超声技术近些年来由于其具有无损检测,在某些媒介中衰减速度慢等特性,正愈来愈引起人们的重视并且已经在能源,医疗,军事,通讯等各个行业得到应用。随着超声技术的飞速发展和实际中不断增长的技术需求,宽带超声技术具有非常广阔的前景。一般来说,超声设备由发射系统,换能器或换能器阵列,信号采集系统和信号处理系统等几个组成部分。作为发射系统和接收系统中的重要组成部分,阻抗匹配网络是换能器和电子学模块连接的桥梁。在发射系统中,阻抗匹配网络的目的是提高信号源传输给换能器的有效功率,避免过大的反射波可能对激励源造成的损坏,降低带宽内声源级的起伏程度。在接收系统中,阻抗匹配网络除了防止信号反射外还可以避免采集的电信号变形。早期的超声设备中,换能器往往工作于单一频率,工作带宽窄,阻抗匹配网络原理和计算都比较直观,匹配网络的拓扑结构也只需要很少的元件即可。随着超声技术的飞速发展,超声设备也越来越复杂,很多应用往往生成频带很宽甚至多个频带的超声波,这种情况下,简单的匹配网络已经不满足需求,往往经过复杂的计算过程,其最终的网络拓扑结构也变的越来越复杂。从发展历程上看,宽带匹配网络设计方法主要是为了解决射频和微波领域的系统设计中的经常遇到的宽带阻抗匹配问题而发展起来的。对超声换能器来说,尽管其工作频率以及绝对带宽比射频电路低很多,但并不代表为其设计匹配网络是一个简单的任务。因为无论其电阻抗特性还是应用环境等很多方面与射频电路中碰到的问题不同,如果不考虑这些特殊因素,而直接将现有的方法应用于宽带换能器的匹配网络设计,得到匹配效果可能无法令人满意,为了有效解决宽带超声换能器的匹配网络设计问题,应该以现有的匹配网络设计方法为基础,结合宽带换能器本身的特有性质,寻找一种有效的宽带换能器匹配网络设计方法。本文的主要目的是研究应用宽带超声换能器的时候会普遍遇到的宽带匹配网络设计问题,它包括理论研究和实验测试两个部分。在理论研究中,本文从宽带阻抗匹配的基本知识着手,讨论了目前工程实践中应用比较广泛的方法,并且讨论了不同类型的算法对结果的影响。在分析了现有算法的特性和不足之后,本文提出了一种基于遗传算法的宽带匹配网络设计方法,这种方法结合了实频法和直接优化方法的优点,不需要预先指定拓扑结构。在这之后,本文利用遗传算法对现有方法中存在的一些不足进行了改进。最后,本文通过解决一个实际工程中的多路宽带换能器的匹配网络设计问题验证算法的性能并且比较了不同算法之间的性能差异。本文各章的内容安排如下：第一章介绍了给出了课题的选择原因和一些需要了解的背景知识,包括超声系统结构,压电超声换能器及匹配网络的原理,和宽带匹配网络设计方法的发展和现状。第二章介绍了匹配网络设计涉及到的数学工具,包括赫尔维茨多项式,阻抗和频率归一化,正实函数,网络函数及其性质。在以上概念的基础上介绍了双端口网络综合的方法。第三章研究了宽带匹配网络设计的主要方法,主要有两大类方法,包括解析方法,和计算机辅助设计法。首先,讨论了三种著名解析理论,即Bode理论,Fano理论和Youla理论。在分析了解析法的缺陷和不足的基础上,论述了弥补这些缺点的方法,即计算机辅助设计法,并主要包含的三类方法：实频法及其改进方法,史密斯图法和直接优化方法。这些方法共同点都是利用实测的负载数据,无需负载的拓扑形式。讨论直接优化法的过程中,提出基于全局优化算法的直接优化设计方法,并选择两种典型的全局优化算法：模拟退火法和粒子群算法作为实现实例。通过为一个实际的宽带换能器机电等效模型设计匹配网络,比较了三类直接优化方法的性能。第四章在分析前文提出的方法的基础上,提出了一种基于遗传算法的宽带匹配网络设计方法,其最大特点是,和直接优化法不同,这个算法无需指定拓扑,可以通过优化过程搜索出拓扑结构及元件值。之后,结合上一章介绍的匹配网络设计方法的不足,给出了基于遗传算法改进方法。最后,对这种新方法通过仿真进行了验证。第五章基于一个实际超声测井系统的需要,为某超声测井系统中使用的多路宽带换能器进行匹配。该测井系统采用三个工作在不同频带的换能器覆盖其工作频段,需要设计一个宽带匹配网络使其能够对三个换能器同时匹配。本章采用上文介绍的多种方法进行了设计,并通过详细仿真比较了这些算法的性能。最后,选择性能较好的几类电路做成实际电路进行了测试并验证匹配网络的有效性。第六章为总结和展望。