功率超声技术在生产、生活各领域中得到了普遍应用,是一门主要利用声能对物质进行加工处理的技术。在实际的应用中,对于超声换能器的振动位移、效率和功率有着非常高的要求。在构成整个超声振动系统的部件当中,其中超声换能器占有最主要的地位,实现两种能量之间的互相转化,例如可以将机械能转化为电能,反过来也可以将电能转换为机械能。其中压电换能器不但制作容易,而且使用起来也特别方便,加之其其他一些指标的优越性,比如具有相当高的发射灵敏度、接收灵敏度和机电转化效率,而且可使用的频率范围也较宽,因而在实际的应用当中,得到了最为广泛的应用。为了充分发挥超声换能器的独特作用,如何设计换能器进而提高其机电耦合效率的研究成为必要。众多学者研究了压电材料的机电耦合系数、前后盖板的材料及特性阻抗、中间厚电极的长度及位置、匹配电感等对压电换能器的有效机电耦合系数的影响。在功率较高的工作状态下,压电陶瓷表现出来的抗张强度不太理想,所以很容易发生断裂,常常使用预应力螺栓把换能器的后盖板、陶瓷片和前盖板按前后顺序连在一起,从而可以给压电陶瓷片施加适当机械强度的预应力,使其压缩状态下工作,这样就可以防止压电陶瓷片被振碎。但是很少有人研究螺栓的的几何尺寸和材料等与压电换能器的机电耦合系数之间的关系。针对以上问题,本文有关于预应力螺栓的粗细、长短、材料和所处的位置对压电换能器的有效机电耦合系数的影响作了深入探究。具体工作如下:(1)在压电换能器长度一定的前提下,基于换能器的机电等效线路图和设计原理,推导了其谐振及反谐振方程,分析了用数值解析法计算了换能器有有效机电耦合系数与压电堆的长短、位置之间的关系。本文研究表明,当换能器的压电堆位于其中间位置时,压电堆的长度对应某一个值使得换能器的有效机电耦合系数存在极大值;当压电堆的长度不发生变化,仅仅改变压电堆的位置,得出当压电堆位于换能器的中间位置时,换能器的有效机电耦合系数对应一个极大值。此外,还得出换能器优化设计时,考虑螺栓时的有效机电耦合系数均小于不考虑螺栓时的。(2)将换能器的预应力螺栓等效为T型四端网络,结合换能器的机电等效线路和设计原理,推导出换能器的谐振频率方程和反谐振频率方程,用数值解析法得出位移节面位于换能器的中间位置时,换能器的有效机电耦合系数与预应力螺栓的长短、材料和粗细之间的变化关系。结果表明,换能器的总长度为一固定常数,不断加长螺栓时,换能器的有效机电耦合系数的值随其螺栓的加长而缓慢增大;不断加粗螺栓时,有效机电耦合系数随螺栓的加粗反而在减小。换能器前后盖板的材料都选择45#钢,换能器其他条件不变的情况下,分别选择45#钢、钛或铜作为螺栓的材料时,其中选择45#钢作为螺栓材料的有效机电耦合系数最低;钛或铜作为螺栓材料、直径保持不变,螺栓长度较短时,前者的有效机电耦合系数小于后者的。反之,其长度较长时,前者的大于后者的,且当螺栓不断加长时,有效机电耦合系数也随其长短的加长而增大。(3)同样将螺栓等效为T型四端网络,分别给出了预应力螺栓处于中部位置或后置时,压电换能器的机械等效电路图,而且推导出两种情况下分别对应的谐振及反谐振方程,使用数值解析法计算了压电换能器的有效机电耦合的系数与预应力螺栓的位置变化的关系。通过分析与比较,从理论上得出压电换能器的前盖板、后盖板及螺栓的材料都选择45#钢,且当其位移节面设计在换能器的正中央的位置时,预应力螺栓置于换能器的中部比后置的有效机电耦合系数较高的结论。