[發明專利]一種用于小尺寸骨材料超聲共振譜的測試裝置

在審

• 申請號: 202110921406.3
• 申請日: 2021-08-11
• 公開（公告）號: CN113671042A
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 樊璠;牛海軍;徐連勝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N29/12
• 分類號: G01N29/12
• 代理公司: 北京金恒聯合知識產權代理事務所 11324
• 代理人: 李強

超聲共振譜作為一種利用超聲激勵樣本產生自由振動反演材料力學特性的無損方案，近年來已被應用于小尺寸骨材料彈性性質測量中。超聲共振譜測試過程需要保證待測樣本不受測試裝置干擾，在特定的放置角度下處于最為接近自由表面邊界條件的自由振動狀態，故超聲共振譜測試對樣本放置平臺和夾持裝置的設計提出了較高要求。本發明設計了一種用于小尺寸骨材料超聲共振譜的測試裝置，主要用于小尺寸骨材料的共振譜測量，具體涉及生物醫學電子技術領域，包括：測試架和一組輕質剪切波超聲探頭；本發明可用于超聲共振譜測試中小尺寸骨材料樣本的夾持，減小測試裝置對樣本的影響，為小尺寸骨材料力學性能的精確測量提供了樣本測試裝置。

技術領域

本發明涉及一種用于小尺寸骨材料超聲共振譜的測試裝置。

背景技術

骨組織力學特性的精確測量對于理解骨功能、揭示機理和植入式骨骼假體設計、制備與評價有重要意義。

由于骨組織材料硬度高、脆性大、尺寸小及取樣困難，現有力學測試方法測試結果一致性差、重復性差、多為有損測量且對于小尺寸樣本無法夾持。相較于現有的力學測試方法，超聲共振譜因可實現無損測量、不受樣本尺寸限制、單次測量就能獲得全部彈性常數且結果高度可重復等優點，被廣泛應用于金屬或晶體材料的力學特性測試中。超聲共振譜方法的具體操作步驟是：首先，通過超聲激勵待測樣本產生共振，接收樣本共振頻率響應并對樣本超聲共振譜實驗共振頻率進行提取；之后建立理論模型，獲取樣本理論共振頻率，最后將所得實驗與理論共振頻率結合，可反推出待測樣本的力學性質，比如彈性常數等。然而，對于小尺寸骨材料樣本的超聲共振譜測量而言，超聲探頭與待測樣本間的耦合及外界振動等因素均會對樣本實驗共振頻率的測量結果產生影響，無法得到樣本真實的共振頻率，進而無法得到其準確的彈性性質。針對這一問題，本發明提出了一種用于小尺寸骨材料超聲共振譜的測試裝置，為骨材料力學特性準確測量及描述提供了平臺。

發明內容

針對超聲共振譜測試中由于超聲探頭與樣本耦合作用所導致測量結果不準確的問題，本發明的目的在于提供了一種用于小尺寸骨材料樣本超聲共振譜的測試裝置，能夠保證待測樣本不受測試裝置干擾，在特定的放置角度下處于最為接近自由表面邊界條件的自由振動狀態，實現樣本共振頻率的準確測量。其包括：測試架，用于安裝超聲探頭和待測樣本；第一超聲探頭，用于激勵骨材料樣本產生振動；第二超聲探頭，用于接收待測骨材料樣本的共振頻率響應；外殼，用于消除環境中空氣流動對實驗的不良影響；隔振平臺，用于減小實驗臺振動對待測小尺寸骨材料樣本共振的影響；

其中：

所述測試架包括底板和與底板垂直設置的立臂，與立臂平行設置有圓筒形滑道，用于安裝第一和第二超聲探頭；

所述底板中心設置有凹槽，第二超聲探頭可嵌入凹槽中，并通過螺絲鎖緊；

所述滑道內壁光滑，內徑略大于第一超聲探頭的外徑，第一超聲探頭可在滑道內自由滑動；

滑道側面設置有方形缺口，第一超聲探頭的電連接線從缺口中伸出；滑道軸線與第一和第二超聲探頭振動面中心法線重合；

所述第二超聲探頭振動面向上，待測小尺寸骨材料樣本設置在第二超聲探頭振動面上；第一超聲探頭在自身重力作用下，與待測小尺寸骨材料樣本接觸，與第二超聲探頭共同夾持住待測樣本；

所述外殼設置在測試架外部，用于隔絕外界環境中氣流對待測樣本共振的影響；外殼下部設置有通孔，用于引出電連接線；

所述隔振平臺為氣浮隔振平臺，測試架設置在隔振平臺上，減小實驗臺振動對待測小尺寸骨材料樣本共振的影響。

附圖說明

圖1是根據本發明的一個實施例的用于小尺寸骨材料超聲共振譜的測試裝置的示意圖；

圖2是根據本發明的一個實施例的用于小尺寸骨材料超聲共振譜的測試裝置的測試架的示意圖；