基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法技术

本发明专利技术提出一种基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，包括以下步骤：设定超声刀的刀杆结构为变截面的周期重复结构；所述周期重复结构配置为变截面声子晶体结构，当超声波在周期性结构的声子晶体内传播时会形成能带结构，根据声子晶体带隙特性计算方法计算所述变截面声子晶体结构的能带结构，确定能带结构中的纵向振动和弯曲振动的通带和禁带范围；确定纯纵振动的超声刀的刀杆结构，调整设定的周期重复结构以使超声刀的工作频率处于所述纵向振动通带范围和弯曲振动禁带范围内。本发明专利技术在刀杆中引入周期性结构，应用声子晶体理论，调整刀杆结构使其工作频率限制在纯纵振模态附近，以实现纯纵振超声刀的刀杆结构设计。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声技术，特别涉及的是基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法。
技术介绍
超声手术刀在工作过程中，由于受外界干扰及负载作用，很容易使其振动模态由单纯纵振动转化为其他振动模式，降低能量输出效率及超声刀切割能力。对于直杆构型的超声手术刀，在换能器纵向激励下可能在选定频率范围内出现多种振动模态，如纵振、弯曲、扭转、径向及多种模态的耦合。在纵向振动频率附近，存在多个不同类型的谐振模态，使换能器很容易激发出多种振动模态或耦合振动模态。另外，超声刀在工作时，不同负载条件下各谐振频率会有不同程度的偏移，使多种振动模态转换和耦合更加具有随机性。为保证超声能量有效传输并在刀头处实现最大振幅输出，应使刀杆保持以单一纵向振动模态为主，抑制其他模态出现。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，在刀杆中引入周期性结构，应用声子晶体理论，调整刀杆结构使其工作频率限制在纯纵振模态附近，以实现纯纵振超声刀的刀杆结构设计。为解决上述问题，本专利技术提出一种基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，包括以下步骤：S1：设定超声刀的刀杆结构为变截面的周期重复结构；S2：将所述周期重复结构配置为变截面声子晶体结构，当超声波在周期性结构的声子晶体内传播时会形成能带结构，根据声子晶体带隙特性计算方法计算所述变截面声子晶体结构的能带结构，确定能带结构中的纵向振动和弯曲振动的通带和禁带范围；S3：确定纯纵振动的超声刀的刀杆结构，调整设定的周期重复结构以使超声刀的工作频率处于纵向振动通带范围和弯曲振动禁带范围内。根据本专利技术的一个实施例，所述超声刀的刀杆由单独一种材料制成，所述周期重复结构得以配置为变截面声子晶体结构。根据本专利技术的一个实施例，所述超声刀的刀杆由钛制成。根据本专利技术的一个实施例，在所述步骤S2中，将所述变截面声子晶体结构配置为材料参数发生不连续变化的等截面声子晶体结构或多组元等截面声子晶体连接在一起的结构。根据本专利技术的一个实施例，所述声子晶体带隙特性计算方法采用传递矩阵法、平面波展开法、时域有限差分法、多重散射法、集中质量法、或有限元法。根据本专利技术的一个实施例，在所述步骤S2中，根据集中质量法计算所述变截面声子晶体结构的能带结构，包括以下步骤：S201：将所述变截面声子晶体结构均匀离散化为周期弹簧振子结构，每个离散单元包含一个截面直径不变、长度为dj的单元，按照质心不变的原则，每个振子位于离散单元的中心，振子两侧为等弹性模量的弹簧，弹簧振子的结构参数m可由下式确定mj＝ρSjdj,j＝1,2,…,n(2.1)其中Sj为刀杆横截面面积，ρ为离散单元的材料密度；S202：对于每半个离散单元，沿轴向的正应力Fix及沿径向的剪切应力Fiy与对应方向的应变S成正比，即有其中，Δx、Δy为此半个离散单元沿轴向的拉压位移及径向的剪切位移，λ、μ为拉梅常数；S203：沿某方向的作用力与在此作用力下沿该方向位移的比值定义为刚度，因此对于每个离散单元，振子两侧弹簧的拉压刚度及剪切刚度为S204：相邻振子间的弹簧连接可以看作是相邻两个振子间弹簧的串联，即当相邻两个离散单元直径相同时，沿x方向的拉压刚度及沿y方向的剪切刚度为一维声子晶体因其非周期方向相对超声波长尺度较小，因而忽略其y方向的剪切刚度；S205：设xj为对应振子mj的位移，则第j个振子的运动方程为S206：根据Bloch定理，在周期边界条件下，该质点运动方程的解写为振幅为Aj，角频率为ω的简谐振动：其中表示第j个振子的位相因子，dj表示第j个和第j+1个振子的间距，q为波矢，在第一布里渊区取值，即(-π/a，π/a)，S207：将式(2.6)带入式(2.5)，化简后可得S208：由于弹簧振子结构周期排列，在周期边界条件下有S209：将式(2.8)代入式(2.7)中，并用矩阵形式表示该线性方程组(X(q)-ω2I)A＝0(2.9)S210：通过求解n×n矩阵X的特征值问题，确定给定波矢q和相应的特征值ω(q)的关系，即得所述周期弹簧振子结构的能带结构。根据本专利技术的一个实施例，在所述步骤S3中，调整设定的周期重复结构以使超声刀的工作频率，处于弯曲振动禁带范围内，同时使该工作频率处于纵振通带范围中的响应峰值点。采用上述技术方案后，本专利技术相比现有技术具有以下有益效果：将超声刀体设置为粗细交替的周期重复结构，因而该结构可以视为声子晶体，从而可以通过声子晶体理论计算超声刀杆一维声子晶体的能带结构，调整设定的周期重复结构以使超声刀的工作频率处于所述纵向振动通带范围和弯曲振动禁带范围内，超声刀的结构变化则其工作频率也相应变化，与无声子晶体结构的直杆形超声刀相比，调整后的声子晶体结构的超声刀谐振模态数量大大减少，模态间频率间隔增大，能使超声刀处于单一振动模态，不易在多种模态间转化。附图说明图1是本专利技术实施例的基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法的流程示意图；图2是本专利技术实施例的超声刀的刀杆结构示意图；图3是本专利技术实施例的集中质量法离散变截面声子晶体结构的示意图；图4是本专利技术实施例的声子晶体纵向振动能带结构示意图；图5是本专利技术实施例的周期重复结构声子晶体频率响应曲线。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术。但是本专利技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施的限制。声子晶体是弹性介质周期分布组成的具有弹性波带隙的结构和功能材料。与天然晶体和光子晶体类似，当声波或弹性波在其中传播时，受内部周期性结构的作用，会形成一种分离的特殊色散曲线(又称能带结构)，色散曲线之间的频率范围称为带隙(或禁带)，而色散关系曲线上的频率范围则是通带。如果不考虑弹性波在介质中传播的损耗，通带范围内的弹性波可以无损耗地通过声子晶体，而带隙范围内的弹性波则完全被禁止。本专利技术不考虑声子晶体存在缺陷的情况。目前对一维声子晶体的研究主要集中在不同的材料、组分比例、晶格常数等对带隙结构、局域态的影响。这些研究大多认为声子晶体在非周期方向上的尺寸是相同的，即等截面声子晶体，或是对不同材料截面不同但同种材料截面相同，即不同材料界面处发生突变的情形进行讨论，很少对非周期方向的尺寸发生不连续变化时进行研究。非周期方向是指除一维声子晶体轴向之外的其他方向。参看图1，本专利技术的基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，包括以下步骤：S1：设定超声刀的刀杆结构为变截面的周期重复结构；S2：将所述周期重复结构配置为变截面声子晶体结构，当超声波在周期性结构的声子晶体内传播时会形成能带结构，根据声子晶体带隙特性计算方法计算所述变截面声子晶体结构的能带结构，确定能带结构中的纵向振动和弯曲振动的通带和禁带范围；S3：确定纯纵振动的超声刀的刀杆结构，调整设定的周期重复结构以使超声刀的工作频率处于纵向振动通带范围和弯曲振动禁带范围内。下面结合具体实施例对基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法进行详细的描述。在步骤S1中，超声刀通常来说是采用单独一种材料制成的，因而本实施例采取声子晶体结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：设定超声刀的刀杆结构为变截面的周期重复结构；S2：将所述周期重复结构配置为变截面声子晶体结构，当超声波在周期性结构的声子晶体内传播时会形成能带结构，根据声子晶体带隙特性计算方法计算所述变截面声子晶体结构的能带结构，确定能带结构中的纵向振动和弯曲振动的通带和禁带范围；S3：确定纯纵振动的超声刀的刀杆结构，调整设定的周期重复结构以使超声刀的工作频率处于纵向振动通带范围和弯曲振动禁带范围内。

