交流信号下，压电材料将开始振动，因为它会交替收缩和膨胀，从而发出声波。
什么是声音？
本质上，声音是振动物体发出的压力波。振动物体在一秒钟内产生的波的数量称为声音的频率 ( f )，以赫兹 (Hz) 为单位。因此，如果一个物体每秒发出 20 个波，则其频率为 20 Hz。对于人耳来说，声音频率表现为 音调。较高的频率会产生高音调的声音，例如口哨声，而较低的频率会被认为是低音调的声音，例如滚滚雷声。人耳可听到的频率范围约为 20 Hz 至 20000 Hz (20kHz)。
什么是超声波？
频率高于 20 kHz 的声音称为超声波。当传播的声音遇到具有不同声阻抗 ( Z ) 的材料之间的边界时，一部分波会被反射回来 ( R )，而其余部分则会穿过。两种材料之间的声阻抗差异越大，反射回来的波就越多：
声音携带的能量由声波的频率和振幅 ( A ) 决定。随着频率和振幅的增加，能量也会增加，因此超声波比相同振幅的低频声音包含更多的能量。这使得超声波的反射波更容易被检测到。
压电装置如何产生和利用超声波？
压电元件可以通过逆压电效应振动，直至开始发射超声波。同时，它们可以记录机械能（例如声音），并通过压电效应将其转换为电能。通过一种或两种压电效应将一种能量转换为另一种能量的设备称为压电换能器。这些设备可实现各种超声波技术。
诊断医学中的超声成像
超声波用于诊断医学的多个领域。一个众所周知的应用是使用压电换能器启用的扫描设备对子宫内的胎儿进行超声成像。在开始扫描之前，通常会在患者的腹部涂抹润滑剂，以改善扫描仪头和皮肤组织之间的声学匹配。一旦涂抹，压电换能器就可以开始产生超声波，并将其发射到体内。当波与组织、骨骼等接触时，其中一些会被反射回来并被换能器记录下来，从而使换能器将其转换为电信号，可用于生成子宫和胎儿的图像。声阻抗高的物质在图像上会显得更亮，因为它会反射更大一部分超声波。
水下声学中的超声波
压电效应最早的实际应用之一是水下声纳（声音/声波导航和测距）。该技术最初由法国物理学家保罗·朗之万在第一次世界大战期间发明，作为探测和打击敌方潜艇的一种手段，该技术的核心原理至今仍在用于捕鱼、海底测绘和水下石油/天然气开采。与超声成像一样，压电换能器会向水中发射超声波，因为超声波会从海底和其他水下物体上反射回来。通常，单独的压电水听器会记录反射波并产生电信号以产生图像。
超声波流量测量
超声波可用于表征和测量流动液体和气体的速度、体积和/或质量流量。超声波流量计对于工业流量系统（如供水网络和油/气管道）非常重要，因为它们能够立即检测系统故障或泄漏。两种常用的超声波流量计是多普勒流量计和传输时间计（也称为飞行时间计）。多普勒流量计利用压电换能器将超声波发射到流体中，然后在它们与流体中的颗粒和气泡碰撞时记录它们的回声。由于粒子的相对速度，反射波的频率将发生变化 – 这就是多普勒效应。压电换能器可以根据发射波和记录波之间的频率差异确定流动状态。另一方面，传输时间计采用两个换能器，与流动方向成对角放置。换能器交替用作发射器和接收器。由于声波传播速度与流速叠加，超声波在顺流方向传播时速度较快，逆流方向传播时速度较慢，通过比较波在上游和下游的传播时间，可以判断流动的状态。
超声波无损检测 (NDT)
超声波是一种无损检测技术（顾名思义），用于检测塑料、陶瓷和金属（尤其是焊接接头）等各种材料是否存在潜在缺陷和瑕疵，而不会损坏或破坏材料。该过程包括将测试材料暴露在超声波中，并记录穿过材料的波或被材料反射的波。当超声波对具有不同声阻抗的介质之间的边界作出反应时，可以检测到可能损害材料完整性的小裂缝和气穴。
高强度聚焦超声 (HIFU)
高强度聚焦超声在治疗医学中用于执行非侵入性外科手术。压电聚焦碗通常由 PZT 等多晶陶瓷材料制成，可以将强大的高频超声波束聚焦到人体内精确的位置，就像放大镜聚焦光束一样。这是一种将肾结石消融成小块以便它们能够穿过膀胱的常用方法。近年来，HIFU 在早期肿瘤治疗中的应用也越来越多。此外，HIFU 正成为皮肤病学和美容手术的热门选择，能够抚平皱纹和紧致皮肤。
超声波焊接
超声波还可用于焊接塑料，因为高能波的吸收会导致接合部位熔化。甚至可以使用超声波将金属焊接在一起，而无需材料达到熔点。相反，焊接是在金属表面氧化物在高压下分散时发生的。
超声波清洗
超声波通常用于清洁和保养小型复杂物体，例如精密的机器零件或珠宝，这些物体无法承受更常见的清洁方法。该过程包括将相关物体放入清洁液中，然后暴露于压电致动器产生的超声波中。液体中的微气泡将在波的作用下开始振动，最终将污垢从清洁物体上分离出来，而不会损坏其表面。
