为了实现超声骨刀换能器在工作频率附近的多模态分离和寄生模态抑制，提高超声能量传输效率，综合模块化设计、机电等效四端网络、模态频率灵敏度分析、非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）等方法，建立了一种超声骨刀换能器设计与模态优化的新方法，并对其可行性和有效性进行试验验证。试验结果表明：所建立的超声骨刀换能器稳态振幅、模态频差多目标优化模型有效，利用NSGA-Ⅱ算法可获得结构参数的全局最优解；试制的超声骨刀样机工作频率为27.56kHz，稳态输出振幅达到110μm，振幅放大系数较优化前提升50.43%，同时在工作频率附近±2kHz范围内不存在寄生模态，有效抑制了模态密集现象，展现出良好的优化效果。