【技术特征摘要】
1.一种基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：设定超声刀的刀杆结构为变截面的周期重复结构；S2：将所述周期重复结构配置为变截面声子晶体结构，当超声波在周期性结构的声子晶体内传播时会形成能带结构，根据声子晶体带隙特性计算方法计算所述变截面声子晶体结构的能带结构，确定能带结构中的纵向振动和弯曲振动的通带和禁带范围；S3：确定纯纵振动的超声刀的刀杆结构，调整设定的周期重复结构以使超声刀的工作频率处于纵向振动通带范围和弯曲振动禁带范围内。2.如权利要求1所述的基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，其特征在于，所述超声刀的刀杆由单独一种材料制成，所述周期重复结构得以配置为变截面声子晶体结构。3.如权利要求1所述的基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，其特征在于，所述超声刀的刀杆由钛制成。4.如权利要求1所述的基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，其特征在于，在所述步骤S2中，将所述变截面声子晶体结构配置为材料参数发生不连续变化的等截面声子晶体结构或多组元等截面声子晶体连接在一起的结构。5.如权利要求1所述的基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，其特征在于，所述声子晶体带隙特性计算方法采用传递矩阵法、平面波展开法、时域有限差分法、多重散射法、集中质量法、或有限元法。6.如权利要求1所述的基于声子晶体理论的超声刀的刀杆结构确定方法，其特征在于，在所述步骤S2中，根据集中质量法计算所述变截面声子晶体结构的能带结构，包括以下步骤：S201：将所述变截面声子晶体结构均匀离散化为周期弹簧振子结构，每个离散单元包含一个截面直径不变、长度为dj的单元，按照质心不变的原则，每个振子位于离散单元的中心，振子两侧为等弹性模量的弹簧，弹簧振子的结构参数m可由下式确定mj＝ρSjdj,j＝1,2,…,n(2.1)其中Sj为刀杆横截面面积，ρ为离散单元的材料密度；S202：对于每半个离散单元，沿轴向的正应力Fix及沿径向的剪切应力Fiy与对应方向的应变S成正比，即有FixSj=(λ+2μ)Δxdj/2FiySj=μΔydj/2---(2.2)]]>其中，Δx、Δy为此半个离散单元沿轴向的拉压位移及径向的剪切位移，λ、μ为拉梅常数；S203：沿某方向的作用力与在...

【专利技术属性】
技术研发人员：周红生，刘春泽，高琦，许小芳，王欢，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所东海研究站，
类型：发明
国别省市：上海;31