功率超声处理技术,如超声液体处理、超声加工、声化学反应等,具有高效、环保、节能等突出优点,在航空航天、医疗技术、生物工程、机械工程等领域获得了广泛应用。随着功率超声技术不断创新提高,超声技术应用领域也不断拓展。在大功率的超声应用中,传统纵振动夹心式压电换能器存在着超声作用方向单一、功率容量有限、声波辐射面积小等不足,已经无法满足一些新应用技术的需求。为提高现有纵向及径向振动超声换能器的振动性能,改善声辐射方向,提高其功率容量及增加声波作用范围,本文提出了一种新型二维纵向振动夹心式压电换能器。主要研究内容包括,(1)基于弹性振动理论,利用力电类比原理,建立了 L-L振动方向变换器二维耦合振动的等效电路模型和共振频率方程,计算了变换器同相和反相共振频率。对比了本文等效电路法计算的结果与原有波动方程组计算的结果,表明本文的等效电路法具有更高的计算精度。借助有限元软件ANSYS模拟了 L-L振动方向变换器的反相和同相的振动模态,加工了相应的实验样品,通过实验测试了变换器的振动频率,证明了本文提出的机电等效电路的正确性。(2)利用二维纵向耦合振动机理,研究了双激励L-L型夹心式压电换能器,建立了该换能器的等效电路模型,得到了其谐振频率方程。利用数值仿真,分析了该换能器的振动性能,并对比了两种方法得到的结果。(3)为了进一步提高双激励换能器的功率容量和超声辐射强度,基于功率合成技术和弹性体的耦合振动机理,研究了四激励二维纵振动夹心式压电超声换能器。推导了该换能器的整体机电等效电路及其共振频率方程,研究了其尺寸参数和材料参数对其振动性能的影响,并用软件仿真验证了理论结果,为该类换能器的工程应用提供理论设计指导及实验数据。该设计可提供大功率、高强度、多方向的辐射声波;可作为激励源,也可作为超声马达和用于超声脱气技术等。该项目大大改善了现有纵向和径向换能器的振动性能,拓展了该类超声振动系统的应用范围。