用于超声乳化手柄的压电换能器设计及实验研究

胡瑞申，叶 萍，刘 坚，常兆华，

（1.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093；2.上海微创医疗器械（集团）有限公司，上海 201203）

1 引言

白内障作为全球首位致盲性眼病，老年发病率极高，且随着我国人口老龄化，白内障的患病人数也在逐年增加。白内障超声乳化技术联合人工晶状体植入术，因具有切口小、术后并发症少、视力恢复快、角膜散光小等优点，已经成为眼科白内障手术的主流方法[1]。该技术原理是应用超声乳化手柄产生高频振动，经由前端超声乳化针头，以振动产生的机械作用与空化作用破坏晶状体的结构使之变为乳糜状，经由手柄抽吸管路吸出，然后植入一个人工的晶状体来达到治疗患者的目的[2]。

超声乳化手柄是超声乳化仪的重要组成部分，其主要的功能部件是压电换能器[3]。压电换能器中压电元件接收高电场激励，将电能转化为高频的机械振动，并通过前端变幅杆结构放大振幅[4]。压电换能器的性能直接关系到超声乳化手柄乳化晶状体的能力。其中，压电换能器的频率和振幅极大影响着超声乳化手柄的机械破碎能力、空化效应以及产热问题。

由于换能器内部的机械和介电损耗会随着夹心式压电换能器的频率增加而增加，较低的压电换能器工作频率有助于提高超声乳化手柄的机电转化效率[5]，更低的频率也保证了针头衬套处摩擦产热的减少，进一步减少产热[6]。

对于超声乳化手柄这样的严格控制热量释放的应用，更少的热量散发，能够提高超声乳化手术的安全性[7]。同时，超声乳化针尖处空化效应随频率的降低而增加，28kHz的振动频率能够兼顾机械破碎作用于空化作用，保证乳化效率[8]。

综合上述考虑，本研究设计了一种新型的用于超声乳化手柄的压电换能器，并对设计的新型超声乳化用压电换能器的性能进行了验证。该压电换能器设计频率为28kHz，提高压电换能器的机电转化效率，增加超声乳化手术的安全性。本研究设计的压电换能器具有结构简单，使用ANSYS优化，性能稳定的特点，能够满足超声乳化手柄的应用需求。

2 结构设计及ANSYS有限元仿真研究

2.1 压电换能器结构设计

超声压电换能器的结构设计需要先确定该换能器谐振频率，由于本设计换能器前端需匹配超声乳化针头，加上前端负载后换能器的谐振频率会有所降低，故将无前后负载情况下的换能器频率设计在29kHz，以使得装配超声乳化针头后整体谐振频率更接近28kHz。二分之一波长换能器设计，以节面作为分割，分为前四分之一波长变幅杆与后四分之一波长夹心式压电换能器以便设计。

笔者设计的超声乳化手柄压电换能器的结构示意图，如图1所示。该压电换能器主要有变幅杆、压电叠堆、后盖板和螺杆组成。有别于传统功率超声使用的压电换能器，为满足超声乳化术抽吸的功能需求，变幅杆、后盖板及螺杆都采用中空结构件。变幅杆头端设置了美制4-40UNC螺纹孔用于装配超声乳化针头，该压电换能器的节面设置在变幅杆近端，节面为换能器轴向振动振幅最小位置，此处应力最大应变最小，设置在机械强度较大的钛合金制变幅杆近端而非陶瓷片上可避免材料断裂，保证压电陶瓷工作性能。在节面处设置法兰盘用于连接手柄的外壳，可减小压电换能器和超声乳化手柄外壳的机械耦合，本设计采用双级法兰盘结构，达到更优的隔振效果[9]。

图1 压电换能器结构示意图Fig.1 The Structure of the Piezoelectric Transducer

压电陶瓷片与电极片交叉堆叠，形成压电叠堆，压电叠堆的示意图，如图2所示。其中压电陶瓷片的极化方向为沿着压电陶瓷的厚度方向极化，相邻两块陶瓷片的方向极化方向相反，在电极片上施加一定频率的电压信号就能激发出压电换能器的纵向振动。

