CN114453228A

CN114453228A - 一种超声波传输构件

Info

Publication number: CN114453228A
Application number: CN202111665958.9A
Authority: CN
Inventors: 王成勇; 姚光; 吴茂忠; 韩泽西; 杨诚
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-05-10

Abstract

本发明涉及超声装置技术领域，具体涉及一种超声波传输构件，该超声波传输构件包括NiTi超弹性合金变幅杆，所述NiTi超弹性合金变幅杆能将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动与纵向振动构成的复合椭圆振动；该超声波传输构件包括NiTi超弹性合金变幅杆，所述NiTi超弹性合金变幅杆能够在弯曲传输方向上保持高效率纵向振动传输。

Description

一种超声波传输构件

技术领域

本发明涉及超声装置技术领域，具体涉及一种超声波传输构件。

背景技术

超声振动辅助加工是一种非传统的加工方法，利用换能器将高频电能转化为机械动能并将该机械动能应用在加工过程中，即，超声振动辅助加工通过机械振动和空化效应实现材料的非传统去除加工。

超声振动辅助加工作为混合制造技术，其将精密加工与刀具的小振幅、高频振动相结合，适用于先进材料加工，被广泛应用于航空航天和生物医疗领域。随着技术进步，超声振动辅助加工已经从一维振动发展为二维振动模式，一维振动是刀具或工件在单一方向振动，二维振动模式有二维纵扭耦合超声振动、纵弯耦合超声振动和双弯耦合超声振动，即二维椭圆振动。与一维振动相比，二维椭圆振动能够显著提高加工效率和刀具寿命，因此二维椭圆振动装置得到了快速发展。目前，二维椭圆振动主要分为四种：刀具的非共振椭圆、工件的非共振椭圆、刀具的共振椭圆、工件的共振椭圆。传统的二维椭圆振动是共振椭圆振动系统通过支撑结构在二维谐振频率下的振动产生的椭圆振动，共振椭圆振动系统对工具的固定位置有严格要求，换能器的谐振频率应与工作频率相匹配。耦合椭圆振动则振幅较小、且形状单一。耦合问题和压电陶瓷片在高频下工作时会导致高温等问题，因此这些因素限制了二维椭圆振动的发展。

另外，关于超声激振，已经掌握了产生超声的方法和技术，利用各种超声换能器，将不同的能量转化为超声振动发射出去。目前已存在的超声激振技术，从机理上可细化为机械式超声激振，压电型超声激振，磁致伸缩超声激振，光声型超声激振。目前的超声换能器已实现频率振幅可控，但现有超声刀柄都是刚性的长直杆结构，超声振动在纵轴的传输过程中无法改变方向，而超声在传统的柔性弯曲传输过程中能量易损耗、传输效率低，从而极大地限制了超声刀柄的灵活性及其在狭窄空间或弯曲路径下的应用。

发明内容

本发明的目的之一在于避免现有技术中的不足之处而提供一种超声波传输构件，该超声波传输构件能将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动和纵向振动构成的复合椭圆振动，克服了二维振动的耦合问题，并大大提高了椭圆振动的幅值。

本发明的目的之二在于提供一种超声波传输构件，该超声波传输构件能够在弯曲传输方向上保持高效率纵向振动传输，解决了弯曲方向上无法高效率传输纵向振动的问题。

为实现上述目的之一，本发明提供以下技术方案：

提供一种超声波传输构件，所述超声波传输构件包括NiTi超弹性合金变幅杆，所述NiTi超弹性合金变幅杆能将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动和纵向振动，所述横向弯曲振动与所述纵向振动构成了复合椭圆振动。

上述的NiTi超弹性合金变幅杆将单模态纵向振动部分转换为横向弯曲振动，另一部分保持为纵向振动，横向弯曲振动与纵向振动构成了复合椭圆振动，其中，横向弯曲振动和纵向振动的占比取决于NiTi超弹性合金变幅杆的长度。

