本發(fā)明涉及超聲空化效應，具體涉及一種基于超聲空化場足部護理的換能器小角度發(fā)射模型。

背景技術：

1、在現(xiàn)有技術中，人們是知道超聲空化效應具有殺滅真菌的作用，進而也能夠殺滅皮膚表層的真菌?；诶碚撋系姆治觯暱栈哂幸欢ǖ淖o理足部的作用。因此，能夠將超聲空化聲場作用于足部，則能夠通過超聲空化的物理方式進行足部護理，將會給傳統(tǒng)護理足部行業(yè)帶來革命性變化，也是所有腳氣患者福音，不需要使用各類化學藥物而擔心的藥物副作用及抗藥性的困擾。

2、然而，當前超聲空化殺菌效應的應用主要集中在工業(yè)殺菌，農副產品殺菌以及家用食材的殺菌，到目前為止，仍然沒有一款通過超聲空化場作用于足部護理足部的設備或產品，有部分專利或者論文僅僅概述超聲空化護理足部，超聲空化場殺滅真菌實驗，但只是提出概念，沒有進行適用范疇的研究，從能否應用空化場角度分析(用于足部護理)，究其原因如下：

3、1、一定水域范疇的超聲空化場，屬于非聚焦范疇，當人體組織置于超聲空化場域內，超聲在水中傳播時，會有部分計量進入人體組織，將會產生一定的機械效應，因為非聚焦聲場，熱效應很微弱。由于機械效應的產生，將會在人體組織內的剪切應力等機械效應，當應力足夠大時，組織直接反應是脹痛或者刺骨的疼痛，聲強越大，應力越大，脹痛和刺痛感越強。由于不同人體組織的阻抗ρ×c(ρ是指人體組織的密度，c是指聲速)各不相同，阻抗不同，對聲波的吸收隨之不同，同時，每個人對脹痛和刺痛的感覺不同，進而，無法給出安全的用于超聲空化的輸出功率值，從而，無法保證超聲進入足部肌膚產生脹痛或者刺痛感，以保證超聲空化場在給人們足部護理足部構成中的舒適，因此，該技術難點導致超聲空化場作用于足部護理足部的設備或產品，沒有良好的推廣前景；

4、2、如果通過不斷降低超聲輸出功率，來達到大多數(shù)人安全使用，但是，一味地降低輸出功率，則隨著功率值的降低，空化強度降低，殺滅真菌的效果減小，勢必影響足部護理的效果，甚至無法產生護理效果。

5、因此，如何克服上述的問題，構建超聲空化場進行足部護理的輸出模型，既能輸出合適的超聲空化的輸出功率值，保證足部護理的效果；又能避免超聲計入足部彈性組織中產生的脹痛或強烈的刺痛感，提高用戶的舒適程度，是當前急需解決的問題，以便超聲空化場作用于足部護理足部的設備或產品的推廣應用。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所解決的技術問題是克服現(xiàn)有的僅僅概述超聲空化護理足部的概念，沒有進行適用范疇的研究，如何應用空化場角度分析來實現(xiàn)足部護理足部的問題。本發(fā)明的基于超聲空化場足部護理的換能器小角度發(fā)射模型，通過分析超聲空化場作用于足部時，換能器的布局及超聲波發(fā)射方向所帶來的影響，單換能器或者雙換能器的超聲波發(fā)射方向與腳掌的夾角為小角度護理效果最佳，并得到雙換能器對沖發(fā)射方式作用于腳掌，通過對耦合物理場的參數(shù)設置，實現(xiàn)對護理足部的超聲空化場能量及分布的精準控制，然后通過對增加設置耦合物理場后的雙換能器頻率的分析，進一步說明雙換能器對沖發(fā)射方式的應用，可減小對負載及水位靜壓對匹配電路的影響，實現(xiàn)整個超聲空化場的穩(wěn)定性，完成超聲空化場足部護理的小角度發(fā)射模型的構建，選擇最合適的超聲空化場的換能器小角度模型來護理足部，能夠便于超聲空化場作用于足部護理足部的設備或產品的推廣應用。

