压电材料及其特性
某些单晶材料表现出以下现象：当晶体受到机械应变，或者当晶体受到外部应力的作用而变形时，会在晶体的某些表面上产生电荷；当应变的方向发生反转时，电荷的极性也会反转。这被称为直接压电效应，表现出这种效应的晶体被归类为压电晶体。 (见图1)。
图1. 直接压电效应。
相反地，当一个压电晶体置于电场中，或者当电荷通过外部手段施加在其表面时，晶体会发生应变，即晶体的尺寸会发生变化。当施加的电场方向反转时，产生的应变方向也会反转。这被称为逆压电效应。 (见图2)。
图2. 逆压电效应。
压电陶瓷
今天的许多压电应用都使用多晶陶瓷而不是天然压电晶体。压电陶瓷更加灵活多样，因为它们的物理、化学和压电特性可以根据具体的应用进行定制。压电陶瓷材料可以制造成几乎任何形状或大小，并且材料的机械和电学轴可以与材料的形状相一致。这些轴在极化过程中被设定（这个过程使材料具有压电性质）。直流极化场的方向决定了材料的机械和电学轴的方向。
压电常数
已经在大约1000种晶体材料中定性地展示了压电效应。这些包括自然发生压电效应的材料，以及通过高压或极化过程可以诱导压电性的其他单晶和多晶材料。波士顿压电光学公司提供的典型压电材料列在表1中。在直接和逆压电效应中，应变和应力与电参数之间通过压电常数 dij、gij、hij 和 eij 相关联。对于材料中的不同方向，这些压电常数有不同的值。此外，应力和应变之间还通过材料在不同方向上的弹性常数相关联。
晶体取向
张力或压缩发展的方向，与应变平行的极化方向被称为压电轴。
在石英中，这个轴被称为“X轴”，而在极化的陶瓷材料如PZT中，压电轴被称为“Z轴”。通过应用电场的方向和晶体取向的不同组合，可以在晶体中产生各种应力和应变。例如，垂直于压电轴方向施加的电场将导致沿轴方向的伸长，如图2所示。然而，如果电场平行于压电轴施加，将引起剪切运动。这种运动如图3所示。
图3. 剪切运动
共振频率
如果，与图2和图3所示的直流场相比，施加的是交变场，晶体将以交变场的频率振动。如果交变场的频率与晶体厚度代表半个波长的频率相对应，晶体振动的幅度将更大。这被称为晶体的基本共振频率。当晶体的厚度等于半波长的奇数倍时，晶体也将具有大幅度的频率。这些被称为谐波或倍频共振频率（如第3次倍频、第5次倍频等）。然而，振动幅度最大的发生在基本频率，随着谐波数的增加，振动幅度减小。晶体的两个表面会发生能量损耗。因此，波士顿压电光学公司为在较高谐波频率下使用提供了倍频抛光晶体。这种特殊开发的工艺限制了能量损耗，从而促进了更高谐波（第9次倍频、第11次倍频等）的使用，并增加了所有共振频率的幅度。
