在海洋中,可以进行长距离信息传递和能量传播的载体就是声波,这也是目前人类所掌握的独有的能量形式。水声换能器扮演着声电互换的角色,它可以在一定频带产生声波,也可以不失真地接收声波。水声换能器是开发海洋资源的得力助手,在民用和军事航海中都占据着不容忽视的位置。其中进行声电转换的水声换能器称为接收器;反之为发射器。在一些声呐系统中,需要利用收发两用换能器,这种换能器既可以发射又可以接收声信号。圆柱形压电换能器作为一种常用的水声换能器,具有其不可替代的优点,比如稳定的性能,简单的结构,成本较低,水平无指向性,接收灵敏度高等。根据其特点,可以制作成水平无指向性,垂直指向性可控的换能器,还常用作水声计量中的标准水听器和发射器。当前大量专家学者对圆柱形换能器进行了一定研究,主要集中在以纵向或径向极化压电陶瓷为压电元件的换能器,而由切向极化的压电振子组成的圆柱形换能器研究较少。在此基础上,本文提出并研究了一种新型切向极化复合圆柱形压电换能器。理论上切向极化的压电陶瓷比径向和纵向极化的收发性能要好。本文换能器的金属外壳采用螺丝固定的方式,简化了制作工艺,不需要高精度热加工,便于安装。通过等效电路、有限元及实验的方法对换能器的径向振动特性进行了分析,并仿真了换能器水下发射和接收性能。对此类换能器提供了理论基础。具体进行了如下工作:1、用力电等效的方法研究换能器的径向振动特性。从压电方程和振动方程出发,得到了换能器的等效电路和频率方程,推导出了导纳表达式。分别研究了换能器的谐振及反谐振频率、有效机电耦合系数与金属材料的关系。并对比了圆柱形换能器切向极化和径向极化的有效机电耦合系数,证明了切向极化时具有更高的机电耦合系数。2、采用COMSOL有限元软件建模,建立了换能器的模型。模拟了复合换能器的径向振动,求解出其振动模态、导纳曲线,并得出有效机电耦合系数,探究出金属材料与换能器谐振特性的关系。模拟结果与理论结果相吻合。进一步仿真了谐振频率与预应力之间的联系。为验证理论和仿真结果,制作复合换能器的实物样品,用阻抗分析仪测出其导纳特性。实验验证结果与仿真基本一致。3、采用控制变量法,设置了两个比例系数τ1和τ2,可以控制压电陶瓷圆管在换能器中比例变化,从而探究换能器各部分的几何参数对换能器的谐振、反谐振频率和有效机电耦合系数的影响。同时也探究出复合换能器的结构变化会造成有效机电耦合系数改变,得到当复合换能器由外金属圆管与压电陶瓷圆管径向复合而成时,有效机电耦合系数最高。4、使用COMSOL软件,探究了复合换能器的水下发射及接收性能。建立水下换能器模型,对其作为发射器时的辐射声场进行仿真,得到了发射电压响应级、辐射声功率、指向性、远场声压级等声场特性,并仿真了其作为接收器时的接收灵敏度。分析了圆柱形复合换能器的结构、金属材料及几何尺寸对发射响应级、指向性、接收灵敏度的影响。得出以下结论,当换能器由两层圆管径向复合而成,其中当外层材料为金属,内层材料为压电陶瓷时,其发射性能最优,反之,当内管为金属材料,外管为压电材料时,其接收性能最优。