图2 压电叠堆示意图Fig.2 The Structure of Piezoelectric Ceramic Stack

后盖板内部设置了螺纹结构，通过螺杆把变幅杆、压电叠堆以及后盖板紧固在一起，螺纹连接实现对压电换能器上压电陶瓷片预压力的控制。若压电陶瓷片的预压力设置不当，会加剧压电陶瓷内部缺陷的扩展，进而引发压电陶瓷碎裂[10]。

2.2 ANSYS有限元仿真研究

为了研究压电换能器各个结构尺寸对压电换能器的模态的影响，笔者对压电换能器模型进行了参数化处理，参数化处理的结果，如图3所示。压电换能器结构参数的初始值，如表1所示。

图3 压电换能器的参数化模型Fig.3 The Parametric Model of Piezoelectric Transducer

表1 压电换能器结构参数Tab.1 The Dimensions of the Piezoelectric Transducer

笔者首先使用ANSYS17.0软件对压电换能器的初始值进行模态仿真，仿真结果，如图4所示。

图4 压电换能器的模态仿真结果Fig.4 The Mode Simulation Result of the Piezoelectric Transducer

从仿真结果看，压电换能器激发出了一阶振动模态，其谐振频率为28.63kHz，与无负载换能器设计频率29kHz 误差为1.28%，该换能器仿真模态与设计非常接近。模态分析中电极片的材质选择了铍青铜，其弹性模量E为113GPa，泊松比μ为0.33，密度ρ为8800kg/m3。变幅杆、后盖板以及螺杆的材料均选为TC-4材料，其弹性模量E为96GPa，泊松比μ为0.36，密度ρ为4620kg/m3。压电陶瓷材料选用PZT-8，压电陶瓷片的材料参数，如表2所示。

表2 压电陶瓷片的材料参数Tab.2 Material Properties of the Piezoelectric Ceramic Piece

3 实验验证

本设计超声换能器的变幅杆，后盖板及螺杆由钛合金机加工得到，在变幅杆和后盖板中部设置有切平面，以便装配和控制后盖板施加的预压力。笔者加工组装的超声乳化手柄用压电换能器样品，如图5所示。本设计对超声换能器性能的实验验证包括对其模态的确定，频率-振幅与电压-振幅特性的研究[11]。

图5 超声乳化压电换能器Fig.5 Prototype of the Phacoemulsification Piezoelectric Transducer

3.1 模态实验

采用德国Polytec 公司生产的PSV300F-B 型高频激光扫描测振系统对超声乳化用压电换能器进行模态测试。分别从径向和轴向对压电换能器的侧面与端面进行扫频分析。实验结果，如图6、图7所示。

图6 超声乳化压电换能器的振动模态振型Fig.6 Vibration Shape of the Piezoelectric Transducer

超声乳化压电换能器的振动模态振型，如图6所示。由于压电换能器激发的主要振动模式为纵向振动，左右两端均为自由状态，根据泊松效应，从径向扫描压电换能器侧面的振动模式就会表现为中间纵向振动节线处为侧向振动的最大振幅处。从轴向扫描压电换能器的端面，平整环形端面上取的多个扫描点振动形态统一，确认其振动模式为纵向振动。超声乳化压电换能器振动模态幅频特性，如图7所示。图中的vA为速度振幅。从幅频特性图中在（25～35）kHz之间没有其他的峰值，仅在29.46kHz处有一个峰值说明其他的振动模态对压电换能器工作没有干扰。理论计算与实验结果对比，如表3所示。

图7 超声乳化压电换能器的振动模态幅频特性Fig.7 Amplitude-Frequency Characteristic Curve of the Piezoelectric Transducer

