压电式蜂鸣器是采用压电陶瓷片制成的，压电陶瓷片由锆钛酸铅或铌镁酸铅等压电陶瓷材料制成。压电陶瓷片通常是由几种氧化物或碳酸盐烧结成的多晶体，其自发极化是紊乱取向的没有压电性能，对它施加强的直流电场进行极化处理，使紊乱取向的自发极化沿电场方向取向，去除电场后，陶瓷仍保留着剩余极化，就有了压电性能。压电陶瓷片的两面镀有银层，用环氧树脂把它跟黄铜片或不锈钢片粘到一起成为发声元件，当在沿极化方向的两面施加振荡电压时，交变的电信号使压电陶瓷片带动金属片一起产生弯曲振动而发声。
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图3－1（a）。
图3－1 极化处理与电畴示意图
当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图3－2所示。
图3－2 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图3－3，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤销后，陶瓷片恢复原状（这是一个膨胀过程），片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
图3－3 正压电效应示意图
（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）
同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图3－4所示，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由电效应转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应（电致伸缩效应）。
图3－4 逆压电效应示意图
由此可见，压电陶瓷之所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料能实现机—电能量的相互转换。在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。具有压电性的必要条件是：①晶体不具有对称中心。②所有铁电单晶都具有压电效应。③对于铁电陶瓷来说，虽然各晶粒都有较强的压电效应，但由于晶粒和电畴分布无一定规则，各方向几率相同，使ΣP＝0，因而不显示压电效应，故必须经过人工预极化处理，使ΣP≠0，才能对外显示压电效应。④陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性，所有压电陶瓷也应是铁电陶瓷。
压电材料的种类有：①压电晶体，如石英等。优点：Q值较大，有良好的温度特性。缺点：制程困难。②压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。优点：抗酸碱，机电耦合系数高，易制成任意形状。缺点：温度系数大，需高压极化处理（kV／mm）。③高分子压电材料，如PVDF等。优点：低声学阻抗特性，柔软，可做极薄的组件。缺点：压电参数小，需极高的极化电场。另外还有压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。一般对压电材料特性的要求是：①转换性能。要求具有较大的压电常数。②机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。常用的压电晶体有：石英、酒石酸钾钠等。石英晶体的化学式为SiO2，是单晶体结构。如图3－5（a）所示为天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴，与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应，而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
图3－5 压电晶体的切剖加工示意图
石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如图3－6，图3－7所示。
图3－6 石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性图
图3－7 石英在高温下相对介电常数的温度特性图
由图3－6可见，在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016%。如图3－7所示，当温度达到573℃时，它完全失去了压电特性，该温度点就是它的居里点。
石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多，一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。因为石英是一种各向异性晶体，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。因此在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地选择石英片型。(www.xing528.com)
图3－8 石英晶体的压电模型示意图
图3－8是石英晶体的压电模型。铁电单晶固然具有较高的压电效应，但单晶工艺复杂，不易加工成各种形状，因而不宜大量生产，成本也很高。而在工程中常用的是压电陶瓷，尤其是在电声行业中更是普遍。铁电陶瓷则易加工生产，成本低，且能根据不同的用途及要求采用掺杂改性。缺点：存在粒界、气孔及其他缺陷，均匀性及机械强度不够理想，电损耗较大，妨碍了压电陶瓷在高频率下的使用。
压电陶瓷按晶体结构分，有钙钛矿结构、钨青铜型结构、铌酸锂型结构、铋层状结构等。下面介绍常用的两种压电陶瓷：
（1）钛酸钡压电陶瓷
钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1∶1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。
（2）锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）
锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体。PbTiO3是钙钛矿结构铁电体，Tc高（约为490℃）。其各向异性大（c／a＝1.063），晶界能高，难以制备致密、机械强度高的陶瓷。矫顽场强较大，预极化困难。提高极化温度有利于极化，但抗电强度下降，易击穿。掺入少量稀土、NiO、MnO2等，可促进烧结。晶粒大小与机电耦合系数k有关。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。
自从1942～1943年之间美、日、苏联学者各自独立发现BaTiO3中存在异常的介电现象，1947年又发现预极化后的BaTiO3陶瓷的压电性能，并制成压电元件用于拾音器、换能器；二战期间，BaTiO3成功用于水声及电声换能器、通信滤波器上，在很长的一段时间内，BaTiO3陶瓷是主要的压电陶瓷材料，但目前其使用范围在不断缩小。此外，在锆钛酸铅中添加一种或两种其他微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。所谓三元系压电陶瓷，是在PZT的基础上再添加三元－复合钙钛矿型物质（A，A′）（B，B′）O3而组成的。在实际大多数多元系压电陶瓷中，A位元素仍是铅，所改变的只是处于八面体中的B位的元素。因此，在钙钛矿结构的三维八面体网中，在相互固溶的情况下，八面体的中心将有四种元素或更多的电价不一定为4的元素（包括Zr和Ti）随机均匀分布，改变其元素种类与配料，就可调整、优选出一系列具有特殊性能的压电陶瓷。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。作为介电材料，压电陶瓷的主要参数可用介电系数ε，介电损耗tanδ，绝缘电阻率ρ和抗电强度Eb等表征。作为压电材料，还有一些参数：压电系数d；机电耦合系数k；机械品质因数Qm；频率常数N等。
压电系数d：表示单位机械应力T（N／m2）所产生的极化强度P（C／m2），其表达式为：
或表示为单位电场强度V／x所产生的应变Δx／x：
常用的为横向压电系数d31和纵向压电系数d33（角标第一位数字表示压电陶瓷的极化方向；第二位数字表示机械振动方向）。四方钙钛矿结构有三个独立的压电系数d31、d33和d15。
机电耦合系数k：
机电耦合系数反映了机械能和电能之间的转换效率，它与材料的压电系数ε和弹性常数等有关，是一个比较综合的参数。由于转换不可能完全，总有一部分能量以热能、声波等形式损失或向周围介质传播，因而k总是小于1的。不同材料的k值不同，同种材料由于振动方式不同，k值也不同。常用的有横向机电耦合系数k31、纵向机电耦合系数k33，以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数kp（或称径向机电耦合系数kr）。
图3－9是对于同种材料采用条状振子、柱状振子、圆片振子时的极化方向和振动方向的表示图。本书讨论的蜂鸣片采用的是圆形振子模式。但在其他应用场合也有使用非圆形振子模式的。
图3－9 不同振子的振动与极化的表示图
机械品质因数Qm：
机械品质因数Qm表示在振动转换时，材料内部能量损耗的程度；Qm数值越高，能量损耗就越小；Qm产生的原因是存在内摩擦。频率常数N：
对特定的陶瓷材料，其压电振子的谐振频率和振子方向长度的乘积是一常数，称为频率常数。由材料的性质决定，而与尺寸因素无关。l1越小，fs越大。
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