无损检测、医学成像、声学显微镜等一直是研究的热点,而超声换能器作为其中的核心部分,在各个领域都得到了广泛的应用。对于机械扫描声学显微镜(Mechanical scanning Acoustic Microscope,简称SAM),传统的平面超声换能器——声透镜结构经过许多年的发展,已经得到广泛的研究以及应用。而较早提出的凹面球超声换能器结构相较于传统结构拥有更高的分辨率和更好的抗噪声能力,但对其的研究并不完善。本文主要研究凹面球超声换能器的尺寸和结构对其性能的影响以及与传统超声换能器性能的差异。一方面,达到优化凹面球超声换能器的径向振幅和分辨率的目的,另一方面,可以进一步完善凹面球超声换能器的研究。本文的研究内容主要包括凹面球超声换能器尺寸和结构与其性能关系的研究以及其与传统超声换能器性能的比较。首先,确定凹面球超声换能器的结构、材料以及工作频率。然后通过理论计算和有限元的方法,研究了工作频率下凹面球超声换能器的压电层厚度、球面半径以及球面半张角对换能器辐射面的径向振幅以及分辨率的影响。有限元法中采用控制变量的方式对压电层厚度,球面半径以及球面半张角分别设置一定变量间隔的分组,然后在工作频率附近作谐响应分析,最后提取工作频率下换能器的径向振幅或者分辨率。将数据结果处理并整理后,研究换能器性能随各结构和尺寸的变化的影响,并同理论结果作比较。研究发现压电层的球面半张角对换能器的径向振幅和分辨率有较大影响,而球面半径的变化对换能器影响不明显。随着球面半张角的增加,换能器的分辨率逐渐提高而其径向振幅先增加后减小,而当球面半张角在40~°~55~°时,换能器的径向振幅最优。而换能器的径向振幅随压电层厚度的增加线性减小。同时,设置含有机玻璃匹配层以及无匹配层的分组对比,使两组换能器除了匹配层以外其他参数均相同,然后分别建立两组换能器的有限元声学模型,最后分别提取两组换能器在焦区的声压模值作比较,发现使用有机玻璃作为匹配层对换能器的发射性能没有明显改善。另一方面,为了更全面的体现凹面球超声换能器与传统超声换能器的性能差异和优势,控制两种换能器的关键尺寸保持一致,且均施加10V的电压载荷,从焦距、输出阻抗、分辨率、发射声压以及接收特性五个方面进行对比分析。研究发现:1、两种换能器的仿真焦距均与理论焦距存在微小偏差,且传统换能器焦距大于凹面球换能器;2、传统换能器的发射声压模值为106MPa,凹面球换能器的发射声压模值为90.8MPa,前者的声压略大于后者,但差别并不大,说明两种换能器的发射性能相当;3、传统换能器的输出阻抗大约是凹面球换能器的2.95倍;4、传统换能器其分辨率为1.2μm,差于凹面球换能器的0.8μm,这也与仿真结果相照应;5、在相同的点声源作用下,传统换能器的输出电压约16mV,凹面球换能器约5.6mV,前者比后者具有更好的接收特性。