当转换构件长度与超声换能器不匹配时，输出端几乎不振动，无能量输出。

在一些实施方式中，还包括超声换能器，所述超声换能器输出所述单模态纵向振动，所述NiTi超弹性合金变幅杆连接在所述超声换能器的输出端。

在一些实施方式中，所述超声换能器包括安装部，所述安装部的首端伸出安装杆，所述安装杆上开设有安装槽，所述NiTi超弹性合金变幅杆通过热压连接或焊接连接的方式固定在所述安装槽内，所述安装部的尾端设有由若干压电陶瓷片叠放的陶瓷堆，所述安装部的尾端和所述端板均开设有安装孔，所述安装孔配有螺杆，所述螺杆将端板固定在所述安装部的尾端并将所述陶瓷堆压紧，相邻压电陶瓷片之间放置有电极并被所述压电陶瓷片夹住，相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反。

本发明一种超声波传输构件的有益效果：

(1)本发明发现了超声波传输构件中使用NiTi超弹性合金变幅杆能将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动和纵向振动，该横向弯曲振动与纵向振动构成了复合椭圆振动，因此，仅需使用单模态振动就能产生横向弯曲振动和纵向振动的复合椭圆振动，无需使用双模态振动超声换能器驱动，继而克服了传统二维椭圆振动带来的耦合问题，并大大提高了椭圆振动的幅值。

(2)本发明的超声波传输构件中使用NiTi超弹性合金变幅杆，其可实现大振幅的旋转椭圆超声加工，克服难加工材料问题，提升加工能力，改善零件加工质量。

(3)本发明的超声波传输构件能将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动和纵向振动，突破了单模态振动的加工极限。

为实现上述目的之二，本发明提供以下技术方案：

提供一种超声波传输构件，所述超声波传输构件包括NiTi超弹性合金变幅杆，所述NiTi超弹性合金变幅杆能够在弯曲传输方向上保持高效率纵向振动传输。

在一些实施方式中，还包括超声换能器，所述超声换能器输出所述纵向振动，所述NiTi超弹性合金变幅杆连接在所述超声换能器的输出端。

本发明一种超声波传输构件的使用方法有益效果：

本发明发现了超声波传输构件中使用NiTi超弹性合金变幅杆能够在弯曲传输方向上保持纵向振动高效传输，使得超声波传输构件在弯曲状态下仍能高效传输纵向振动，因此使得柔性超声波传输构件具备了纵向振动传输功能，从而大大提高超声振动器械的应用范围和灵活性。

附图说明

图1是实施例1的超声波传输构件的工作状态图。

图2是实施例1的超声波传输构件产生的复合椭圆振动对液滴进行振动所产生的液滴雾化效果图以及超声波传输构件的纵向振动模态实测图与横向弯曲振动模态实测图。

图3是实施例1的超声波传输构件产生的复合椭圆振动的空化效果。

图4是实施例2的超声波传输构件弯曲时的工作状态图。

图5是实施例2的超声波传输构件弯曲角度逐渐变大过程中对横向振动和纵向振动的传输效果。

图6是实施例2的超声波传输构件弯曲角度逐渐变大过程中对纵向振动的传输效果。

附图标记

安装部1；安装杆2；安装槽3；NiTi超弹性合金变幅杆4；压电陶瓷片5；端板6；螺杆7；电极8。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“该”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

本实施例公开的超声波传输构件，图1所示，所述超声波传输构件包括NiTi超弹性合金变幅杆4，所述NiTi超弹性合金变幅杆4能将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动和纵向振动，所述横向弯曲振动与所述纵向振动构成了复合椭圆振动。

上述超声波传输构件的优点：使用NiTi超弹性合金变幅杆4能将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动和纵向振动构成的复合椭圆振动，因此，仅需使用单模态振动就能产生复合椭圆振动，无需使用双模态超声激励，继而克服了传统二维椭圆振动带来的耦合问题，并大大提高了椭圆振动的幅值。本发明NiTi超弹性合金变幅杆可应用于生物医疗领域，针对不同软硬组织切割止血所需的多模态可控的超声手术刀、超声骨刀、超声介入器械等，提高超声医疗器械的加工效率，突破单模态超声手术器械的加工极限。

