随着时代的发展,全球医用超声诊断设备的总投入从2013年到2019年呈线性增长趋势。在2020年新冠病毒疫情来临之时,医疗行业的发展更是引起了全球的高度重视。压电材料与声学材料都是压电超声换能器的核心部分,基于(100-x)PbZrO3-xPbTiO3(PZT)陶瓷的压电超声换能器在现阶段已获得广泛应用。与 PZT 陶瓷相比,弛豫铁电单晶(100-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMNT)具有更高的压电系数d33(～2000 pC/N)和机电耦合系数(k33>92%)。发展基于PMNT弛豫铁电单晶超声换能器及与之匹配的声学材料,将有望大幅度提升超声换能器的灵敏度与带宽。本论文围绕弛豫铁电单晶换能器声波传输过程中的声阻抗特性展开研究,具体研究内容及结果如下:针对于组分为72Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-28PbTiO3(PMN-28PT)的弛豫铁电单晶,采用的振动模式为厚度振动模式,研究频率为3 MHz的相控阵压电超声换能器。利用环氧树脂与氧化锆粉末、氧化铝粉末、二氧化硅粉末、钨粉等无机材料粉末制备适用于弛豫铁电单晶超声换能器用的声学材料。利用阿基米德排水法和超声波频谱法测试样品密度和声速,统计并分析样品声阻抗的变化规律。结果表明,样品密度和声速与无机填料的质量分数呈线性相关。通过改变无机填料与环氧树脂的质量配比,得到声阻抗范围为1.4-10.1 MRayl的超声换能器声学材料参数。此外,通过真空除气法和离心除气法结合的方法成功制备出无内部缺陷的声学材料,为实际换能器的制备打下了基础。基于得到的声学材料数据,利用PiezoFlex有限元模拟软件设计压电单晶相控阵超声换能器并调整声学材料参数,以此达到超声换能器的最佳性能。采用改进的双层背衬结构设计的超声换能器,相比传统单层背衬超声换能器,其灵敏度提高了 6.4 dB,在-6 dB条件下相对带宽提高了 12.4%。在此基础之上,通过参数调整后的优化设计模型,在灵敏度变化较小的情况下,相对带宽能够达到102.2%。通过声学材料参数调整和超声换能器结构设计能够有效提升超声换能器的灵敏度与带宽性能,为未来弛豫铁电单晶换能器高端市场的发展起到了良好的推动作用。为了探索环境友好型无铅压电超声换能器,本论文系统研究了无铅单晶(100-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xBi(Zn0.5Ti0.5)O3(NBT-xBZT)的电学性能及其晶体结构。随着BZT含量增加,NBT-xBZT晶体的电性能呈现出先升高后降低的趋势。与PMNT二元单晶类似,NBT-8BZT单晶接近于准同型相界(MPB),并且表现出最佳的电学性能。纯的NBT单晶压电常数d33只有52 pC/N,而NBT-8BZT单晶的压电常数能够达到127 pC/N。在温度稳定性方面,PMNT单晶的居里温度Tc在130℃左右,而NBT-8BZT单晶居里温度高于328℃。这种电学性能的提升和高的温度稳定性为无铅压电超声换能器的发展,以及后续声阻抗特性研究提升超声换能器的灵敏度和带宽性能提供了可能。