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压电超声换能器的性能直接影响超声成像的质量,是超声成像设备的核心组件,其基本结构包括压电材料、背衬和匹配层。本文首次尝试引入镁合金作为医用压电超声换能器的匹配层材料,首先系统地测试镁合金的声学性能;然后设计、制备镁合金作为匹配层的平面型压电超声换能器,研究揭示镁合金匹配层对换能器性能的影响规律;最后通过多物理场耦合有限元仿真计算,优化设计镁合金作为匹配层的聚焦型压电超声换能器,为制备更高性能的医用压电超声换能器提供支撑。选用不同状态的AZ31B、GW83、ZK60变形镁合金,采用超声方法测试了它们不同方向的声速,结果表明不同成分、不同状态的镁合金的声速相近,约为5800 m/s,且呈现各向同性;建立了三种镁合金的弹性全矩阵;三种镁合金的声阻抗值均约为10 MRayl,7.5 MHz频率下声衰减系数约为0.02 dB/mm,远小于传统复合材料,显示出作为换能器匹配层的优良特性。基于Krimholtz-Leedom-Matthae(KLM)模型,设计、制备了AZ31B镁合金作为第一匹配层的平面型PZT-5H医用压电超声换能器。测试研究结果表明,设计频率为5 MHz换能器的中心频率、带宽、插入损耗分别为4.60 MHz、79%和-11.11 dB,设计频率为10 MHz换能器的中心频率、带宽、插入损耗分别为9.25 MHz、71%和-14.43 dB。与使用传统复合材料匹配层的换能器相比,以AZ31B镁合金作为匹配层的换能器的带宽更宽、插入损耗显著减小,性能得到了大幅度的提升。通过多物理场耦合有限元软件COMSOL Multiphysics并模拟了频率为5 MHz、振元直径为4 mm的聚焦型PZT-5H压电超声换能器,模拟结果表明,随着曲率半径增大,聚焦型超声换能器的焦距增大,焦柱长度增大;而焦点处声能量密度减小,声束宽度增大,横向分辨率逐渐下降。曲率半径为4.5 mm的聚焦型换能器具有最佳的综合性能,其焦柱长度为10.45 mm,焦点处的声能量密度较平面型换能器的提高了337%;声束宽度为0.91 mm,是平面型换能器的48.7%,最大旁瓣级比平面型低6.38 dB,预期可以大幅提高超声换能器的灵敏度和横向分辨率。