漫談壓電效應與超聲波

漫談壓電效應與超聲波 

刊於泰宇 UP 誌 7 2010 年 吳明德/麗山高中

前言：物理與工程應該是緊密結合

      有同學告訴我說他將來大學選填志願時想念電機或機械系，接著我會問他為什麼?有時候會依稀感 受到同學是因為喜歡物理的邏輯思考方式，與物理追求精簡單純的數學形式;但是詳細追問發生在週遭 的物理現象，同學似乎都視而不見，全然沒有什麼感覺。然而學生所將要面對的未來世紀，由近幾年的 觀察可以分析推測，應該是科技的應用與整合，而很難在理論上會有重大突破發展。      其實這現象也不能責怪學生，對於物理與工程之間的關係，中學物理教科書幾乎只有簡略談到，連 過去教材的電子學單元也已經被刪去;現在的 99 課綱反而著墨在奈米及宇宙論與夸克之間。導致中學物 理課程中脫離生活真實層面。所以對於物理老師們最需要的可能不只是新的單元要如何教授?而是教材 中所欠缺日常生活所運用的科技的部份該如何補充?      在同一個辦公室的金佳龍老師，就拿出民國 72 年的高一理化教材，其內容還有大篇幅介紹有關食、 衣、住、行、育樂、環境的科技應用知識單元。我想 藉由「壓電效應與超聲波的故事」一文加以補充說明， 其實物理與工程應該是緊密結合。

蝙蝠利用超聲波脈波回波定位障礙物位置

壓電效應與超聲波的歷史小故事

居里先生(Pierre Curie)的歷史定位 

      我想可能有些老師會以為，居里先生是位早 死的悲劇人物，而居里夫人發現鐳等元素，並兩次 榮獲諾貝爾獎，才是科學史上的偉大人物!但是事 實卻不然，居里先生發現了當溫度高於臨界值時鐵 磁會變成順磁，此臨界溫度稱「居里溫度」。還有 與其兄弟共同發現，足以影響現代工業社會發展的 重要效應:「壓電效應」(Piezoelectricity)。 

      如果沒有發現壓電效應，就不會有石英表出 現，我們現在使用的時鐘可能還是咕咕鐘，每個人 的手錶還要上發條。當然沒有石英振盪晶片提供穩 定的振盪時脈，也不會有手機與個人電腦存在;而 探測微小的奈米世界，所需的原子力顯微鏡中的關 鍵零組件也是壓電材料。所以可見居里先生的貢獻與影響的層面之廣。

電偶極                       壓電晶片

      具備「壓電效應」的材料很多，不只有天然的石英與電氣石（Tuomailin）與人工的鈦酸鋇等，其中最常用的是鋯鈦酸鉛（PZT），不過近年因為PZT含有鉛，因為環境的議題，已經減少使用PZT，也在積極開發其他的壓電材料。 「反壓電效應」說起來有點像是「磁伸縮效應」，只不過是將外加時變磁場換成外加時變電場，「磁域」轉動改成電偶極偏轉而已。不過透過「反壓電效應」可以驅動帶更高的頻率，發出極高頻的超聲波。

聲納與保羅-郎之萬（Paul Langevin） 

      居里先生的博士班學生保羅-郎之萬將壓電晶片兩側加上鋼板，使得壓電晶片能傳出聲波的效率大為增加，就成為發射水下聲納的最佳發射源。也因為軍事上需要偵測水下潛水艇的行蹤，使得聲學與壓電材料等科學迅速地發展。現在到光華商場電子材料行購買壓電蜂鳴器，基本構造就是壓電陶瓷貼上一個圓形銅片。

外加時變磁場，磁域隨外加 磁場旋轉產生磁伸縮振動 

石英振盪器計時

石英錶

      為了能夠精確計時，首先要尋求具備穩定週期運（振）動的裝置。古人發現日月星辰有週而復始運行的現象，就可以以此計測日與年等長時間。但是如果要精密量測更短暫的時間，就必須有週期更短的振動源。 而伽利略知道可以用單擺的等時性計時之後，接下來的任務就是尋求驅動能源，才能製作出時鐘。驅動時鐘的能源像水力（中國人設計的水鐘），重錘（重力位能）與發條（彈力位能）等等。但是不穩定的動力時常讓單擺的擺幅過大或過小，也增加了時鐘些許時間誤差；最後由經由中國人發明的「擒縱器」，讓每次單擺擺動的擺幅變的更加穩定。    