2、為了解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：

3、一種基于超聲空化場足部護理的換能器小角度發(fā)射模型，包括安裝在足部容器內單換能器或者雙換能器，所述單換能器或者雙換能器的超聲波發(fā)射方向與腳掌的夾角為小角度β；

4、在雙換能器的對沖發(fā)射方式時，在足部容器中超聲波的傳播路徑上任意處增加用于超聲空化場能量及分布精準控制的耦合物理場。

5、優(yōu)選的，所述小角度β的取值范圍為0°≤β≤15°。

6、優(yōu)選的，所述單換能器或者雙換能器的超聲波發(fā)射方向與腳掌的夾角為小角度β，通過分析超聲空化場的空化強度分布特性，優(yōu)化得到雙換能器對沖發(fā)射方式作用于腳掌更佳。

7、優(yōu)選的，所述小角度β的取值范圍為0°≤β≤15°的選擇過程如下：

8、設人體足部彈性組織的阻抗、水的阻抗相等的情況下，具體小角度β的分析過程如下：

9、步驟(a1)，分析超聲空化場作用于足部時，

10、根據(jù)賴斯爾聲波反射與折射公式，如式(1)所示：

11、

12、其中，k1、k2分別為媒質1、媒質2的波數(shù)；c1、c2分別為媒質1、媒質2的聲速，媒質1、2分別為水、人體足部彈性組織；θi、θt分別水中的入射波入射角、人體組織的透射波透射角；

13、由于，人體足部彈性組織的密度和聲速近似和水相等，則媒質1、2的特性阻抗相等，如式(2)所示：

14、ρ1c1＝ρ2c2???????????????????(2)

15、由式(1)、式(2)可得，θi＝θt，即水中的入射波入射角等于人體組織的透射波透射角；

16、根據(jù)任意角度入射時的透射系數(shù)式(3)：

17、

18、其中，tp為透射系數(shù)；

19、當0≤θi<90°時，因為θi＝θt，ρ1c1＝ρ2c2，所以tp始終等于1，即無論換能器如何布局，只要入射波的入射角θi不等于90°，當換能器的入射聲強一定時，超聲波進入足部的計量是相同的，不隨入射波入射角θi的改變而改變；

20、步驟(a2)，根據(jù)反射系數(shù)式(4)：

21、

22、其中，rp為反射系數(shù)，當水中的入射波入射角θi等于90°時候，則小角度β＝0°，控制超聲發(fā)射區(qū)域不高于腳掌，會出現(xiàn)|rp|≈1的掠入射現(xiàn)象，入射波完全反射，避免入射波進入人體足部彈性組織產生脹痛或刺痛感，即分析完成單換能器或者雙換能器的超聲波發(fā)射方向與腳掌的夾角為小角度β＝0°的可行性；

23、在真實情況下，人體足部彈性組織的阻抗、水的阻抗近似但不同相等具體小角度β的分析過程如下：

24、步驟(a3)，當人體足部彈性組織的密度和聲速按照實際取值時，可取人體足部彈性組織的聲速取值為c2≈1540m/s，常溫常壓下水的聲速取值為c1≈1500m/s，根據(jù)式(1)得到：

25、人體足部彈性組織的聲速大于水的聲速，折射角總大于入射角，當入射角由0°逐漸增大時，折射角也隨之增大，當入射角增大到折射角等于90°時，折射波沿著分界面，即平行于腳掌面?zhèn)鞑?，此時，根據(jù)式(1)計算得知，入射角θi≈75°，即單換能器或者雙換能器的超聲波發(fā)射方向與腳掌的小角度β≈15°；

