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研究背景聚焦超声换能器是HIFU（High Intensity Focused Ultrasound）治疗设备的核心部件,该部件的材料、聚焦方式、频率、形状结构以及其他性能参数都会直接影响换能器的声焦域形态,从而影响治疗精度。在以往的研究中,多是基于球面自聚焦,声透镜聚焦,多元组合式聚焦以及电子相控阵聚焦4种聚焦方式的行波聚焦超声换能器。这几种形式的聚焦超声换能器形成的-6dB声焦域尺寸较大,焦域整体为雪茄形状,通常焦域长轴大于6个波长,长轴与短轴的比值大于3,焦点能量较为分散,使得聚焦精度较低,不能有效的避免正常组织损伤。而声场中驻波的存在可以有效降低聚焦超声换能器焦域的长轴与短轴的比值,获得更小的焦域体积,使超声能量更为集中,甚至能够使焦域尺寸达到亚波长尺度。因此,本课题设计一种可以改变焦域形态,尤其是改变长轴与短轴之比的行波驻波组合式聚焦超声换能器,研究在不同结构尺寸下声场的变化规律,以此寻找换能器最佳结构参数。目的为了准确设计和优化能够改善焦域形态的聚焦超声换能器,以鼓形驻波换能器为基础,研究换能器在不同结构参数条件下声压分布以及焦域形态随之的变化规律。确定改善焦域形态,缩短长轴与短轴之比的换能器结构参数,同时设计制造一种聚焦夹角大于180°的行波驻波组合式聚焦超声换能器加以验证。方法1.在行波聚焦理论基础上,推导辐射声场中含有行波和驻波的换能器声场理论计算公式,并计算不同结构参数下的声场分布情况及声焦域尺寸。2.采用COMSOL软件建立仿真模型,换能器设计为鼓形驻波聚焦超声换能器（聚焦夹角360°）,研究不同球台高度下声压分布、声焦域形态等方面的变化趋势,找寻最佳球台高度参数。以此为基础,改变换能器聚焦夹角,使换能器的聚焦夹角在90°270°范围变化,间隔为30°,研究聚焦夹角改变时,声压、声焦域形态等方面的变化趋势。3.基于仿真模型设计并制作一个鼓形聚焦超声换能器,使用阻抗分析仪测试换能器的电学性能,并用聚焦超声声场扫描系统测量换能器驻波声场和行波驻波共聚焦的声场,对理论、仿真、实验结果进行对比分析。结果1.在线性条件下,利用瑞利积分,在中心开孔的凹球面聚焦超声换能器声场理论计算基础上,将鼓形驻波换能器的开口部分视为孔,改变换能器积分上下限,推导出了换能器声场三轴方向上理论计算公式。通过MATLAB进行数值计算,对传统行波聚焦与驻波聚焦所形成的声场分布进行对比,发现驻波换能器较行波换能器的聚焦精度能提高了7倍以上。2.利用COMSOL多物理场仿真软件,对鼓形驻波换能器进行有限元仿真,发现随着球台高度的增加,换能器形成的声焦域由长椭球形逐渐趋于圆形,当球台高度≥1.4Fgeo时,焦域尺寸均可达到亚波长尺度。选取球台高度1.6Fgeo,改变换能器的聚焦夹角,当其聚焦夹角为≥210°时,换能器形成的声焦域尺寸可达到亚波长尺度,且主要声辐射面焦域的长轴与短轴之比小于2。3.依据上述理论计算和仿真结果,设计制作了一个可改变聚焦夹角的鼓形换能器,其内径160mm,球台高度128mm(1.6Fgeo),测得换能器的压电陶瓷各阵元频率在986±8KHz之间。在相同聚焦夹角下,换能器不同发声区域的谐振频率最大差值不超过5KHz,阻抗最大差值不超过3Ω。实验测得换能器聚焦夹角360°时的焦域尺寸为.073λ×.060λ×.066λ。当换能器聚焦夹角为210°、240°、270°时对应的焦域尺寸分别为.10λ×.07λ×.093λ,.087λ×6.0λ×.097λ,.08λ×.053λ×.092λ。结果表明聚焦夹角≥210°时,主要声辐射面的长轴与短轴之比小于2,焦域尺寸均达到了亚波长尺度,实际测量值与理论计算和仿真结果近似。结论虽然推导出的声场理论计算公式是在线性条件下,且没有把换能器声发射面反射的声波纳入计算,但与COMSOL有限元仿真结果对比,声焦域尺寸平均偏差不超过5%,这说明在线性声场条件下,使用瑞利积分的方法,用理论公式计算含有驻波声场的换能器是有效的。运用COMSOL软件建立鼓形驻波换能器的有限元仿真模型,得到了不同球台高度换能器的声场分布以及声焦域尺寸的变化趋势。当球台高度为1.6Fgeo时,改变换能器聚焦夹角,其焦域尺寸从0.92λ×0.87λ×.321λ逐渐缩小到0.82λ×0.47λ×0.72λ,主要声辐射面焦域长轴与短轴之比从3.69降低到了1.53,聚焦夹角≥210°时可使聚焦精度提升到亚波长尺度。最后通过理论计算、仿真模拟和实验验证对比分析,表明这种聚焦夹角≥180°的行波驻波组合式换能器最佳球台高度为1.6Fgeo,最佳聚焦夹角应≥210°,该种换能器的焦域形态相对于行波换能器可以得到明显改善,能够将聚焦精度提升到了亚波长尺度。