外科手术器械设计 超声刀设计思路和原理 - 03

孟想成真

超声刀的原理通过高频的机械振动产生组织细胞内的空化效应，相当于内爆吧，从而达到在切割组织的同时又有凝闭血管的效果。而如何产生这类高频的机械振动呢？换能器的核心还是压电陶瓷，原理机制比较复杂的一种材料，我们暂时只需要知道，换能器运用的是reverse-piezoelectric effect，通过外加电场，使压电陶瓷产生一个对应的形变。对于d33参数来说，对应的形变方向与电场和极化的方向一致。

也就是如果陶瓷片的极化方向朝轴向，再施加一个轴向的电场，就能产生一个轴向的形变。但是问题来了，我们需要的是高频的振动呀。所以电场的方向是交变的。通过正弦交流的输入，就可以产生一个对应正弦的振动，就如同弹簧的简谐运动（后面设计的核心原理）。另外换能器的振幅一般只能达到1-10um，和市面上一般超声刀的振幅82-95um相差10倍左右，所以我们就需要变幅杆来对换能器产生的振动进行放大。后文也会围绕简谐运动和换能器的放大机制来进行阐述。

 以防万一，我们先回顾一下机械简谐运动的知识[1]，具体的推倒方式，如果感兴趣的朋友，可以根据关键词在网上搜索。另外C(波在材料中的传播速度)=波长*频率，可以求得1/4lamda和1/2lamda对应的节点位置，有什么用，后面就知道啦。

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一般简谐运动可以用欧拉方程表示（1.4）（1.5）。假设有一个振动系统如下图所示，质量为M的物体放在有一定阻尼（Rm）的台面上，一端连接弹簧，一端有一个周期性的外力F；当物体达到平衡位置的时候，就可以用下面公式（1.8）来表示，s就是一般文献中的k，弹簧中的胡克系数。是不是有种感觉，