超声波广泛应用于工业、海洋探索、生物医学等领域,超声换能器是产生超声波的核心器件,声场特性是其关键技术指标。对以压电陶瓷作为振动源的发射型超声换能器而言,匹配层与背衬层是重要组成部分,对其辐射性能有重要影响。在中低强度超声生物效应的相关研究应用中,换能器应具有较高的辐射效率及良好的指向性,使超声波能深入到目标组织或细胞,减少对非目标区域的干扰,减少由换能器与生物组织界面的反射波产生的热量损耗,防止由于换能器表面温度过高损伤生物组织或细胞。针对换能器匹配层及背衬层的优化研究,本文结合仿真与实验,对比探讨不同匹配层及背衬层对换能器辐射特性的影响;并利用优化后的超声换能器,探讨了低强度脉冲超声对离体骨骼肌肌力变化的影响。具体工作如下:1、研究了匹配层对换能器辐射特性的影响。基于垂直入射声波的反射与透射理论及垂直入射声波通过中间层的理论,分析匹配层特性阻抗与厚度对换能器声能透射效率的影响;选用单匹配层空气背衬换能器的计算公式计算本文换能器匹配层的特性阻抗值,确定仿真与实验中匹配层的材料、密度及声速;利用有限元仿真软件分别对有或无匹配层的换能器声场辐射情况进行仿真计算;并搭建不同实验平台测量相应换能器的辐射性能。结果表明,无论换能器的背衬材料为环氧树脂或者空气,添加匹配层均可以提高换能器的声能辐射效率,改善换能器的空间指向性。2、研究了背衬层对换能器辐射特性的影响。基于背衬层材料的声特性阻抗理论,分析了不同特性阻抗值的背衬层对换能器声场的影响,选用空气与环氧树脂作为仿真和实验中的背衬层材料;利用有限元仿真软件分别对空气或环氧树脂背衬的换能器声场辐射情况进行仿真计算;并利用搭建的不同实验平台对相应换能器进行测试。结果表明,无论换能器有或者无匹配层,空气背衬相较于树脂背衬可以提高换能器的声能辐射效率。3、探讨了超声波对离体骨骼肌力学特性的影响。利用中心频率1 MHz、重复频率1000 Hz、占空比20%的信号激励优化后的超声换能器,产生声强为200m W/cm~2的低强度脉冲超声刺激雄性SD大鼠离体比目鱼肌。实验结果表明,与未施加超声的对照组相比,经低强度脉冲超声刺激后的离体比目鱼肌肌力下降速度变快,下降幅度增大。