随着科学技术的发展,声学与各种自然科学的联系愈加紧密,换能器作为声学领域中较为重要的元件受到了广泛关注。换能器已经应用到各种不同的领域,如日常生活中的雾化器、超声材料加工、医疗中的超声探头及水下通讯的声呐等。在很多应用场合,对换能器的要求趋于低频、宽频带、小尺寸等。但是,对于通常的纵向振动夹心式压电换能器,需增大尺寸或质量来降低换能器的工作频率,这样会导致生产成本变高、不易制作、在某些情况下无法装配的问题。为了解决大功率夹心式换能器在低频工作时的小尺寸问题,本文利用弹簧的力学特性,结合夹心式换能器可以大功率辐射的优点,提出了一种螺旋开槽纵振夹心式换能器,该换能器通过在前盖板上刻螺旋槽以降低换能器的刚度,从而降低换能器的工作频率。利用等效电路和有限元法对所提出的换能器的频率特性及振幅进行了分析,并根据数值仿真结果制作了换能器的原理样机。论文的主要研究内容和创新点如下:1.设计了螺旋开槽换能器的结构,利用等效电路理论,结合螺旋弹簧的力学特性,推导了螺旋开槽中空圆管的等效电路。在忽略损耗的情况下,得到换能器的整体等效电路及频率方程,计算换能器的谐振频率,并与相同尺寸下的不开槽换能器谐振频率进行了对比。结果显示螺旋开槽圆管换能器的谐振频率大幅降低。2.建立螺旋开槽换能器的有限元模型,对换能器的振动模态进行了深入的分析,并比较了相同尺寸下螺旋开槽圆管换能器与不开槽圆管换能器的频率特性。同时,采用控制变量法,通过改变螺旋开槽中空圆管的几何尺寸,研究了螺旋开槽圆管的几何参数对换能器工作频率、纵向振动幅度的影响。仿真研究结果表明,开槽圆管换能器具有较低的工作频率,且在低频工作时,螺旋开槽换能器的主要振动模态为纵振动。3.制做了不开槽圆管换能器和螺旋开槽圆管两种换能器的实物模型,利用阻抗分析仪和激光测振仪对换能器的性能进行了实验测试,并将实验测试结果与等效电路计算结果与有限元仿真结果进行了对比。结果表明,实验测试结果与等效电路计算结果与有限元仿真结果基本一致。在圆管表面开螺旋槽能降低换能器的刚度,从而降低夹心式换能器工作频率,解决夹心式换能器在低频工作时的小尺寸问题。