26、步驟(a4),若入射角繼續(xù)增大，則sinθt>1，即不存在實數(shù)角sinθt，從而在人體足部彈性組織的中沒有通常意義的折射波，此時，反射角仍等于入射角，而反射系數(shù)等于復數(shù)，其絕對值恒等于1，入射波的能量全部反射回水中，只是相對于入射波而言，產生了一個相位躍變，因此，當按照實際的人體足部彈性組織的聲速按正常取值時，當入射角90°>θi≥75°時，即0°<β≤15°時，在此入射方向范圍內，單換能器或者雙換能器的超聲波在傳輸過程中，在腳掌面組織界面，發(fā)生全反射，無超聲能量透射入人體足部彈性組織中，避免入射波進入人體足部彈性組織產生脹痛或刺痛感，即分析完成在真實情況下，單換能器或者雙換能器的超聲波發(fā)射方向與腳掌的夾角為小角度0°<β≤15°的合理性。

27、優(yōu)選的，所述單換能器或者雙換能器的超聲波發(fā)射方向與腳掌的夾角為小角度β，通過分析超聲空化場的空化強度分布特性，優(yōu)化得到雙換能器對沖發(fā)射方式作用于腳掌更佳，具體分析過程如下：

28、步驟(b1)，單換能器激發(fā)的聲波形成駐波為：

29、通過單個平行安裝足部容器的換能器，將足部容器壁面簡化剛性邊界，則換能器發(fā)出的超聲波在足部容器內的水中傳播，可用一維波動方程描述，如式(5)所示，

30、

31、其中，p為聲壓，c為超聲波在水中的傳播速度；

32、單個平行安裝足部容器的換能器激發(fā)聲波形成的駐波，如式(6)所示，

33、p＝2acos(kx)ej(ωt)????????????????(6)

34、其中，a為常數(shù)，k為波數(shù)，可見單個平行安裝足部容器的換能器在傳播時，x＝(2n+1)λ/4處存在聲壓振幅為零的波節(jié)區(qū)域，不產生空化，其中n為整數(shù)，λ為波長，即單個平行安裝足部容器的換能器有不產生空化區(qū)域的存在；

35、步驟(b2)，雙換能器對沖發(fā)射聲波形成的駐波，如式(7)所示，

36、p＝2a{cos(kx)+cos[k(l-x)]}ejωt?????(7)

37、對比式(6)和式(7)可知，單換能器存在波節(jié)，無法激發(fā)空化效應；而且雙換能器對沖發(fā)射的結構，若l滿足

38、n＝0,1,2,l，則單換能器x＝(2n+1)λ/4形成的波節(jié)處，根據(jù)式(7)雙換能器對射方式聲壓，如式(8)所示，

39、p＝2a[cos(nπ)+sin(nπ)]ejωt

40、＝2acos(nπ)ejωt

41、＝±2aejωt(8)；

42、步驟(b3)，根據(jù)式(6)和式(8)分析得到單換能器所產生的駐波波節(jié)被與另一個換能器的駐波波峰所補償，從而減少空化死區(qū)，及改善聲場分布均勻性，其包絡近似為直線，表明雙換能器對沖發(fā)射方式作用于腳掌無振幅為零區(qū)域，整個傳播域聲壓分布均勻，從而優(yōu)化得到雙換能器對沖發(fā)射方式作用于腳掌最佳。

43、優(yōu)選的，在雙換能器的對沖發(fā)射方式時，在足部容器中超聲波的傳播路徑上任意處增加用于超聲空化場能量及分布精準控制的耦合物理場，具體分析實現(xiàn)過程如下：

44、步驟(c1)，雙換能器對沖發(fā)射方式作用于腳掌的過程中，由于駐波的存在，產生噪聲，繼續(xù)在超聲波水中傳播路徑中任意處增加設置在耦合物理場；

45、步驟(c2)，增加耦合物理場

46、由于整個超聲發(fā)射區(qū)域或者空化區(qū)域處于腳掌以下區(qū)域，通過在超聲傳播區(qū)域間，增加耦合物理場，通過耦合物理場的反射表面形式，以及耦合物理場的質量mm、力順cm及力阻rm的調整，對整個空化聲場的能量及分布達到精準控制，有效地利用超聲空化場進行足部護理；

