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近年来，随着微电子及无线传感技术的飞速发展，许多电子微器件的功耗降至只有几十微瓦，这使得利用压电材料将环境中的振动能量转换为可利用电能的研究越来越受到人们的关注，这是因为压电材料具有力电耦合效应，可以直接实现力学量与电学量之间的相互转换。本文针对复合圆盘型、单Cymbal压电换能器型及Cymbal型压电串联、并联阵列四种类型的压电转换装置，对不同形状结构压电振子进行了动力学分析、力-电转换特性分析及有限元分析，同时还进行了较深入的实验研究。本论文的主要研究内容有：
首先，研究了由不同尺寸的金属及压电陶瓷圆板构成的复合型压电转换装置在简支边界条件下的动力学及力-电转换特性。根据这种复合圆盘型压电转换装置的具体结构建立了理论模型，确定了在周期性均布载荷作用下，该结构所产生的电压、功率与其几何参数之间的解析表达式。利用该解析表达式，并结合有限元及实验分析，研究了不同负载电阻情况下结构所产生的峰值功率，并讨论了在此种振动环境下的的能量转换效率问题。在此基础上分析不同结构尺寸复合圆盘型压电振子的力-电转换特性，明确了当压电陶瓷与金属圆板的直径及厚度比分别为0.5及1.0时，产生的开路电压最大，同时分别对铝、铜及钢三种金属材料构成的压电振子的压电转换特性进行了分析比较。
其次，针对汽车发动机等具有较大质量、振动强度大的工作环境，研究了单Cymbal换能器型压电转换装置的动力学及力-电转换特性。由于Cymbal复合换能器的结构较为复杂，通过对金属钹盖进行力学建模分析，将压电陶瓷的振动分解为径向及轴向伸缩振动形式，求解了周期性均布载荷作用下压电陶瓷薄圆板的径向及轴向伸缩振动的位移解析解，以及Cymbal型压电复合换能器产生的电压及功率的解析表达式。对于单Cymbal换能器型压电转换装置，基于理论推导的数值结果表明其轴向伸缩振动的位移及应力、应变远小于径向伸缩振动产生的位移及应力应变。实验结果表明，当外部载荷幅值为134.8kPa，频率为50Hz时，单Cymbal换能器型压电转换装置产生最大54.5V的开路电压及1.8mW的峰值功率，理论与实验结果的误差分别为7.3％及5%。
最后，提出了结构新颖的Cymbal型压电串联及并联阵列，通过对Cymbal型压电串联及并联阵列的具体结构分别建立动力学模型，对这两种结构进行了模态分析，并通过实验测定了结构的阻尼，获得了结构在强迫振动下的位移解析解。利用上述理论解答，讨论了在相同的振动环境下串联及并联阵列中各Cymbal型换能器产生电压、功率的规律，并分别计算了两种Cymbal型压电转换阵列的能量转换效率。理论及实验表明，在相同的振动环境下，串联阵列中各Cymbal换能器产生电压的频率、相位相同，但幅值不同，而并联阵列中各Cymbal换能器产生电压的频率、相位及幅值相同，但其电压峰值小于串联阵列中的最大电压峰值。