换能器已经应用到如雾化器、超声材料加工、医疗中的超声探头及水下通讯的声呐等领域。换能器晶片的振动产生声波,声波用来进行水下探查,一般声波的波束宽度越窄,表示声场能量越集中,因此设计窄波束的换能器对于提高水下探测的范围和精度、提高成像的分辨率具有较好的作用。为了解决夹心式换能器在低频工作时的小尺寸问题,本文提出了一种准周期结构换能器,所述准周期结构换能器是把夹心式换能器压电陶瓷堆中部分压电片替换为非压电材料,压电陶瓷片与非压电材料交替排列,形成准周期结构,且相邻压电陶瓷片的极化方向相反。通过选择合适的非压电材料可以获得较低频率的换能器。在准周期结构换能器的辐射端添加薄圆板,因为薄圆板的厚度远小于直径,换能器的纵向振动传递到薄圆板会使其产生弯曲振动,改变了换能器辐射面的振速分布,从而控制换能器辐射声场的指向性开角。通过调节薄圆板的直径,控制换能器谐振频率处的发射电压响应级与波束宽度,实现低频窄波束的小尺寸水声换能器。利用等效电路法和有限元法对所提出的换能器进行了研究,并根据数值仿真结果制作了换能器样机。论文的主要研究内容和创新点如下:1.设计了准周期结构换能器的结构,利用等效电路理论,推导了准周期结构换能器的等效电路。在忽略损耗的情况下,得到准周期结构换能器的整体等效电路及频率方程,选择不同的非压电材料,计算换能器的谐振频率,并与相同尺寸下的夹心式压电换能器谐振频率进行对比。推导了低频窄波束准周期结构换能器辐射声场指向性的计算公式,改变薄圆板的直径,分析指向性的变化规律。2.建立准周期结构换能器的有限元模型,对不同非压电材料时换能器的振动模态进行分析,并与相同尺寸下的夹心式压电换能器的频率特性进行比较。仿真结果表明,选择不同的非压电材料可以获得不同谐振频率的换能器,且非压电材料为尼龙时准周期结构换能器的谐振频率较低。建立低频窄波束准周期结构换能器在水中的有限元模型,非压电材料为尼龙,分析薄圆板的直径对换能器性能的影响。3.制作了夹心式压电换能器、准周期结构换能器和低频窄波束准周期结构换能器的实物模型,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,并将实验结果与等效电路计算结果及有限元仿真结果进行了对比。