随着超声技术在医学诊疗、军事海洋、无损检测、石油测井等领域的发展,各类应用对声场的精准控制需求也越来越高。作为实现电声能量转换的核心器件,超声换能器的性能是决定整体设备水平的关键。针对提高超声换能器的性能水平,本文讨论了匹配层对聚焦超声换能器性能的影响,设计了球冠状聚焦换能器匹配层的制作方法;研究了背衬层材料对超声换能器性能的影响,提出用空气作为水声换能器的背衬层材料,有效提高了换能器的辐射效率;设计并制作了 1 28阵元组成的球冠状阵列超声换能器,构建了高强度的聚焦声场,并结合相控阵技术,实现了对焦点位置的调控。具体工作如下:1、研究匹配层对聚焦超声换能器性能的影响。（1）基于声波透射反射理论,分析了匹配层对声波辐射传播的影响;并根据压电陶瓷和负载的特性声阻抗,得到匹配层的最佳特性阻抗值;基于仿真模拟,分析了有无匹配层对聚焦换能器辐射性能的影响。（2）探索了制作特定声特性阻抗值的材料比例;针对聚焦超声换能器,设计了球冠状匹配层的制作流程;搭建了三维声场扫描系统,实验验证了匹配层对辐射声场的影响。结果表明,球冠状匹配层可以使压电材料发出的声波更有效地传播到目标负载中,减少声波在两种介质交界处的反射,有效提升聚焦超声换能器的声辐射效率,并能保护压电材料不被外界材料腐蚀破坏;2、研究了背衬层材料对超声换能器性能的影响。（1）基于理论分析了背衬材料对换能器辐射效率的影响,发现背衬层与压电单元材料声阻抗的差异越大,换能器向前端负载辐射的效率越高;提出用空气作为水声换能器的背衬层材料,与传统的树脂材料相比,可大幅减少声波能量向压电材料后方辐射,提高声能利用率。（2）基于仿真,测量了相同的电压条件下两种不同背衬层换能器的声波辐射情况,发现空气背衬层换能器得到的声功率和声压近乎于树脂背衬层换能器的两倍,换能器的声辐射效率得到明显提升。（3）基于声场扫描系统,测绘了两种换能器的声场分布,验证了空气背衬层换能器向前端辐射效率更高。3、设计制作了由128阵元组成的球冠状阵列超声换能器。根据惠更斯叠加原理,利用相控阵系统同相激励128个阵元时,由于空间中各列声波相干叠加或相消,在球心位置处自然产生一个半径约为1.5cm的球状叠加聚焦,球内的声场最强,球外依次减弱;另外,基于时间反演法根据各阵元与目标点的距离计算实现目标点聚焦各阵元的相位序列,并应用相控阵技术设置各个阵元的相位或相应的延时信号,则可实现阵列换能器在一定空间范围内的不同位置处动态聚焦。