力學(xué)所在柔性可彎曲超聲相控陣傳感器方面取得進(jìn)展

2025-03-04 13:35:31中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所閱讀量：16853      我要評(píng)論

　　超聲相控陣傳感器因其在醫(yī)學(xué)診斷、工程結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。傳統(tǒng)超聲相控陣傳感器通常為平面剛性結(jié)構(gòu)，難以貼合曲面目標(biāo)(如人體表面或工業(yè)管道)，導(dǎo)致界面處產(chǎn)生強(qiáng)烈的超聲反射，進(jìn)而影響檢測(cè)性能。柔性超聲相控陣傳感器的出現(xiàn)為克服這一局限性提供了新思路，能夠?qū)崿F(xiàn)與曲面的完美貼合。近日，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所成功研發(fā)了一種用于曲面構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)的柔性可彎曲超聲相控陣傳感器(BPAUT)，解決了柔性超聲傳感器在變形過(guò)程中壓電陣元間距變化的難題，在當(dāng)前的工程應(yīng)用中更具可行性。該研究成果以“Bendable Phased-Array Ultrasound Transducer for Imaging on Curved Surfaces”為題近期發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上。

　　BPAUT采用了一種恒定間距保持(Constant-spacing-preservation, CPP)壓電陣元陣列設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)包含12×12個(gè)壓電陣元，陣元之間通過(guò)硅橡膠粘接(圖1)。這種設(shè)計(jì)不僅使傳感器能夠彎曲變形以貼合曲面構(gòu)件，還能在變形過(guò)程中保持壓電陣元間距恒定，從而精確實(shí)現(xiàn)超聲聲束的聚焦和偏轉(zhuǎn)。此外，該傳感器的壓電陣列中每個(gè)壓電陣元都配備了獨(dú)立的背襯層和匹配層。背襯層用于吸收陣元向后傳播的超聲波，防止其反射干擾向前傳播的超聲波，從而提高超聲圖像的軸向分辨率(圖2)。匹配層則用于最小化聲阻抗的不匹配，提高超聲能量的傳輸效率(圖2)。為了確保傳感器的輕便性，研究團(tuán)隊(duì)采用了多層柔性電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)144條信號(hào)電路的連接。通過(guò)理論公式和有限元模擬，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該BPAUT在實(shí)現(xiàn)彎曲變形的同時(shí)保持壓電陣元間距不變的特性(圖3)。脈沖回波實(shí)驗(yàn)和扇形掃描實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了這一特性，并證實(shí)了該BPAUT能夠有效應(yīng)用于曲面構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)(圖4)。

　　論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究生尹世珍，通訊作者為蘇業(yè)旺研究員。該工作得到了來(lái)自國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院的項(xiàng)目支持。

　　圖1. BPAUT展示。a)BPAUT結(jié)構(gòu)展示。b)多層柔性正極。c)柔性負(fù)極。d，e，f)柔性CPP壓電陣元陣列。g)背襯層。h)匹配層。i)BPAUT彎曲展示

　　圖2. BPAUT部件的性能。a)壓電陣元的阻抗譜曲線和相位角譜曲線。b，c)背襯層性能的模擬(COMSOL)。d，e，f)匹配層性能的計(jì)算

　　圖3. BPAUT的性能。a)陣元連接結(jié)構(gòu)的有限元模擬。b)Cu最大應(yīng)變和彎曲半徑的關(guān)系。c)陣元間距和彎曲半徑的關(guān)系。d)144獨(dú)立信號(hào)通路的布置。e)BPAUT的三維指向圖。f)脈沖回波曲線

　　圖4. 脈沖回波和扇形掃描實(shí)驗(yàn)。a，b，c)延時(shí)法則。d，e，f)可視化聲場(chǎng)(COMSOL)。g)曲面測(cè)試塊。h)脈沖回波原理。i)扇形掃描原理。j)BPAUT貼合到曲面測(cè)試塊。k)脈沖回波實(shí)驗(yàn)的回波曲線。l)扇形掃描實(shí)驗(yàn)的缺陷成像圖

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