表3 压电换能器ANSYS计算结果与模态实验结果对比Tab.3 Comparison Between Simulation Results and Testing Results

3.2 频率-振幅特征曲线

分别固定驱动电压50Vp-p、150Vp-p、250Vp-p，调节驱动电源的频率（29.32～29.62）kHz，使用激光测振设备（德国polytec 公司PSV300F-B 型高频激光扫描测振系统）测试压电换能器辐射端面的振幅，得到不同的驱动电压下频率-振幅的关系曲线，如图8所示。

图8 频率-振幅特性曲线Fig.8 Characteristic Curve of Frequency-Amplitude

可以看出：当频率在谐振频率29.46kHz时压电换能器都能够实现高频振动。其中，当驱动电压在50Vp-p，频率在（29.27～29.47）kHz时，振幅随着频率增加而增加，频率在（29.47～29.62）kHz时，振幅随着频率增加而减少，振幅在29.47kHz时，达到振幅的最大值为4μm；当驱动电压在150Vp-p，频率在（29.37～29.48）kHz时，振幅随着频率增加而增加，频率在（29.48～29.62）kHz时，振幅随着频率增加而减少，振幅在29.48kHz时，达到振幅的最大值为10μm；当驱动电压在250Vp-p，频率在（29.32～29.47）kHz时，振幅随着频率增加而增加，频率在（29.47～29.62）kHz时，振幅随着频率增加而减少，振幅在29.48kHz时，达到振幅的最大值为25μm。

可以看出压电换能器在不同的电压下，达到最大振幅的频率并不固定在同一个谐振频率，相较于扫频所得的谐振频率29.46kHz会有微小偏差。从频率-振幅曲线看，在50Vp-p、150Vp-p和250Vp-p的电压驱动下，他们达到最佳振幅时的频率均大于扫频试验时测得的最佳谐振频率。并且随着电压的增高，谐振频率有增加的趋势。

3.3 电压-振幅特征曲线

为了测试压电换能器在固定频率不同电压的响应特性。笔者测试了在实测的谐振响应频率下的电压-振幅特征，并且通过ANSYS 仿真获得其谐振响应频率下的电压-振幅特性，获得电压-振幅特征曲线，如图9所示。

图9 电压-振幅特征曲线Fig.9 Characteristic Curve of Voltage-Amplitude

可以看出，ANSYS仿真和实测的结果显示，压电换能器的振幅在谐振频率下，都随着电压的增加而增加。其中，ANSYS仿真结果线性较好，在电压为250Vp-p时，振幅达到最大值26.14μm；压电换能器在实测的谐振频率下，振幅随着电压的增加的速度越来越快，在驱动电压为250Vp-p时，振幅达到最大值25μm。总体上看，ANSYS仿真的结果比实测值偏大，在250Vp-p的驱动电压时的偏差率为4.04%。误差产生的原因可能为实际上压电陶瓷片受到的预压力很难测量，仿真时的预压力和实际预压力存在偏差。

4 结论

本研究根据超声乳化手柄的特点，设计与制造了一种用于超声乳化手柄的压电换能器。通过ANSYS模态仿真设计压电换能器的结构尺寸，并且通过实验测得实际的共振频率以及其振动模式，仿真设计的模态频率与实测的模态误差率为2.82%，实际测得振动模式为一阶纵向振动模式，符合原来的设计指标，验证了ANSYS仿真设计的准确性。

为了验证压电换能器的机电性能，分别测试了频率-振幅特征曲线以及电压-振幅特征曲线。试验表明：压电换能器驱动电压250Vp-p，驱动频率29.48kHz时，获得最大振幅为25μm；压电换能器的电压-振幅特性具有良好的线性，实际测得的压电换能器的振幅要效率仿真得到的振幅，其振幅的偏差率为4.04%。这表明实际测量与设计仿真符合性很好，并且本研究设计的压电换能器具有结构简单，优化方便，性能稳定的特点，能够满足超声乳化手柄的应用需求。