47、根據(jù)特性阻抗，如式(9)、式(10)所示：

48、

49、及

50、

51、其中，zm為特性阻抗，ω聲波角頻率，ρ為物理場材料密度，c為聲速，ρ1為水的密度，ρ2為耦合物理場材料密度，從而得到不同的透射系數(shù)tp，能夠精準控制耦合物理場各類參數(shù)來控制超聲波進入耦合物理場的計量，及經過耦合物理場的傳播損耗，能夠得到精準的行波場；

52、步驟(c3)，根據(jù)超聲波的疊加式(11)：

53、

54、其中：

55、

56、

57、其中，為初始相位角，p為疊加后聲壓，p1入射聲壓，p2為反射聲壓，wt瞬時相位，p1a為聲壓實部絕對值，p2a聲壓虛部絕對值，為反射聲相位角，入射聲相位角，通過反射系數(shù)rp和物理場發(fā)射面的設置，適當增加空化場不同區(qū)域的聲壓，并通過對耦合物理場的參數(shù)設置，實現(xiàn)對護理足部的超聲空化場能量及分布的精準控制。

58、優(yōu)選的，通過對增加設置耦合物理場后的雙換能器的頻率分析，進一步說明雙換能器對沖發(fā)射方式的應用，可減小對負載及水位靜壓對匹配電路的影響，具體為，減少水靜壓力對換能器性能的影響過程，二分之一波長換能器前端蓋處頻率方程，如式(14)所示：

59、

60、其中，式中下標為e代表壓電晶片，ρe，ρ3分別為壓電晶片、前端蓋的密度；se，s分別為壓電晶片、前端蓋的截面面積，ce，c分別為壓電晶堆、前端蓋的縱向等效聲速，le，l分別為壓電晶堆厚度的一半、前端蓋的長度，波數(shù)為ke＝ω/ce，k＝ω/c，前端蓋長度l′為：

61、l′＝l+δl

62、其中，水靜壓力p0變化可以等效為前端蓋的長度變化量，即ρw為水的密度，分析發(fā)現(xiàn)水靜壓力越大，諧振頻率有所降低；根據(jù)式(14)可知，在等效電參數(shù)不變情況下，當l′變大時會降低諧振頻率ω，表明水靜態(tài)壓力p0增加等效l′變大。

63、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的基于超聲空化場進行足部護理的換能器小角度發(fā)射模型，通過分析傳統(tǒng)方式，將換能器固定在槽底，或傾斜角度布局，或底槽、壁面均布局等方式，浸泡物(腳掌或者足部)會改變液體高度h，而水面工作中也會波動，都會引起換能器靜壓力ρ0變化，功率波動頻繁，容易減弱穩(wěn)態(tài)空化效果；構建的基于超聲空化場足部護理的小角度發(fā)射模型的安裝方式，僅位于槽壁，h較低，較傳統(tǒng)安裝方式，其功率波動變小，穩(wěn)定性更好，有利于瞬態(tài)空化建立和穩(wěn)態(tài)空化的持續(xù)，還設置有以下優(yōu)點：

64、(1)小角度發(fā)射模型的對射方式安裝換能器，能夠在傳播區(qū)域聲場分布趨于均勻，駐波波節(jié)區(qū)較少，空化場穩(wěn)定分布區(qū)域廣，無明顯空化死區(qū)存在，避免傳統(tǒng)換能器底部安裝所形成清洗盲區(qū)和清洗不徹底問題，有利于對足部全范圍清潔和護理；

65、(2)可任意在傳播區(qū)域內設置耦合物理場，通過對物理場的各參數(shù)的控制，進一步精準控制空化能量場的分布；

66、(3)受到介質體積變化和加入物影響小，輸出功率穩(wěn)定，電流變化小，有效持續(xù)地護理足部，避免功率過大對足部聲輻射產生的刺痛感和壓迫感，解決傳統(tǒng)換能器因為功率波動不適感和強輻射損傷，從而實現(xiàn)超聲空化場作用于足部護理足部的設備或產品的推廣應用。