夹心式纵振换能器具有结构坚固、制造工艺简单、功率重量比大、电声效率高等优点。在功率超声领域,它得到了广泛的应用。随着功率超声技术的发展,对换能器的功率、测量范围、测量精度的要求越来越高,作为超声振动系统的核心部件,改善超声换能器的性能至关重要。夹心式压电换能器的性能主要与各组成部分的材料、形状和几何尺寸有关,此外还与螺栓的预应力有关。在夹心式压电换能器中,由于压电陶瓷片抗张强度比较差,通过采用金属块以及预应力螺栓给压电陶瓷圆片施加预应力,可以避免压电陶瓷片在大功率状态下破裂,然而由于螺栓预应力的影响,换能器的性能也会发生变化。在有关夹心式压电超声换能器的理论分析中,大多数都集中在无螺栓简单结构的夹心式换能器上,忽略了螺栓。在实际加工和装配换能器时,螺栓的直径一般依照压电陶瓷中孔的大小设计,其长度也人为给定,这样换能器的性能未必能达到最佳状态。为进一步提高换能器的性能,本文比较全面的研究了螺栓及其预应力对换能器性能参数的影响规律,通过优化螺栓的几何尺寸、位置和控制装配过程中螺栓的预应力,可以使换能器的性能有所提高。主要工作有以下两方面:(1)针对功率超声中常见的夹心式压电超声换能器,通过实验测试研究了预应力大小对换能器性能参数的影响规律。随着预应力的增加,共振频率、反共振频率、有效机电耦合系数、静态电容和动态电容先增大,当预应力达到一定值后不再随预应力变化,趋于稳定值;电感几乎不随预应力的变化而变化,始终保持为一定值;随着螺栓预应力的增加,阻抗模值开始减小,当预应力达到30MPa左右,阻抗模最小。此后,随预应力的增加,阻抗模开始增加。当预应力达到50MPa左右,阻抗模基本趋于稳定。(2)把预应力螺栓等效为一个T型四端网络计入换能器的机电等效电路,推导了考虑螺栓时换能器的频率方程,得出了螺栓的长度、直径和位置变化对换能器的共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数的影响规律。当位移节面位于压电陶瓷晶堆中时,随螺栓长度的变化,换能器的共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数都随之变化,其中螺栓长度约等于换能器总长的一半时,换能器的共振频率和反共振频率最大;当螺栓直径变化时,共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数随螺栓的直径单调变化,螺栓直径越大,共振频率和反共振频率越大,与此相反的是有效机电耦合系数却越小;当螺栓位置变化时,它位于换能器的中心位置,共振频率和反共振频率最大,而有效机电耦合系数随位置变化很小。当位移节面位于金属盖板中时,随着螺栓长度、直径和位置变化,换能器的共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数也在变化。当螺栓直径变化时,共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数随螺栓的直径单调变化,螺栓直径越大,共振频率和反共振频率越大,与此相反的是有效机电耦合系数却越小;当螺栓位置变化时,若螺栓在换能器中由后端逐渐往前移,对应于某一位置,共振频率和反共振频率存在最大值,而换能器的有效机电耦合系数则逐渐变小。