本發(fā)明涉及醫(yī)療領(lǐng)域，具體涉及的是一種應(yīng)用于體內(nèi)的超聲碎石儀。

背景技術(shù)：

相關(guān)技術(shù)中，對于一般的腎結(jié)石、輸尿管結(jié)石和膀胱結(jié)石，可以采用體外沖擊波碎石法進(jìn)行碎石，或采用醫(yī)用鈥激光、醫(yī)用釹激光、氣壓彈道碎石等方法碎石。體外沖擊波碎石、超聲碎石只對約15％的易碎的小結(jié)石有效。醫(yī)用鈥激光、醫(yī)用釹激光以及氣壓彈道碎石可以解決約80％結(jié)石病人的治療難題。這些治療方法借助膀胱鏡、輸尿管軟鏡進(jìn)行，激光光纖或設(shè)備的治療端通過尿道抵達(dá)結(jié)石部位，然后由激光能量或氣壓彈道碎石能量，將結(jié)石擊碎。以上這幾種方法都無需開刀，對人體無損傷或損傷極小，是絕大多數(shù)結(jié)石如腎結(jié)石、輸尿管結(jié)石和膀胱結(jié)石病人都愿意接受的治療方法。缺點是上述治療方法對部分腎結(jié)石，尤其是頑固堅硬的腎下盞結(jié)石和膀胱結(jié)石常常無能為力，而且治療時只能碎石，不能當(dāng)場清石，留下結(jié)石復(fù)發(fā)和碎石堵塞尿路的隱患。超聲波體內(nèi)碎石是一種較好的微創(chuàng)治療結(jié)石的技術(shù)，一般采用中空的碎石探針，配合真空負(fù)壓吸引設(shè)備，在用超聲波將結(jié)石擊碎的同時，利用負(fù)壓將結(jié)石吸出體外，實現(xiàn)碎石清石的治療目的，這種方法的好處是去石徹底，治療后一般兩天就可以康復(fù)，并且不容易復(fù)發(fā)。但是相關(guān)儀器的碎石能力較低，無法快速有效地碎石。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種一種應(yīng)用于體內(nèi)的超聲碎石儀，解決相關(guān)儀器的碎石能力較低，無法快速有效地碎石的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種應(yīng)用于體內(nèi)的超聲碎石儀，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器，所述變幅桿包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭，所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，P₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁ 為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)，偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反。根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為 換能器的機(jī)械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程 計算得到換能器的具體尺寸；

所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。

作為優(yōu)選，相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

作為優(yōu)選，根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠(yuǎn)小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

作為優(yōu)選，所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。

本發(fā)明的有益效果：利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)表達(dá)式如下：

其中，ρC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。

通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為 0.371×10^-12m/Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

附圖說明

利用附圖對發(fā)明作進(jìn)一步說明，但附圖中的實施例不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明換能器的等效電路圖。

圖3是本發(fā)明的壓電陶瓷圓環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明應(yīng)用于體內(nèi)超聲碎石的工作示意圖。

附圖標(biāo)記：1、框架，2、旋轉(zhuǎn)變壓器，3、換能器，4、變幅桿，5、工具頭。

具體實施方式

結(jié)合以下實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

實施例一

本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。

相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大，但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，P₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積。

下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅桿斷裂的可能性。

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的電極連接， 同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為 換能器的機(jī)械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸。

在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子， 即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠(yuǎn)小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。

所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。

所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭相對換能器上下運(yùn)動，從而最大限度地保護(hù)并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳遞，提高振動能量的利用率。

在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為17mm，壓電陶瓷晶堆的厚度為12mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為35mm。

在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。

在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為30mm，其長度為12mm，下端部分的端面直徑為15mm，其長度為36mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍或燒結(jié)金剛砂磨料。

利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)表達(dá)式如下：

其中，ρC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。

通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.371×10^-12m/Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

實施例二

本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。

相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大，但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，P₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積。

下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅桿斷裂的可能性。

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方 向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為 換能器的機(jī)械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸。

在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：(1)首先對換能器的頻 率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠(yuǎn)小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_f)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。

所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。

所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭相對換能器上下運(yùn)動，從而最大限度地保護(hù)并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳遞，提高振動能量的利用率。

在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為18mm，壓電陶瓷晶堆 的厚度為13mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為36mm。

在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。

在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為32mm，其長度為12mm，下端部分的端面直徑為16mm，其長度為37mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍或燒結(jié)金剛砂磨料。

利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)表達(dá)式如下：

其中，ρC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。

通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.389×10^-12m/Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