由地球的自轉與公轉訂定日與年

單擺、音叉與石英振盪器具有週期運動特性作為計時器

       下一個重要的振動裝置是「石英」。仔細看一下時鐘的數字盤面上幾乎都有寫「Quartz」，就是石英的意思。經過仔細切割的石英施加以交流電信號，石英會因為「反壓電效應」開始伸縮振動，如果電訊號與石英的自然頻率相符合，會發生共振讓振動更為強烈。而石英的功能像是音叉振動或是單擺振動，但是更加穩定而且是更高頻振動，並且動力能源由機械能改用電能驅動。 日本的精工（SEIKO）在在1969年利用石英振盪器製作石英表之後，這項由日本來的新產品讓當時瑞士的鐘錶業大受打擊。直到瑞士的鐘錶同業聯合推出SWATCH品牌的手錶，這瑞士製造的新品牌石英手錶，不但平價而且時尚多變深受年輕人歡迎，瑞士才能夠重新奪回鐘錶業的霸主地位。  

手錶內的石英振盪器

電腦、手機中的石英振盪器

      石英作為穩定的振動源，這對於計時的手錶是件革命性的突破，但是對於通信與計算機（電腦）更是十分極為關鍵的大事。因為通訊或是計算要快，就必須要每秒傳送更多資料。石英在手錶的振盪頻率為32.768KHz對於手錶已經十分足夠，但是對於計算機則要追求更高的頻率才行，甚至必須高達GHz，但是要達到如此高的頻率，石英要製作十分薄才有可能自然頻率很非常高，但是太薄的石英十分容破裂，所以交流電訊號就不採石英的自然頻率而是其倍頻驅動。 

      不知道有沒有發現十幾年前的電腦強調中央處理器（CPU）的運算時脈，是廣告的宣傳的賣點；但是運算時脈由M（106）進展到G（109）之後電腦廠商似乎就不太強調運算時脈。其中一個重要的原因就是石英振盪頻率似乎難以提升。為了追求更高的運算速度，必須另採其他方法，其中最重要的就是平行處理，其原理可以用高速公路比喻，多線道的運量一定比單線道道路運輸能更為快速。 不斷推陳出新的手機，規格有三G手機與三頻手機。而三頻是指900MHz、1800MHz、1900MHz此三種頻率的規格都能通訊，而無線通訊的規範要十分嚴謹，否則衛星、電視、收音機、遙控飛機、軍事等電磁訊號波段互相混淆後果難以想像。所以石英振盪晶片的頻率必須十分穩定，不受到環境溫度變化而影響。

石英厚度與共振頻率

超聲波除塵與除雨滴 

     單眼相機有可更換鏡頭的優點，但是更換鏡 頭後機身內的反光片常會因沾染灰塵而影響光學 成像品質，以前解決的方法就是用高壓噴氣吹走灰 塵，但是現在有更好的方法，就是在機身上裝配「超聲波除塵」;我們學過簡諧運動最大加速度為振幅 乘上角速度平方，所以只要超聲波振動頻率足夠，灰塵就有可能振離鏡面。
      在雨中行駛，為了提高駕駛的視線清晰程度，必須在車前後車窗裝設雨刷掃除雨滴，車子兩 旁的照後鏡也有加熱除霧，但是兩側的窗戶要如何清除雨滴? 除了在車窗塗上撥水劑讓雨滴能快速滑落外，有的高級車開始在兩側加裝以超聲波清除雨滴裝置。 

超聲波馬達原理

測量輪胎氣壓 

     輪胎的氣壓足不足夠，一直是車輛行駛安全的 重點。如果駕駛能在儀表能顯示胎壓就太好了。但 是轉動的輪胎要如何連線監測?如果要無線監測，所需要的電源要從哪裡來?壓力感測器又為何 種類型?

