近年来,超声技术已经广泛应用在工业、医学、农业、国防等各个领域中,例如超声焊接、超声清洗、无损探伤、超声成像等等。超声换能器是整个超声振动系统的核心器件,可以实现电能与声能之间的相互转换,使能量在介质中传播以获取或传递信息。超声换能器的种类众多,其中应用最广泛的是压电陶瓷换能器,传统的压电换能器通常由金属前后盖板和压电陶瓷晶堆构成。随着技术的进步,对换能器的性能提出了更高的要求,在传统换能器的基础上对结构、材料、形状等诸多方面进行了创新与发展。机械天线是一种新型的低频电磁通信技术,通过驻极体或永磁体等的机械振动直接激励低频电磁波实现通信,该技术有望解决传统电小天线结构复杂、体积庞大、辐射效率低、损耗大等问题。复合棒型压电换能器是很好的机械天线驱动源选择,但由于传统换能器的前盖板由金属材料制成,易被极化产生反向电偶极矩,降低机械天线辐射效率,于是选择储能模量较大、损耗模量较小的高聚物聚苯硫醚（Polyphenylene sulfide,PPS）代替金属材料制成前盖板。由于材料特性的差异,高聚物材料组件换能器的前端面振幅要比相同结构、尺寸的金属材料组件换能器前端面振幅小,本文提出了前端开孔的高聚物换能器以提高前端面输出振幅,具体工作如下:（1）介绍了机械天线的理论及研究发展现状,阐述超声换能器常见的几种设计方法,分析比较高聚物材料的力学性质即粘弹性以及相关力学参数,为高聚物换能器的设计奠定基础。（2）以前后盖板均是PPS材料的阶梯型换能器为例,利用有限元计算并分析中部螺栓的材料及长度对换能器振动特性的影响,得到:当换能器结构、尺寸相同时,中部螺栓选用钢材料时高聚物换能器谐振频率更高,且具有更大的前端面振幅及前后振幅比。钢螺栓底端刚好在后盖板底部,螺栓顶端刚好在阶梯型变截面处时可使换能器前端面振幅最大。（3）设计了两类前后盖板材料不同的阶梯型高聚物换能器:A.前、后盖板材料均为高聚物PPS;B.后盖板材料为钢,前盖板材料为高聚物PPS。根据一维纵振动理论和机电状态方程,得到中部带螺栓的高聚物换能器机电等效电路图,推导电路的总阻抗方程,得到谐振频率。同时利用有限元法计算高聚物换能器的谐振频率、前端面振幅、前后振幅比等参数。（4）研究了高聚物材料的粘弹性对换能器振动性能的影响。高聚物材料的粘弹性表现为换能器的机械损耗,储能模量一定时,损耗模量越大,粘度越大,粘弹性材料的力学松弛现象越明显,机械损耗越大,换能器前端面输出振幅越小,机械品质因数越小,带宽越宽,导纳圆直径越小。但高聚物材料的损耗模量对换能器的谐振频率、反谐振频率、有效机电耦合系数、前后端面振幅比的影响甚微。（5）为增大高聚物换能器的前端面输出振幅,在其前端开一横向矩形通孔,研究了开孔长度、开孔宽度及孔离端面距离3个参数对谐振频率、前端面振幅的影响。对开孔尺寸进行优化,分别得到了两类换能器的最佳开孔尺寸。（6）加工并装配未开孔及优化开孔后的两类换能器,实验测试其性能。结果表明:开孔后换能器的振动形式由纵振动变成纵-弯耦合振动,开孔后的换能器谐振频率略低于未开孔的换能器谐振频率。优化开孔后,大幅度提高了两类换能器前端面振幅及前后振幅比,其中前后盖板都是PPS材料的换能器的优化效果更加明显。开孔后换能器的机械品质因数变小,带宽变宽,导纳圆直径变小。此外,换能器前端面振幅与外加激励电压成线性关系,前端面振幅值的平方与有效功率成线性关系。实验测试结果与理论计算结果符合较好。