Ультразвуковые инструменты и преобразователи, принципы построения

Ультразвуковые инструменты снабжены электроакустическими преобразователями (ЭАП), в которых используется один из двух спо­собов преобразования энергии электрических колебаний в механиче­ские: магнитострикция, пьезоэффект. Амплитуды механических сме­щений, получаемые на однополуволновых ЭАП, обычно не превы­шают 4-6 мкм и, как правило, недостаточны для эффективной работы на биологических тканях, в связи с чем применяют дополнительные, так называемые стержневые концентраторы (реже их называют вол­новодами), способные усилить амплитуду колебаний ЭАП в не­сколько десятков раз. Причем различные элементы УЗМИ: ЭАП, со­гласующие элементы, концентраторы и собственно рабочие оконча­ния - могут совершать продольные, крутильные, изгибные колебания, а иногда и более сложные формы колебаний.

Обычно для передачи ультразвуковой энергии от ЭАП к рабо­чей зоне (т.е. биообъекту) выбирают такой вид колебаний, при ис­пользовании которого наиболее просто реализуется рабочий процесс, и во многих случаях руководствуются конструктивными соображе­ниями. Однако необходимо учитывать и специфические особенности, связанные с распространением и использованием того или иного вида колебаний. Так, скорости распространения продольных , кру­тильных и изгибных колебаний в концентраторах различны и равны

, , ,
где E,G - соответственно модули упругости 1-го и 2-го рода,

- круговая частота, - радиус инерции поперечного сечения концентратора.

Следствие различий скоростей звука - различие в резонансных длинах однополуволновых концентраторов различных видов колеба­ний. Например, волноводы-концентраторы продольных колебаний в 1,5-1,7 раза длиннее аналогичных волноводов крутильных колебаний.

Рис.1

Рис.2

В зависимости от вида биологической ткани (мягкая, костная, хрящевая) и от рода работы с этой тканью (соединение, разделение, обработка) концентраторы выполняются с соответствующими рабо­чими окончаниями (пилки, скальпели, ножи, лопатки, бужи и др.). Эти окончания принято называть насадками, вне зависимости от того, изготовлены ли они как одна монолитная деталь вместе с концентра­тором или же представляют собой самостоятельные детали, прикреп­ляемые к концентратору.

Для расширения возможностей УЗМИ концентраторы, содер­жащие рабочую часть (насадку), выполняют сменными и присоеди­няют к части ультразвукового инструмента, содержащей ЭАП (иногда называемой ультразвуковым акустическим узлом), с помощью резь­бового соединения 9 (рис. 2), которое, с целью снижения нагрузки на резьбу, обычно располагается в пучности механических смещений.

Для создания дополнительного усиления промежуточные одно­полуволновые резонансные концентраторы 7 продольных колебаний, коэффициент усиления M которых выбирается небольшим (M=2-3). Сами концентраторы называют согласующими.

Магнитострикционные преобразователи соединяют с согласую­щими элементами посредством паянного, сварного или клеевого со­единения, которое должно выдерживать как высокие динамические нагрузки, так и температуры до 80-120°С, а также противостоять коррозии. Из клеев часто применяются эпоксидные клеи ВК-3, ВК-36. Крепление ЭАП в корпусе должно быть таким, чтобы снизить пе­редачу вибраций на корпус акустического узла.

Для большинства УЗМИ область наиболее рациональных час­тот, определенная как с учетом воздействия на биологическую среду, так и с позиций создания эффективных УЗМИ, лежит в интервале 18-70 кГц. Причем снижение рабочих частот приводит к увеличению продольных габаритов инструментов, а повышение частот более 50 кГц к существенному росту рассеиваемой мощности. Для ультразву­ковых установок в СНГ выделены частоты: 22кГц±7%, 44кГц±7%, 66кГц±7% и дополнительная частота 26,5кГц±7%.

Один из вариантов конструкции УЗМИ с магнитострикцион­ным преобразователем представлен на рис. 2а. В УЗМИ к магнитост­риктору 6 соосно эпоксидным клеем ВК-36 приклеен согласующий элемент 7, на правом рабочем торце которого расположена шпилька 9, на которую может наворачиваться сменный инструмент-концентра­тор 10, с рабочим окончанием А. Акустический узел крепится в кор­пусе 4 с крышкой 2 через промежуточные резиновые прокладки 3 и 8, одна из которых расположена в узле смещения. Сигнал с ультра­звукового генератора поступает через шнур 1 на обмотку возбужде­ния 5.

Типовая конструкция УЗМИ с пьезокерамическим преобразо­вателем представлена на рис. 2б, она имеет много общего с конструк­цией магнитострикционного УЗМИ, однако имеются и некоторые от­личия. Так, колебательная система крепится к корпусу 11 с помощью жестяного металлического кольца 16, располагаемого в узле продоль­ных смещений. ЭАП состоит из двух пьезокерамических колец 14, зажатых с помощью шпильки 13 между излучающей 17 и отражаю­щей 12 накладками. Для обеспечения электрической изоляции элек­трода между пьезопластинами и шпилькой установлена электроизоляционная втулка 15. Через отверстие в волноводе-аспира­торе 19 по трубке 18 удаляется разрушаемая биоткань.

Некоторые основные марки отечественной и зарубежной ульт­развуковой низкочастотной медицинской техники представлены в табл.1.

В особый класс можно выделить достаточно сложные ультра­звуковые аспираторы, выпускаемые фирмами "Кавитрон", "Алока", имеющие систему жидкостного охлаждения акустических узлов, на­бор сменных полых волноводов-концентраторов, промежуточные сменные прямые и криволинейные волноводы. Эти аппараты снаб­жаются также системами подачи жидкости в зону ультразвуковой об­работки и, как уже отмечалось, аспирационными отсосами, создаю­щими разрежение до 700 мм рт.ст. Характерная особенность аппара­тов - большие амплитуды колебаний рабочих окончаний (до 150 мкм). Получение таких амплитуд требует высокой тщательности про­ектирования ультразвуковой колебательной системы (см. рис. 2б), использования высокопрочных материалов в высокоамплитудных частях волноводов (например, титановые сплавы), высокоточного из­готовления этих волноводов-инструментов.

Дата добавления: 2014-11-29