Работа пьезопреобразователя основана на обратном пьезоэлектрическом эффекте, а именно на преобразовании электрической энергии в механическую. Пьезоэлектрический эффект (как прямой, так и обратный) возникает из-за связи между электрическими и механическими свойствами материала, обычно – кристаллического. Когда к пьезоэлектрику прикладывается механическое напряжение, он поляризуется в указанном направлении, и между его гранями появляется электрическая разность потенциалов. Величина механического напряжения, приложенного к кристаллу, прямо связана с величиной его деформации, а, следовательно, и с разностью потенциалов между его гранями. Если к пьезоэлектрику прикладывается электрический потенциал, то поляризация пьезоэлектрика во внешнем электрическом поле порождает изменение его размеров и механическое воздействие на окружение. Таким образом, подача электрического напряжения приводит к расширению (либо сжатию) пьезопреобразователя, что и является сутью его работы.
Пьезопреобразователь является одним из вариантов электродвигателя. К достоинствам пьезопреобразователя относятся его простота – как в изготовлении, так и в использовании. К недостаткам – малые величины сдвига. В ряде случаев, необходимо учитывать влияние в таких устройствах прямого пьезо-эффекта – преобразование деформаций кристалла, вызванных внешними силами, в напряжение.
Для того, чтобы увеличить создаваемые пьезопреобразователем силы и смещения, используются более сложные конструкции. Базовые типы пьезоэлектрических структур включают в себя трубки, униморфы и биморфы.
Пьезотрубки являются полезными приборами для точного управления положением объекта в пространстве. Секционируя поверхность трубки на четыре области и соединяя их и концы трубки с электродами, можно прикладывать напряжение к трубке в различных направлениях. Прикладывая напряжение поперек трубки можно контролировать положение ее конца в двух направлениях, тогда как прикладывая напряжение вдоль трубки можно управлять положением ее конца вдоль третьей координаты.
Поскольку сила и смещение, порожденные чистым пьезоэлектрическим материалом, относительно малы, был разработан метод для усиления пьезоэлектрического эффекта. Один подход (известный как униморф) заключается в нанесении тонкой пленки пьезоэлектрика на слой неактивного материала. Когда пьезоэлемент растягивается или сжимается, вся конструкция изгибается.
Комбинируя несколько пьезоэлементов, можно еще больше увеличить перемещение. Например, удлиняющиеся, сгибающиеся или скручивающиеся элементы могут быть сконструированы нанесением двух слоев пьезоэлектрического материала один на другой с контролем направления поляризации и приложенного напряжения так, что когда один слой сжимается, другой расширяется. Такая конструкция известна как биморф.

Пьезоэлектрические материалы имеют многочисленные применения в качестве электро-механических и электро-акустических преобразователей. Из коммерческих применений пьезоэлектрических преобразователей можно упомянуть использование их в динамиках, в атомно-силовых микроскопах.

Примером пьезоэлектрика является пьезокварц. Применение пьезокварца основано на его пьезоэлектрических свойствах (прямой и обратный пьезоэффект). Широко применяется в радиотехнике, ультразвуковой гидроакустике и дефектоскопии, при изучении свойств газов, жидкостей и твёрдых тел, в пьезометрии для измерения давлений, ускорений сил, вибраций и т. п. Пластинки из пьезокварца используются при изготовлении пьезоэлектрических резонаторов — стабилизаторов и фильтров радиочастот, фильтров телефонирования и телеграфирования, а также в пьезометрических звукоснимателях, пьезоэлектрических микрофонах, громкоговорителях, маномерах, в акселерографах и др. Чистые, бездефектные кристаллы кварца (горный хрусталь), обладающие высокой прозрачностью в ультрафиолетовых лучах, используются в оптике. Кристаллы и осколки прозрачного кварца с ограниченным количеством примесей и дефектов служат сырьём для изготовления специального кварцевого стекла.

 

Акустооптический модулятор — устройство для изменения во времени характеристик оптического излучения по заданному закону, основанное на явлении дифракции света на решётке, образуемой в кристалле в результате изменения показателя преломления в поле акустической волны.

