当纵向超声振动系统中的换能器、变幅杆、工具头的横向尺寸接近或者大于四分之一纵波波长时,便将它们称为大尺寸振动体,由于受到泊松效应的影响,大尺寸振动体会产生严重的横向振动,横向振动的存在会影响系统的性能和可靠性,缩短系统的使用寿命,严重时甚至可能直接导致系统的失效,因此,如何有效抑制大尺寸纵向超声振动系统中有害的横向振动,提高系统辐射面的振幅分布均匀度和振幅增益,一直以来都是功率超声领域亟待解决的难点问题,超声工作者们也为此进行了大量的研究,目前大部分研究都集中在两方面:一是研究大尺寸超声振动体的振动分析方法;二是研究大尺寸超声振动体的振动控制方法。在振动分析方法研究方面,表观弹性法理论得到了较为广泛的应用,特别在分析形状相对规则的不开槽振动体时,表观弹性法可以得到比较满意结果,但是对于形状相对复杂、开较多槽/孔的大尺寸振动体,其分析和计算过程就会非常复杂,甚至产生较大的误差,因此,需要为大尺寸且结构复杂的、开多槽/孔的振动体的分析设计提供新的、更有效的支撑理论;对于振动控制,目前经常采用的方法有开槽/孔、附加弹性部件、开细缝等,这些方法都能从一定程度上改善大尺寸超声振动系统的性能,但它们过于依赖开发者的实践经验和仿真计算,缺乏有效的理论依据,因此,为了更好地满足大尺寸超声振动系统在实际工程中的应用,需要探讨新的更有效的耦合振动控制方法。大尺寸振动体中有害横向振动产生的本质原因是弹性波的传播效应以及振动体的耦合振动,因此,实现对横向振动进行控制的有效手段是对振动体中弹性波行为的调控,而近周期声子晶体理论则为人为控制振动体中弹性波的传播提供了有效的途径。本文把近周期声子晶体结构的带隙特性与抑制大尺寸超声振动系统中有害振动的需求相结合,研究了一种新颖有效的振动控制方法——将超声振动系统的大尺寸夹心式纵向振动压电陶瓷复合换能器、大尺寸楔形变幅杆、大尺寸超声塑料焊接工具头设计成具有横向带隙的近周期声子晶体结构,利用结构的横向带隙,实现对系统中有害弹性波的抑制和衰减,在提高系统可靠性的同时,延长其使用寿命,从而实现优化大尺寸超声振动系统的目的。利用近周期声子晶体结构的缺陷（点缺陷、线缺陷、同质位错结、异质位错结）研究了一种提高振幅分布均匀度的新方法——将超声振动系统的大尺寸夹心式纵向振动压电陶瓷复合换能器、大尺寸楔形变幅杆、大尺寸超声塑料焊接工具头设计成具有缺陷的近周期声子晶体结构,利用缺陷的Anderson局域化特性和波导特性,调控位移场的幅度、相位和局域模的位置,从而实现提高大尺寸超声振动系统辐射面振幅分布均匀度的目的。斜槽型二维纵-扭复合模态超声振动因在陶瓷、碳纤维等硬脆性复合材料上的加工优势而备受关注,但却存在能量转换效率低,输出的扭转分量较小的问题,因此如何从结构上对模式转换型纵-扭复合振动进行优化,提高纵-扭转化能力,成为迫切需要解决的问题。基于以上问题,论文提出了近周期声子晶体结构的超声振动系统的研究,主要研究内容如下:1、利用表观弹性法理论对大尺寸夹心式纵向压电陶瓷复合换能器的耦合振动进行分析,根据分析结果,在换能器的前盖板上,设计基于半径异常型点缺陷的二维正方晶格近周期声子晶体结构,利用结构的径向带隙,抑制压电陶瓷复合换能器的有害径向振动;利用点缺陷的安德森局域化效应,调控局域声场的强度和相位,进一步改善换能器前辐射端面的振幅分布均匀度;分析点缺陷空气圆柱孔的半径、高度、缺陷散射体的形状对换能器纵向共振频率和振幅分布均匀度的影响规律,找到使换能器获得最佳性能的结构参数,为大尺寸夹心式纵向压电陶瓷复合换能器的优化设计提供理论基础和实验依据。2、利用表观弹性法理论对大尺寸楔形变幅杆系统的耦合振动进行分析,针对大尺寸楔形变幅杆辐射面振幅分布不均匀、放大系数较小的问题,在大尺寸楔形变幅杆上构造基于不同填充系数的近周期声子晶体异质位错结,利用位错结的方向带隙,抑制变幅杆长度方向的横向振动;改变横向位错距离△x的大小,有针对性调节局域传导模的位置,达到提高大尺寸楔形变幅杆小端辐射面振幅分布均匀度和增大放大系数的目的;利用有限元软件研究异质位错结的结构参数对变幅杆振动系统纵向共振频率、纵向位移分布均匀度、以及放大系数的影响规律,为进一步促进大尺寸楔形变幅杆的工程应用提供了新方法。3、利用表观弹性法理论对大尺寸二维、三维工具头的耦合振动进行分析,根据分析结果,分别构造两种结构对大尺寸二维长条形工具头系统进行优化:基于直空气散射体槽的同质位错结结构和基于斜空气散射体槽的同质位错结结构,并对这两种结构的优化效果进行仿真对比,以找到使系统性能达到最佳的空气散射体槽的结构参数。在大尺寸三维工具头的X、Y方向上分别构造基于近周期声子晶体结构的空气散射体槽,对两个横向尺寸都较大的三维工具头的耦合振动进行抑制,利用扇形斜坡和复合变幅杆来提高三维振动系统辐射面的振幅增益。为了验证理论和数值模拟结果的准确性,通过阻抗分析仪和全场扫描式激光振动测量系统对塑料焊接振动系统的电阻抗和振动位移分布进行了测试,结果验证了优化的有效性,能够为进一步研究大尺寸工具头横向振动的抑制提供有利的基础。4、利用周期性扇形孔结构解决目前斜槽型纵-扭复合模态超声振动系统存在的扭转分量较小、纵-扭转化效率低的问题,并通过有限元仿真研究扇形孔结构参数对纵-扭复合模态超声振动系统谐振频率、扭转振幅、旋转角度和剪切应力的影响规律,找到使系统获得最佳性能的扇形孔结构参数,并计算扇形孔结构的引入对系统性能的改善幅度。