超声换能器是医学成像设备上关键的组件之一,仍然存在很多工艺瓶颈有待突破。基于1-3型压电复合材料的球形单阵元超声换能器相对于传统的单晶材料换能器有很大的优势。开发的换能器有低的声阻抗、小的介电常数、大的带宽值和高的机电转换效率等优势。球形超声换能器不用添加声透镜来聚焦,减少了超声传播过程中能量的损耗,可以获得优异的声场特性。使超声换能器不仅具有好的波束性能,而且具有较高的分辨率和灵敏度。首先,本文介绍了超声换能器、球形单阵元超声换能器及压电复合材料的概念和背景。通过分析国内外发展现状,讨论了本文的研究内容和意义,并提出1-3型压电复合材料的高频球形单阵元超声换能器的研究技术路线。其次,介绍了压电复合材料和压力声学基本理论。首次使用COMSOL有限元软件创建了1-3型压电复合材料和球形换能器的优化模型。通过仿真分析,优化了压电复合材料的各项参数和换能器的匹配层厚度,并研究了换能器的声场特性。随后,以1-3型压电复合材料仿真得到的优化参数为理论基础,通过改进的切割填充法制备压电复合材料。并使用磁控溅射的方法制备其表面电极,再进行材料的表征分析。得出1-3型压电复合材料的相对介电常数、机电耦合系数、声阻抗值、纵波声速等参数,并与仿真结果进行比较。最后,以制备出的1-3型压电复合材料为基础和换能器仿真设计得到的优化参数为指导,来制备基于1-3型压电复合材料的高频球形单阵元超声换能器。通过对传统工艺的研究,提出一种新的解决方案,使制备过程更加可靠并且易操作。再通过脉冲回波实验测试换能器样品的参数,其中心频率、带宽和焦距基本达到预期的设计指标。通过以上研究发现,COMSOL有限元仿真分析的结果与实验结果基本保持一致,切缝的填充物、压电相的宽高比和匹配层的厚度对压电复合材料和换能器的性能有很大的影响。本文不仅提供1-3型压电复合材料的仿真研究方法和换能器的仿真设计思路,而且提供了一种新的球形单阵元超声换能器的制备方法。本文为以后的复合材料球形单阵元超声换能器的深入研究打下了坚实的基础,也为其他换能器的设计提供了参考。