空气耦合超声无损检测技术是一种以空气作为耦合介质的新兴无损检测技术,具有非接触、非浸入、完全无损和检测精度高等特点。空气耦合超声换能器作为空气耦合超声无损检测技术中最为关键的器件,其性能直接影响到无损检测系统的整体作用效果。因此,研制高性能的空气耦合超声换能器对提高无损检测水平具有重要的工程实际意义。本文旨在设计、制作并优化工作频率在100k Hz左右的高灵敏度压电式空气耦合超声换能器。系统分析了压电超声换能器的基本理论,包括压电超声换能器的结构和工作原理、矩形活塞换能器辐射声场的声压分布和指向特性、超声换能器阻抗匹配理论以及空气耦合超声换能器在检测过程中的主要衰减因素等内容,为后续低频空气耦合超声换能器的设计及匹配层优化设计提供理论基础。设计并制作了100k Hz有背衬和100k Hz无背衬（以空气为背衬）空气耦合超声换能器。压电材料结构设计方面选用双片压电晶片叠堆（机械串联、电学并联）和双匹配层结构,材料制作方面实验制备了1-3型PZT-环氧压电复合材料和空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料,制作超声换能器样品进行相关测试。通过实验完成了空气耦合超声换能器匹配层厚度的优化设计,并探究了匹配层厚度对超声换能器频率特性的影响。结果表明匹配层厚度优化能有效提高空气耦合超声换能器的灵敏度特性,且无背衬样品的灵敏度明显优于有背衬样品的灵敏度。本文研制的低频空气耦合超声换能器适用于混凝土等非均匀材料的缺陷检测,具有一定的工程应用价值。