在空气中产生和传播超声,主要的问题是空气介质的低声阻抗和高介质吸收。由于固体和气体的声阻抗相差甚远,因而存在严重的阻抗失配问题。为了获得有效的声波辐射,需要在辐射器和空气介质之间进行良好的阻抗匹配。由于声波频率的提高,空气中超声的吸收随之增大,导致超声的可探测到达距离受到影响。为了获得长距离的传播,辐射器必须有高的效率和指向性,一般换能器为实现低频段良好响应往往要以增加换能器的尺度为代价。弯曲振动换能器可以在不增加换能器尺度下达到低频段较好的响应,弯曲振动是压电体振动的一大类,人们采用压电振子做成弯曲振动,已获得体积小、频率低的器件。产生弯曲振动的一种方式是利用压电陶瓷片或压电陶瓷片与金属片组成的复合双迭片和三迭片,其中包括圆形叠片结构和矩形结构。金属片和压电陶瓷片构成的弯曲振动压电陶瓷换能器具有谐振阻抗低、易于匹配外部电路、易于施加阻尼、结构简单和性能稳定的优点。当工作在低频时,它的几何尺寸较小,是一种理想的低频谐振声源,而且能够在同一几何尺寸下,产生比纵向、厚度及径向振动频率低得多的共振频率。为了与空气的声阻抗相匹配,将压电陶瓷片与金属片粘合在一起。压电陶瓷片作为激励部件,当加上电压时,压电陶瓷片产生伸张运动,可使复合圆片产生弯曲振动,得到较大的振幅。金属薄片还可以充当保护膜,起到保护压电陶瓷和电极,防止磨损和碰坏的作用,常用作空气超声换能器和水声换能器,如声压梯度水听器、声发射传感器、超声测距换能器等。在生产和工程技术测量等应用中,压电陶瓷和金属双迭片弯曲振动换能器得到了广泛的应用,对于其振动模态,已经有相应的数学模型和理论来描述,但是对于其具体器件的振动模态以及速度位移等值的测量观测,却很少有人涉及。而且目前对压电陶瓷和金属片组成的压电振子的研究,大多都忽略了压电陶瓷片和金属片之间的耦合效应。本文在考虑陶瓷片和金属片相互耦合的基础上,从压电方程和弹性力学的运动方程出发,基于薄板弯曲振动理论,对金属片和压电陶瓷片构成的双迭片复合弯振换能器进行了理论研究和实验测试。主要做了以下工作:①从压电方程和弹性力学的运动方程出发,推导出简支、固支、自由边界条件下的复合压电振子的严格谐振频率方程,并利用实验验证理论的正确性。②利用编程软件,计算谐振频率和有效机电耦合系数与压电陶瓷片及金属片的半径和厚度的关系,进行优化分析,找出在特定频率下,有效机电耦合系数最高时的尺寸关系。③利用Ansys软件对不同边界条件下复合压电振子进行有限元模态分析,提取模型的位移振动曲线,与实验测得曲线比较。④根据理论分析,自制复合压电振子,进行频率测试,并采用激光测振仪对换能器的振动位移进行了测量和分析。