超声学在近几十年以来发展迅速,应用非常广泛,已经深入到人们生活和工农业生产的各个方面。如国防、能源、电子、生物技术、环境保护和医药卫生等行业,并且不断地扩大到新的诸如超声悬浮、超声马达和超声化学等领域。在众多的超声应用技术中,超声换能器是决定超声系统性能的关键因素之一。超声换能器的研究涉及众多的学科,如数学、力学、材料学、电子学等。然而,随着工业、农业,服务行业的发展,功率超声应用范围不断扩大,需要设计结构不同、振动模式不同的超声换能器,以满足不同应用场合的需要,所以研究新型的换能器、改善超声换能器的性能以及设计超声振动系统的课题,吸引了大量的国内外研究声学的专家和学者。本文主要开展了以下几方面的研究：(1)设计了一种大功率容量、高频率的夹心式压电陶瓷超声换能器。该换能器由前后金属盖板,厚度方向极化的压电陶瓷圆环共轴连接而成。对压电陶瓷晶堆的厚度振动进行了分析,得到了机电等效电路,推导了共振频率方程。根据频率方程,设计并加工了几组换能器,对它们的共振频率进行了测试。结果表明,实验测量值和理论计算值一致。这种夹心式压电陶瓷超声换能器有望在超声清洗和要求高功率高频率的声化学中得到应用。(2)设计了一种用于液体中的新型大功率复合超声振动系统,该系统由一个大尺寸的金属圆柱体辐射器和纵向夹心超声换能器组成。根据耦合振动理论,用表观弹性法对辐射器的纵向和径向耦合振动进行了分析,推导了该辐射器耦合振动的等效电路和共振频率方程；分析了耦合振动模式,得出了纵向、径向共振的最优条件；恰当地选择圆柱辐射器的几何尺寸,辐射器能够实现大功率多维辐射。运用有限元模型模拟了该系统的振动模态,得到了位移分布、导纳—频率曲线,共振频率。采用阻抗分析仪和激光测振仪对系统进行了测量,得到了系统的导纳—频率曲线和位移分布。测量结果与数值模拟结果符合较好。(3)对矩形板振动特性进行了研究,推导了板在简支边界条件下共振频率方程的解析解；将薄板模型简化,利用表观弹性法分析了薄板弯曲振动,推导了共振频率方程。由于矩形板的耦合振动十分复杂,用解析法来研究此类辐射器比较困难,故用ansys软件对给定几何尺寸的矩形板进行了模态、位移振幅分布的分析；并对薄板进行了实验研究,理论分析和实验结果基本吻合。(4)研究了矩形厚板在不考虑弯曲和剪切振动下的纵横耦合,并用表观弹性法和一维纵振动理论,设计了一种复频超声换能器,推导了此类超声换能器的共振频率方程。对设计并加工的一个复频换能器进行了有限元模型分析和实验测试,分别得到了该换能器的导纳—频率曲线、不同共振频率下的振动模态以及位移分布。理论分析,数值模拟和实验结果表明,此类超声换能器具有多个共振频率,可以激发出不同的振动模态。(5)设计了一种由纵向换能器和矩形辐射板组成的复合振动系统。在此系统中,矩形辐射板有效地将纵向换能器激发的纵向振动转化为板的弯曲振动。由于纵向换能器和板之间的振动相互耦合,故复合振动系统具有多个谐振频率。在纵向换能器的共振频率以及矩形板的固有频率附近,系统更易产生谐振。由于耦合振动的复杂性,利用有限元法以及实验对给定几何尺寸的复合振动系统进行了分析,得到了系统的导纳—频率曲线,振动模态以及位移分布。模拟结果和实验测试结果基本一致。(6)利用本文所研究的复频换能器以及弯曲振动矩形板复合振动系统作为辐射声源,加工了两个清洗槽,对这两个清洗槽进行了有限元以及实验研究,得到不同模态下的声场分布,数值模拟与实验测试结果基本符合；并与常用的纵向换能器作为辐射声源的清洗槽中的声场分布相比较。