具体地，还包括超声换能器，所述超声换能器输出所述单模态振动，所述NiTi超弹性合金变幅杆4连接在所述超声换能器的输出端。

图1所示，所述超声换能器包括安装部1，所述安装部1的首端伸出安装杆2，所述安装杆2上开设有安装槽3，所述NiTi超弹性合金变幅杆4通过热压连接或焊接连接的方式固定在所述安装槽3内，所述安装部1的尾端设有由若干压电陶瓷片5叠放的陶瓷堆，所述安装部1的尾端和所述端板6均开设有安装孔，所述安装孔配有螺杆7，所述螺杆7将端板6固定在所述安装部1的尾端并将所述陶瓷堆压紧，相邻压电陶瓷片5之间放置有电极8并被所述压电陶瓷片5夹住，相邻两片压电陶瓷片5的极化方向相反。

效果测试：

图2是本实施例超声波传输构件产生的由横向弯曲振动和纵向振动的复合椭圆振动对液滴进行振动所产生的液滴雾化效果图，从图2中可见，液滴在横向方向和纵向方向均产生了雾化，可见本实施例超声波传输构件将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动与纵向振动构成的复合椭圆振动。

另外，通过采用Polytech PSV-500激光多普勒测振仪测试了上述超声波传输构件的振动模态，图2中可见，在构件末端截面方向上测得纵向振动模态，在构件长度方向上同时测得横向弯曲振动模态，这进一步说明了本发明的NiTi超弹性合金变幅杆能将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动与纵向振动构成的复合椭圆振动。

图3是本实施例的超声波传输构件的输出端产生的复合椭圆振动的空化效果，从图3中可见，本实施例超声波传输构件均产生了横向方向和纵向方向上的空化，进一步说明了本实施例超声波传输构件能将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动与纵向振动构成的复合椭圆振动。

实施例2

本实施例公开的一种超声波传输构件，图4所示，所述超声波传输构件包括NiTi超弹性合金变幅杆4，所述NiTi超弹性合金变幅杆4能够在弯曲传输方向上保持纵向振动传输。

超声波传输构件中使用NiTi超弹性合金变幅杆能够在弯曲传输方向上保持纵向振动高效传输，使得超声波传输构件在弯曲状态下仍能高效传输纵向振动，因此使得柔性超声波传输构件具备了纵向振动传输功能，从而大大提高超声振动器械的应用范围和灵活性。

还包括超声换能器，所述超声换能器输出所述纵向振动，所述NiTi超弹性合金变幅杆4连接在所述超声换能器的输出端。

所述超声换能器包括安装部1，所述安装部1的首端伸出安装杆2，所述安装杆2上开设有安装槽3，所述NiTi超弹性合金变幅杆4通过热压连接或焊接连接的方式固定在所述安装槽3内，所述安装部1的尾端设有由若干压电陶瓷片5叠放的陶瓷堆，所述安装部1的尾端和所述端板6均开设有安装孔，所述安装孔配有螺杆7，所述螺杆7将端板6固定在所述安装部1的尾端并将所述陶瓷堆压紧，相邻压电陶瓷片5之间放置有电极8并被所述压电陶瓷片5夹住，相邻两片压电陶瓷片5的极化方向相反。

图5是本实施例超声波传输构件中NiTi超弹性合金变幅杆弯曲角度逐渐变大过程中对横向振动和纵向振动的传输效果，图5可见，本实施例的超声波传输构件在弯曲方向上仍保持高效的纵向传输。

图6是本实施例超声波传输构件中NiTi超弹性合金变幅杆弯曲角度逐渐变大过程中对纵向振动的传输效果，图6可见，本实施例的超声波传输构件在弯曲方向上仍保持高效的纵向传输。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超声波传输构件，其特征是：所述超声波传输构件包括NiTi超弹性合金变幅杆，所述NiTi超弹性合金变幅杆能将单模态纵向振动转换成横向弯曲振动和纵向振动，所述横向弯曲振动与所述纵向振动构成了复合椭圆振动。

2.根据权利要求1所述的超声波传输构件，其特征是：还包括超声换能器，所述超声换能器输出所述单模态纵向振动，所述NiTi超弹性合金变幅杆连接在所述超声换能器的输出端。

3.一种超声波传输构件，其特征是：所述超声波传输构件包括NiTi超弹性合金变幅杆，所述NiTi超弹性合金变幅杆能够在弯曲传输方向上保持高效率纵向振动传输。

4.根据权利要求3所述的超声波传输构件，其特征是：还包括超声换能器，所述超声换能器输出所述纵向振动，所述NiTi超弹性合金变幅杆连接在所述超声换能器的输出端。