實施例三

本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。

相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大，但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，p₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積。

下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅桿斷裂的可能性。

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶數(shù)個所 述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為 換能器的機(jī)械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸。

在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠(yuǎn)小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。

所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。

所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭相對換能器上下運(yùn)動，從而最大限度地保護(hù)并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳遞，提高振動能量的利用率。

在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為16mm，壓電陶瓷晶堆的厚度為11mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為32mm。

在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。

在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為28mm，其長度為10mm，下端部分的端面直徑為13mm，其長度為32mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍或燒結(jié)金剛砂磨料。

利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)表達(dá)式如下：

其中，ρC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。

通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.365×10^-12m/Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

實施例四

本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。

相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大，但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，p₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積。

下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅桿斷裂的可能性。

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為 換能器的機(jī)械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程 計算得到換能器的具體尺寸。

在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠(yuǎn)小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。

所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。

所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭相對換能器上下運(yùn)動，從而最大限度地保護(hù)并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳遞，提高振動 能量的利用率。

在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為20mm，壓電陶瓷晶堆的厚度為15mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為39mm。

在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。

在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為25mm，其長度為10mm，下端部分的端面直徑為10mm，其長度為30mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍或燒結(jié)金剛砂磨料。

利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)表達(dá)式如下：

其中，ρC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。

通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.326×10^-12m/Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

實施例五

本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉(zhuǎn)變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側(cè)設(shè)置旋轉(zhuǎn)變壓器。

相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最大，但是應(yīng)力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，D₀為上端部分的半徑，P₀為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P₁為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積。

下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：

于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應(yīng)力均勻分散，減少變幅桿斷裂 的可能性。

所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間絕緣墊圈的設(shè)置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設(shè)有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。

根據(jù)實際需要設(shè)定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：

(1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z_bL和Z_fL分別是換能器后、前兩端的負(fù)載阻抗，根據(jù)實際需要設(shè)定；

(2)所述換能器的振動頻率方程為

$Z_i=\frac{Z_m}{N^2+{\mathrm{j\ωPC}}_{or}{Z}_m},$

前金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為后金屬蓋板輸入機(jī)械阻抗為 換能器的機(jī)械阻抗為

其中，Z_f＝ρ₂c₂S₂，k₂＝ω/c₂，c₂是前金屬蓋板中的聲速，ρ₂、E₂、σ₂分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)，l₂和S₂是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；

(3)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，若忽略機(jī)械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝0；若考慮機(jī)械損耗，輸入電阻抗為最小時，換能器的共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_min，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸；

(4)由于換能器的負(fù)載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即Z_bL＝Z_fL＝0，當(dāng)輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝∞；當(dāng)輸入電阻抗為無 效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Z_i|＝|Z_i|_max，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器的具體尺寸。

在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：(1)首先對換能器的頻率方程進(jìn)行推導(dǎo)：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L_f+l₂以及L_b+l₁均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進(jìn)隊的長度記為L_f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L_b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為l的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L_f+L_b＝Pl且l遠(yuǎn)小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_f)tan(k₂l₂)＝Z_o/Z_f，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為tan(k_eL_b)tan(k₁l₁)＝Z_o/Z_f，其中，Z₀是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，l₁和l₂分別是后、前金屬蓋板的厚度；(2)根據(jù)實際需要設(shè)定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。

相關(guān)技術(shù)中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。

所述換能器還包括外殼、設(shè)于外殼上表面的上端蓋、設(shè)于外殼下表面的下端蓋和固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定柱，所述固定柱設(shè)于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設(shè)有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉(zhuǎn)變壓器之間的連接受到振動損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。

所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側(cè)沿其圓周方向設(shè)有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設(shè)有多個可伸縮結(jié)構(gòu)，并通過可伸縮結(jié)構(gòu)連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結(jié)構(gòu)可使得所述固定法蘭相對換能器 上下運(yùn)動，從而最大限度地保護(hù)并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳遞，提高振動能量的利用率。

在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為17mm，壓電陶瓷晶堆的厚度為12mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為35mm。

在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。

在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為40mm，其長度為25mm，下端部分的端面直徑為21mm，其長度為40mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍或燒結(jié)金剛砂磨料。

利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達(dá)到最大振幅，形狀因數(shù)表達(dá)式如下：

其中，ρC為僅與材料有關(guān)的變幅桿的材料機(jī)械阻抗。

通過ANSYS諧響應(yīng)分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.402×10^-12m/Pa，設(shè)計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090×10^-12m/Pa。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細(xì)地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實質(zhì)和范圍。