Принцип действия АОМ основан на дифракции поляризованного света на бегущей ультразвуковой волне в оптически прозрачном материале. Если на акустопровод, в котором с помощью пьезоэлектрического преобразователя возбуждена бегущая ультразвуковая волна, подать пучок света, то благодаря возникновению участков сжатия и растяжения, различающихся показателем преломления, эта область акустопровода будет действовать на падающий свет как дифракционная решетка. Световой пучок, дифрагируя на решетке, образует несколько выходных пучков — максимумов интенсивности излучения различных порядков, разнесенных в пространстве по направлению.

Особый практический интерес представляет случай, когда свет (лазерный пучок) направляется на кристалл под так называемым углом Брэгга. При этом наблюдается дифракция Брэгга, которая характеризуется тем, что интенсивности всех дифракционных максимумов, кроме первого, становятся пренебрежимо малыми. В процессе модуляции лазерный пучок может или проходить через акустооптический кристалл без изменения направления и интенсивности, или переходить в дифрагированный пучок, преломленный под углом Брэгга.

АОМ работает следующим образом. Луч света I проходит через кристалл и попадает на диафрагму, которая преграждает ему путь. В этом случае модулятор прерывает световой поток. При подаче на кристалл акустической волны с помощью пьезопреобразователя наблюдается явление дифракции, и из кристалла выходит луч света I1. Направление этого луча выбирают так, чтобы оно совпадало с направлением оптической оси системы. Допустимые частоты модуляции для АОМ определяются упругооптическими свойствами акустической среды и временем прохождения акустической волны через апертуру светового луча и достигают 10 МГц.

Основные преимущества АОМ по сравнению с ЭОМ — низкие управляющие напряжения (порядка 10 В), высокий коэффициент контрастности (до 1000), независимость параметров модуляции от температуры, использование неполяризованного света, отсутствие в конструкции модулятора склеек оптических элементов (что существенно уменьшает потери света), возможность работы в режиме модулятора и дефлектора.

Телефонный капсюль (ранее употреблялось также название капсюльный телефон) — миниатюрный преобразователь электрических колебаний в звуковые, выполненный в виде закрытого неразборного устройства (капсюля). В отличие от головки громкоговорителя, капсюль не имеет диффузора или рупора, и предназначен для воспроизведения относительно слабых звуков.

Телефонные капсюли являются важной составной частью микротелефонных трубок телефонных аппаратов, головных телефонов и радиогарнитур, в последние годы, правда, в целях повышения качества звуковоспроизведения, капсюли активно вытесняются миниатюрными головками громкоговорителей, особенно это касается стереонаушников. Иногда телефонные капсюли применяются в качестве маломощных источников звука в составе аппаратуры, для подачи простых звуковых сигналов. Телефонные капсюли и микрофоны, как правило, обратимы друг с другом (исключение — угольные микрофоны), так, например, популярный в Советском Союзе дифференциальный микрофон ДЭМШ, часто использовался в качестве телефона в гарнитурах.

По устройству и принципу действия электроакустические преобразователи подразделяются на электромагнитные (самый распространённый вид), динамические и пьезоэлектрические
* Электроакустический преобразователь электромагнитного типа включает в себя электромагнит, к которому подводится входной сигнал переменного тока, постоянный магнит и гибкую мембрану из ферромагнитного сплава, способную притягиваться под действием магнитного поля, создаваемого магнитами. Постоянный магнит нужен для того, чтобы поле было не переменным, а пульсирующим, так как в переменном поле при полуволнах различной полярности мембрана изгибалась бы в одну и ту же сторону.
o ПРИМЕРЫ: ТА-4,ТА-56М,КЭД-2, ТК-67
* Электроакустический преобразователь электродинамического типа основан на взаимодействии электромагнита или катушки с постоянным магнитом, один из взаимодействующих объектов (как правило, катушка) является подвижным, другой — неподвижным.
o ПРИМЕРЫ: ТДК-3, ТЭД-4, ТДМ-1Э, SD-150, DR-904
* В электроакустических преобразователях пьезоэлектрического типа используется пьезоэффект, в качестве материала рабочего тела применяется, обычно, пьезоэлектрическая синтетическая плёнка или пьезокерамика.
o ПРИМЕРЫ: ТПК-2, ТПК-101, ТПК-103
* Электроакустический преобразователь магнитострикционного типа использует явление магнитострикции, в качестве материала рабочего тела применяются, обычно, ферромагнитные сплавы с высокой линейной магнитострикцией насыщения.