Page 9 - 《应用声学》2025年第1期
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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。

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                                                                                               ॆ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
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