      答案還是壓電材料。行駛時輪胎的振動使壓電 材料發出電力，並使壓力偵測系統運作(如果用電 池可能只能用 3~5 年就沒電，而壓電材料同時也可以作為偵測壓力的感應器。

     壓電材料當然還能應用在車上其他的地方，例 如以作為引擎點火的爆震感測器，控制火星塞點火 是在最佳時機。或是碰撞偵測器或是加速度計，當發稱車禍高速碰撞時，及時啟動氣囊膨脹，保護車上成員的生命安全。 

胎壓監測器

水中的超聲波：

空蝕現象

清洗眼鏡與超聲波造霧

      水的密度比空氣大許多，聲音可以在水中輕易傳送十分遙遠，除了用聲納測量以外，超聲波還有許多應用面。例如：眼鏡片上有些油污，不易清洗，到了眼鏡行用超聲波清洗機就能清潔溜溜，這原理是超聲波在液體中，快速反覆擠壓與伸張時，在液體產生真空微泡後隨即消失，此為「空蝕現象」(cavitation)。

      此現象除了可以清洗眼鏡、手錶、首飾與工業油污外；在庭院霧化造景，或是超聲波霧化芳療也常在百貨公司看到。但是最有潛力的用途應該是促進生化的反應速率，最有名的就是酒的熟成，好酒需要時間慢慢釀造，但是透過超聲波卻可以提早完成。

空蝕現象與聲致發光

     在最近一二十年，發現超聲波的空蝕現象同時會伴隨光線產生，這稱為聲致發光效應(sonoluminesence)。而此效應中除了會發出極為短暫光線外還伴隨極高的溫度，其核心溫度至少達到20000K，有些研究聲稱已測出的溫度高達 10萬克耳文，幾乎可達到熱核融合的溫度，許多科學家構想此現象是否在未來會發展出桌上型核融合裝置？！

     不過此聲致發光的現象與光纖通訊中，光線通過極高頻超聲駐波所形成的光柵，發生光的多狹縫繞射現象的聲光效應（Acoustic –Optics effect ）原理，是完全不相同。

難以想像的聲學科技 

超聲波以調幅載送可聽聲

以 Mathematica 軟體模擬聲場

非線性聲學-傳音入密的新科技: 超聲波載波傳送可聽聲 

      在武俠小說裡有種傳音入密的武功，而現在的 科技居然可以實現這種不可思議的夢想，讓遠方特 定方位的人聽到聲音，而臨近的人卻無法察覺聲響。 已知高頻的超聲波是具有高度指向性，但是可 惜人耳卻不能聽到，然而人耳能聽到的可聽聲卻是 指向性不足。如果能讓具有指向性高頻超聲波，載送人耳能聽到的可聽聲，那不就太好了。 

     但是依據線性的重疊原理，40KHz 的超聲波載 波以調幅載送 1KHz 的可聽聲，在頻譜上面出現 40KHz 的載波與 41KHz 及 39KHz 兩旁波帶，理論上 還是不能被聽到，但是高頻高功率的超聲波在空氣 傳遞並不是百分之百線性，由非線性效應就不只有 一次項，會有二次或高次項出現，於是前面的調幅 載波會解調出現 1KHz 甚至 2KHz 的倍頻雜訊。 

    我與當年麗山高中的同學蕭丞瑋完成此高指 向聲音裝置，並在逢甲大學舉辦的物理教學與示範 研討會中展出，當時會場內聆聽到此高度指向聲音 的來賓與老師，會感受宛如一道聲流穿過空氣，效 果與聽眾的反應極好;後來還參加 2008 年國際科 展工程類組。 

     不過此裝置有致命缺點，倒不是音質好壞的部 份，而是根本無法長時間聆聽 高強度的超聲波解調聲音。其實這與 3D 影像有類 似的問題;很久以前就發明在兩個眼鏡裝上兩個獨 立液晶螢幕，播放 3D 畫面，透過虛像呈現，讓人 以為是在遠方上大螢幕播放 3D 電影，但是依據觀看者反應，連續看一兩小時就會頭暈想吐，於是此 產品就無疾而終。 

結論 

     本篇是我第二次在泰宇的 Up 誌發表文章，希 望這篇關於壓電效應與超聲波簡介的文章，能幫助 物理老師們瞭解關於超聲波、壓電與振盪晶片等現 代科技，與其物理與材料的發展歷程以及對日常生 活影響。 

    其實高中物理老師的工作不只有將物理課教 好，還有提供相關科技資訊，如能在上物理課時期 適時補充，讓同學除了課業外還能關注科普知識， 最後在高三的時候，學生才知道如何選擇哪類理工 科系。最後希望本篇文章能協助老師並能夠幫助同 學，這就是撰寫此文的目的。