Page 7 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 陈诚等： 声黑洞功率超声振动系统的研究 3

直梁 ABH 刀头 (含竹节结构) 的长度各为半个纵振 1 V。直梁式 ABH超声手术刀和常规手术刀分别在
波长，各段长度分别为43.5 mm、44.5 mm、43.9 mm、 频率 f = 55564 Hz 和f = 55398 Hz处被有效激发，
44.5 mm、52.8 mm，设计频率均在 55 kHz 附近。换 两者的振动模态如图 2(a) 和图 2(b) 所示。由图2 可
能器、变幅杆以及传振刀杆做纵向振动，而 ABH 刀 知，将一维 ABH 轮廓嵌入超声手术刀头设计后，直
头(含竹节结构)做纵弯耦合振动。竹节结构的作用 梁式 ABH超声手术刀头的局部弯曲波数显著增加，
类似于声子晶体，可以抑制弯曲振动向变幅杆传播。 波速降低。弯曲振动位移表现出显著的累积放大效
ABH 刀头 (含竹节结构) 纵振模态和弯振模态在设
应。分别提取两种手术刀的弯曲位移和纵向位移，
计频率的同频耦合是通过调整设计尺寸实现的。直
对比可知，直梁式 ABH 超声手术刀头尖端的最大
梁式 ABH 超声手术刀带有一个幂律变化的矩形横
弯曲振动位移约为常规手术刀的 9.5 倍，最大纵向
截面刀头，刀头的厚度函数可表示为
位移约为常规手术刀的2.8倍。
h 1 − h 0 m
h(x) = m x + h 0 , (1) 利 用 全 场 激 光 扫 描 振 动 测 量 系 统 (Polytec
L
1
其中，h 0 = 0.38 mm 为刀头在 x = 0 处的最小厚 PSV-400) 对直梁式 ABH 超声手术刀样机和直梁
度，h 1 = 2.5 mm 为刀头在 x = L 1 处的最大厚度， 式常规超声手术刀样机的振动特性进行实验测
L 1 = 31 mm 为刀头的最大长度，m = 3.91 为厚度 量，如图 3(a) 所示。图 3(b) 和图 3(c) 展示了直梁式

函数变化的幂次，满足 ABH 结构特征 (m > 2)，具 ABH 超声手术刀样机和直梁式常规超声手术刀样
体理论设计分析模型可参考文献[51]。 机的刀头纵弯耦合振动模态，两者对应的共振频率
1.1.2 振动分析 分别为 55781 Hz 和 55391 Hz。在相同的刀头长度
范围内，直梁式 ABH 超声手术刀样机刀头的弯曲
本节探究直梁式 ABH 刀头设计对超声手术刀
带来的性能提升。作为对照，直梁式常规超声手术 振动位移节点显著增加，意味着弯曲波的波数显著
刀的刀头厚度呈线性变化 (m = 1)。利用有限元仿 增加。并且随着刀头尖端位置的靠近，其弯曲振动
真软件对直梁式 ABH 超声手术刀和直梁式常规超 幅度急剧增加。相比较常规超声手术刀样机，ABH
声手术刀进行振动性能对比。在振动模拟中，忽略 超声手术刀样机的最大弯曲振动位移幅度增至 4.3
手术刀的边界负载和损耗的影响，激励电压均为 倍，验证了仿真分析的结果。

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图 1 直梁式 ABH 超声手术刀结构示意图
Fig. 1 Structure diagram of the straight-beam ABH ultrasonic scalpel

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(a) ᄰ್र࣢᜻ᡔܦ੤షѨᄊጫिᏹՌ૝үവগ

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(b) ᄰ್रܦᳬศᡔܦ੤షѨᄊጫिᏹՌ૝үവগ
图 2 仿真模拟得到的两种直梁式超声手术刀的纵弯耦合振动模态
Fig. 2 The longitudinal-bending coupled vibration mode of two straight-beam ultrasonic scalpels obtained
by simulation