Page 9 - 《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 5

其中，h 0 = 0.15 mm 为刀头在 θ = 0 的最小厚 度方向划分 5 层网格以充分吸收声波。将水域单元
度，h θ = 3.2 mm 为刀头在 θ = θ 1 处的最大厚度， 的最大尺寸设置为波长的 1/8，激励电压仍为 1 V。
θ 1 = 0.065π 为刀头的最大弯曲角度，m = 2.1 为厚 图 7 展示了两种曲梁式超声手术刀头纵弯耦合振动
度函数变化的幂次，具体理论设计分析模型可参考 产生的声场分布。弯曲振动模式的存在导致声场呈
文献[52]。 现正负压区交替变化。在垂直入水深度为10 mm的
范围内，曲梁式常规超声手术刀头共形成了 3 对正
1.2.2 振动与声场分析
负压交替区，最大相对声压幅值接近 1.5(无量纲，相
本节利用有限元仿真软件探究曲梁式 ABH 刀 对比值)。在相同垂直入水深度内，曲梁式 ABH 超

头设计对超声手术刀带来的性能提升。作为对照， 声手术刀头形成了 5 对正负压交替区，最大相对声
常规超声手术刀的刀头厚度与弯曲角度 θ 呈线性变 压幅值接近 8，相比较常规超声手术刀提升近 6 倍，
化关系 (m = 1)，其余尺寸与曲梁式 ABH 超声手 说明了曲梁式 ABH 结构可以大幅提升超声手术刀
术刀相同，忽略手术刀的边界负载和损耗影响，激 头侧向声能辐射，从而加快组织蛋白质凝固，实现快
励电压均为 1 V。图 6 为有限元分析得到的两种曲 速止血。
梁式超声手术刀的振动模态，分别对应共振频率 利 用 全 场 激 光 扫 描 振 动 测 量 系 统 (Polytec
为 51804 Hz 和 55952 Hz。与曲梁式常规刀头相比， PSV-400) 对曲梁式 ABH 超声手术刀的振动模态
曲梁式 ABH 刀头的弯曲波数显著增加，弯曲振动 和位移频率响应特性进行实验测量，如图 8(a) 所
幅值累积放大且效果更强，最大增幅可达 1.41 倍。 示。图8(b)展示了测得的曲梁式ABH刀头的纵-弯
另外，由于结构刚度的下降，曲梁式 ABH 刀头的 耦合振动模态及位移频率响应曲线。可以看出，曲
纵向振动位移也得到了显著提升，最大增幅可达 梁式 ABH 超声手术刀的纵弯耦合振动模态在频率
1.39倍。 为 55453 Hz 时被成功激发，实测刀头的弯曲节点
进一步模拟两种曲梁式超声手术刀在水中的 数与仿真模拟得到的结果吻合较好，频率误差仅为
辐射声场。在水域外施加完美匹配层，并沿着厚 0.8%，验证了模型设计的实际可行性。

1
ॆʷӑͯረࣨϙ

(a) జ್र࣢᜻ᡔܦ੤షѨᄊጫिᏹՌ૝үവগ

(b) జ್रܦᳬศᡔܦ੤షѨᄊጫिᏹՌ૝үവগ 0

图 6 仿真模拟得到的两种曲梁式超声手术刀的纵弯耦合振动模态
Fig. 6 The longitudinal-bending coupled vibration mode of two curved-beam ultrasonic scalpels obtained
by simulation

-0.5 0 0.5 1.0 -4 0 4 8
(a) జ್र࣢᜻ᡔܦ੤షѨጫिᏹՌ૝ү̗ၷᄊܦڤѬ࣋ (b) జ್रܦᳬศᡔܦ੤షѨጫिᏹՌ૝ү̗ၷᄊܦڤѬ࣋
图 7 仿真模拟得到的两种曲梁式超声手术刀在水中的辐射声场
Fig. 7 The radiation sound field of two curved-beam ultrasonic scalpels in water obtained through simulation