医用凹圆柱面聚焦换能器声功率测量和高频率大口径下非线性动态聚焦声场分析对于腔体组织内热消融超声手术治疗的安全性和有效性有着重要的意义。如何准确有效地测量柱面会聚波的声功率是全文重点,本文首先建立了基于辐射力天平法的柱面会聚波声功率测量模型并进行了相关实验研究;然后基于换能器电声互易测量原理,系统建立了柱面会聚波声功率自易测量方法;最后分别对于柱面条状阵列换能器及凹球多环阵列换能器的动态聚焦声场进行了声场分析和数学建模研究。本论文主要研究内容如下:1.从几何声学原理出发,推导了基于辐射力天平法的柱面会聚波声功率测量的数学模型,研究了应用于反射靶及吸收靶的计算方法,得出了柱条阵列换能器的声功率测量计算表达式。同时在理论上将基于射线声学法与远场积分法的柱面会聚波声功率测量的数学模型进行了比较,给出了适用范围。然后分别将凸棱柱反射靶及平面吸收靶应用于辐射力天平系统中,并结合理论计算模型实测比较了不同靶距及不同驱动电功率下的凹圆柱面聚焦换能器声功率,给出了实际应用的条件。2.在平面波及球面会聚波电声自互易测量基础上,成功地把自互易法推广到柱面会聚波声功率测量领域,完整地建立了柱面会聚波的声功率自易测量方法。首先从定义柱面会聚波的互易常数、自由场发送电流响应及电压灵敏度等电声特性参数开始,推导了柱面会聚波的自易测量公式的整个过程,重点讨论了反射系数和衍射修正系数的计算方法,得出了凹圆柱面聚焦换能器声功率自易测量及辐射电导计算的表达式,对已有的平面波及球面会聚波声功率自易测量公式作出了重要修正,提高了测量准确性。然后,将其应用于两个凹圆柱面聚焦换能器的声功率自易测量系统中,从而实现了只需测得三个电参数和相关几何参数就可获得凹圆柱面聚焦换能器声学参数。最后将实测结果与辐射力天平法的测量结果比较取得很好的一致性,通过实验证明柱面会聚波自易原理及应用于声功率测量的有效性。3.基于线性声场的理论研究了柱面会聚波动态聚焦声场模型,通过数值模拟,讨论了在方位角方向、辐射方向和柱轴方向聚焦声场分布,并且较完整地研究了焦距、控制角、阵元弧宽、阵元弧间距和阵元数目等参数作用下的声场聚焦效应,为将来凹圆柱面条状相控阵列换能器声场特性的实验研究提供了参考依据。4.研究了基于扁椭球声束方程SBE模型的凹球面多环阵列换能器动态聚焦声场的声源边界条件。利用数值计算验证了线性SBE动态聚焦模型的有效性。同时,又进行了SBE动态聚焦模型的非线性聚焦声场的计算,其特性与KZK模型的结果取得了很好的一致性。与O’Neil模型和KZK模型相比较,SBE动态聚焦模型为在高频率和大口径下轴向动态聚焦和非线性效应的声场研究提供了有效可行的计算方法。