Page 6 - 《应用声学》2025年第1期

2 2025 年 1 月

及边界反射，伴随着弯曲振幅不断累积增大，在特
0 引言
定位置创造高能量密度区域，实现对声波的捕获与
随着人们对功率超声技术应用需求的日益增 聚焦。在理想情况下，当特定位置的厚度趋近于 0
长，提高功率超声振动系统的辐射声强和声处理范 时，弯曲波的相速度和群速度将趋近于 0，弯曲波
围是当前亟需解决的问题 [1−5] 。为了解决这些问 数和振幅将趋近于无穷大。然而，在实际情况中是
题，专家学者们分别从开发新型材料、改良系统结构 不可能实现厚度为 0 的。但是，尽管存在一定的截
以及优化工艺流程等方面入手，提出了不同的解决 断厚度，ABH 结构的声波捕获与聚焦特性仍会存
方案。在开发新型材料方面，目前已取得一定进展， 在 [43−45] 。然而，经过文献调研发现，ABH结构目前
开发的新型材料有弛豫型压电单晶材料等。但相比 的应用主要集中在减振降噪等领域，而利用其局部
较于传统压电陶瓷，新型材料在耐用性、高温稳定 的振动增强效应来提升超声振动系统性能的研究
性等方面仍然存在一些技术挑战 [6−8] 。另外，工艺 相对有限。
流程的优化往往决定了功率超声振动系统的实际 基于此，本文旨在利用 ABH 独特的振动增强
工况，但也受限于材料和结构特性，例如压电材料的 特性来开发新型功率超声振动系统，主要工作包括
占比将直接决定振动系统的功率容量，工艺的优化 直梁式和曲梁式 ABH 超声手术刀的模型设计、振
很难突破辐射功率的上限 [9−11] 。相较而言，改良功 动及声场探究以及离体组织切割实验验证。此外，
率超声振动系统的设计结构是目前最为常见且高 还介绍了探针浸入式和圆环浸入式 ABH 化学反应
效的方法。 器的模型设计、振动及声场探究以及超声空化实验
对于传统的纵向振动夹心式超声换能器而言， 观察。希望通过开发适用于不同领域的新型功率超
由于受到一维理论的限制，其横向尺寸必须远小于 声振动器件来验证ABH设计优化思路的可行性，同
纵向尺寸，因此其声处理面积受到严重限制 [12−14] 。 时也为高性能、高效率功率超声振动系统的开发提

针对这种换能器，改良其设计结构的方法有很多，其 供创新设计方案与研究参考。
中一种就是在换能器的前端结构复合各种形状的
1 ABH超声手术刀
辐射头，例如管、环、板、柱、球等 [15−19] 。另外一种
就是采用耦合振动设计，即同时激发振动系统的多
超声手术刀是一种利用高速振动实现切割、止
种振动模态来提升声处理面积 [20−24] 。例如，将纵
血、分离和牵引生物组织的外科手术器械。因其
向振动换能器与径向夹心式换能器或者金属圆筒
具有切割速度快、操作灵活性强、出血少、无烟雾
进行结构复合，可以同时激发换能器的纵向振动模
产生以及副作用小等优点，在现代外科手术中得
态和径向振动模态以实现多维声辐射 [25−27] 。总体
到广泛应用 [46−49] 。目前常规的超声手术刀通常由
而言，以上方法对于提升振动系统声处理范围具有
夹心式压电换能器、变幅杆、刀杆以及工作刀头组
显著效果，但是同样也存在声阻抗匹配困难、辐射
成。然而，由于设计结构的限制，常规超声手术刀
面积增大导致 Q 值降低以及辐射声强有限等问题。
仅在纵向振动模式下进行操作，导致其切割角度
因此，开发一种既能增大功率超声振动系统声处理
和工作能力存在限制 [50] 。现代外科手术面临多样
范围又能保证一定辐射声强的结构优化方案是非
化挑战，这对超声手术刀的振动性能提出了更高要
常有必要的。
求。因此，本节将 ABH 设计嵌入到超声手术刀头
声黑洞 (Acoustic black hole, ABH) 结构作为
中，提出两款 ABH 超声手术刀，并对其进行系统
目前最热门的声学功能性结构之一，在减振降
研究 [51−52] 。
噪 [28−30] 、能量收集 [31−33] 、波动调节 [34−35] 和粒
子操控 [36−37] 等领域展现出显著的应用优势和发 1.1 直梁式ABH超声手术刀
展潜力。根据不同的应用场景，出现了各种形式的 1.1.1 模型设计
ABH 结构，包括直梁式、曲梁式、螺旋式、圆环式 图 1 为直梁式 ABH 超声手术刀的结构示意图。
等 [38−42] 。这些结构的基本物理机制是通过调整结 将超声手术刀整体长度设计为 5 个纵振半波长，总
构的厚度变化规律，减小局部弯曲波的传播速度以 长为229.2 mm。换能器、两个变幅杆、传振刀杆以及