力學(xué)所在柔性可彎曲超聲相控陣傳感器方面取得進展

2025-03-04 08:45:24來源：中國科學(xué)院力學(xué)研究所閱讀量：15462 評論

　　超聲相控陣傳感器因其在醫(yī)學(xué)診斷、工程結(jié)構(gòu)無損檢測以及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(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(如人體表面或工業(yè)管道)，導(dǎo)致界面處產(chǎn)生強烈的超聲反射，進而影響檢測性能。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)件無損檢測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，該設(shè)計包含12×12個壓電陣元，陣元之間通過硅橡膠粘接(圖1)。這種設(shè)計不僅使傳感器能夠彎曲變形以貼合曲面構(gòu)件，還能在變形過程中保持壓電陣元間距恒定，從而精確實現(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壓電陣元都配備了獨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，研究團隊采用了多層柔性電路板來實現(xiàn)144條信號電路的連接。通過理論公式和有限元模擬，研究團隊驗證了該BPAUT在實現(xiàn)彎曲變形的同時保持壓電陣元間距不變的特性(圖3)。脈沖回波實驗和扇形掃描實驗進一步驗證了這一特性，并證實了該BPAUT能夠有效應(yīng)用于曲面構(gòu)件的無損檢測(圖4)。

　　論文第一作者為中國科學(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。該工作得到了來自國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的項目支持。

　　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獨立信號通路的布置。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驗。a，b，c)延時法則。d，e，f)可視化聲場(COMSOL)。g)曲面測試塊。h)脈沖回波原理。i)扇形掃描原理。j)BPAUT貼合到曲面測試塊。k)脈沖回波實驗的回波曲線。l)扇形掃描實驗的缺陷成像圖

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