核爆监测、地震监测与预报、海啸预报和火山喷发监测等领域急需频率低、灵敏度高的次声波传感设备。相比其它监测环境,深水环境噪声干扰小,因此深水环境有利于探测有价值的次声波信息。但深水压力对次声波传感设备的密封和耐压性能提出了挑战。声压水听器可探测水下声信号和噪声声压变化,并产生与声压成正比的输出电压。它是水声探测中不可缺少的设备,也是被动声纳系统的核心部分。由于压电陶瓷具有机电耦合系数高、稳定性好、可塑性高等优点,使得压电水听器广泛应用于水声探测领域。目前,高频压电水听器的研究已经比较成熟,但对低频压电水听器的研究相对较少,尤其是压电次声波水听器。因此压电次声波水听器的研究具有重要的应用价值。本文建立了压电双晶片(PBIH)、圆管形(CTPIH)和叠层环形(LRPIH)三类压电次声波水听器模型。针对三种水听器模型,提出了分别适用于浅水和深水环境的水下空腔及浸水溢流两种结构形式。对两种结构形式的三类压电次声波水听器的次声波探测性能展开了研究。研究工作主要包括:本文首先基于线性压电理论和结构动力学原理,通过建立CTPIH和LRPIH两种压电次声波水听器理论模型,研究其空气环境中的基本性能。因为频率较低,所以基于静态假设,推导出方便工程应用的CTPIH和LRPIH接收灵敏度估算公式。ANSYS的有限元计算结果与理论模型计算结果吻合良好,验证了理论模型的正确性。进一步讨论了结构参数对接收灵敏度的影响。然后,应用ANSYS分别建立了PBIH,及CTPIH和LRPIH两类纵向复合式次声波水听器的有限元模型,对其中的力电耦合和流固耦合问题进行数值计算和分析。主要研究三类压电次声波水听器在空气中的振动模态,和水下空腔及浸水溢流两种结构形式的灵敏度和工作带宽等性能指标。分析其结构用于次声波探测的可行性,并研究材料参数、结构几何参数及匹配层结构对水听器性能的影响规律。最终,在制造工艺的允许范围内,对次声波水听器进行了材料选择和结构优化,并给出性能优良的次声波水听器模型参数。数值结果表明:降低结构的固有频率,会提高次声波水听器的灵敏度,但工作频带变窄;对三类压电次声波水听器,浸水溢流结构都比空腔结构的性能差;存在最优匹配层厚度使次声波水听器的灵敏度达到最大。经过参数优化,空腔结构的三类压电次声波水听器模型都具有较好的次声探测性能,适用于浅水环境的次声波探测,进行强度校核可得适用的最大水深;而浸水溢流结构可耐深水压力。但对三类压电次声波水听器,只有LRPIH采用浸水溢流结构满足深水探测次声波的性能要求。经模型参数优化,其灵敏度可达到-181.3 dB,带宽为0.1~120 Hz,是一种适用深水环境的压电次声波水听器模型。综上所述,通过建立理论模型和有限元模型,经过理论分析和数值计算,得到压电次声波水听器模型参数对接收灵敏度和带宽等性能参数的影响规律,优化了两种结构形式的三类压电次声波水听器的模型参数。同时,为压电次声波水听器的设计和研究提供了一定的理论基础和研究方法。