柔性超声波贴片：让复杂结构中的损伤检测更容易！

导读

近日，美国加州大学圣迭戈分校领导的科研团队开发出一种有弹性的柔性贴片，使得在各种异形结构（例如：发动机零件、涡轮机、反应器弯管和铁轨）中，进行超声波成像变得更容易，而传统的超声波设备往往难以检测这些物体。

背景

在我们周围，声波无处不在。然而，人耳可听到的声波频率范围是（20赫兹~20K赫兹）。“超声波”，则是指频率高于20K赫兹的声波，人耳无法听到。

（图片来源：维基百科）

超声波方向性好，穿透力强，能量集中，在水中的传输距离远。它可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等方面，在医学、军事、工业、农业等领域有着非常多的应用。

超声波技术是非常值得关注的热门科技领域，该领域也不乏各种创新成果。笔者之前介绍过有关超声波技术的一些经典案例，让我们回顾一下：

1）英国布里斯托大学的研究成果显示：未来智能手表等可穿戴设备可采用超声波成像感知手部动作。

（图片来源：BIG，布里斯托大学）

2）英国萨塞克斯大学通过在手背发送超声波，并在手心检测触觉信号，将手掌变成一种人机交互显示设备。

（图片来源：英国萨塞克斯大学 ）

3）美国加州大学河滨分校（UCR）开发出一种陶瓷材料制成的颅骨植入物，帮助医生将超声波送进大脑，利用超声波治疗脑部疾病。

（图片来源于：UCR）

4）美国密苏里大学开发出一种更安全的激光设备，它将超声波技术和激光相结合，通过直接接触，将激光传输到皮肤组织内部。

（图片来源：Ryan Owens / 密苏里大学工程学院）

除了上述案例之外，超声波检测，也是该技术一项非常重要的用途。超声波检测，是利用超声波技术的一种常规无损检测方法。它利用材料及其缺陷的声学性能差异，通过超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化，来检验材料内部缺陷。

下图中：一个工地上，技术员正在采用超声波相控阵设备，测试管道焊接点的缺损。该检测装置由带有磁轮的框架组成，通过弹簧让探头与管道发生接触。潮湿的区域是超声波耦合剂，它让声波可以穿透管道墙。

（图片来源：维基百科）

_{超声波检测的大致原理如下图所示。左：探头向测试材料内部发送超声波。其中有两个标识：第一个来自探头的初始脉冲；第二个来自界面反射回来的反射波。右：缺陷会制造出第三个标识，并且同时减少反射波的幅度。缺陷的深度由D/Ep决定。}

（图片来源：维基百科）

但是，传统超声波探头的基底扁平而刚硬，因此在扫描弯曲的、波浪形的、有角度的和其他不规则的表面时，无法保持良好接触。根据加州大学圣迭戈分校雅各布工程学院的纳米工程教授（下面要介绍的创新研究的论文通讯作者 ）Sheng Xu 的说法，这一点非常具有局限性，因为在日常生活中，非平面的表面非常普遍。

加州大学圣迭戈分校的结构工程教授、论文的合著者之一 Francesco Lanza di Scalea 则表示：“弯管、转角和其他结构细节恰巧是发生失效的最关键区域，这些都是高应力区域。传统的刚性平面探头无法理想地对这些区域的内部缺陷进行成像。”

为了让探头和与物体表面在检测时更好地接触，通常会采用凝胶、油、水等物质。但是太多的这类物质，会过滤掉一些信号。此外，传统超声波探头也非常笨重，无法检测这些难以接触的部分。

Xu 说：“如果一辆汽车在一个难以接触的部位存在一个裂纹，检查员需要拆开整个引擎，将部件浸入到水中，从而获取一个完整的三维图像。”

创新

然而，一种新设备克服了目前超声波设备的缺点，它可以应用于并非完全平坦表面的物体。相关研究成果于3月23日发表在《科学进展（Science Advances ）》期刊上。

近日，美国加州大学圣迭戈分校（University of California San Diego）的工程师领导的科研团队开发出一种有弹性的柔性贴片，从而使得在各种异形结构（例如：发动机零件、涡轮机、反应器弯管和铁轨）中，进行超声波成像变得更容易，而传统的超声波设备往往难以检测这些物体。这种超声波贴片是一种更加便捷的多功能工具，可用于检查机器部件和建筑构件的深层缺陷和损坏。

（图片来源：加州大学圣迭戈分校）

技术

加州大学圣迭戈分校领导的团队开发的柔性超声波探头，无需水、凝胶、油，就可以在异形表面上工作。它是一个薄薄的贴片，上面具有“岛桥”结构的硅胶弹性体图案。从根本上说，这是一个小型电子部件（岛）阵列，每一个岛又通过弹簧般的结构（桥）相互连接。岛含有电极以及压电换能器设备。当电流通过时，它会产生超声波。桥是一种弹簧状的弹性弯曲铜线，使得贴片能适应非平面的表面，且不会影响其电子功能。

柔性超声波换能器阵列设计原理图

（图片来源：参考资料【2】）

柔性超声波贴片在拉伸和扭曲时，不会影响其电子功能。

（图片来源：Hongjie Hu）

在一个具有波形表面的铝块上，研究人员测试了该设备。该铝块的表面下方存在2~6厘米的缺陷。研究人员在波形面的不同点上放置了探头，采集数据，然后采用定制的数据处理算法重构图像。探头能为铝块内两毫米宽的洞和裂纹成像。

价值

加州大学圣迭戈分校材料科学和工程专业的博士生、论文的合著者之一 Hongjie Hu 表示：“将这种超声波探头粘贴在发动机、飞机机翼或者桥梁的不同部件上，进行持续的裂纹检测，会显得干净利落。”

未来

该设备仍然处于概念验证阶段，目前尚未能进行实时成像。它需要连接到电源和计算机进行数据处理。Xu 表示：“未来，我们希望将电源和数据处理功能集成到柔性超声波探头中，带来实时的无线成像和录像。”

关键字

参考资料

【1】http://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/flexible_ultrasound_patch_could_make_it_easier_to_inspect_damage_in_odd_sha

【2】By Hongjie Hu, Xuan Zhu, Chonghe Wang, Lin Zhang, Xiaoshi Li, Seunghyun Lee, Zhenlong Huang, Ruimin Chen, Zeyu Chen, Chunfeng Wang, Yue Gu, Yimu Chen, Yusheng Lei, Tianjiao Zhang, NamHeon Kim, Yuxuan Guo, Yue Teng, Wenbo Zhou, Yang Li, Akihiro Nomoto, Simone Sternini, Qifa Zhou, Matt Pharr, Francesco Lanza di Scalea, Sheng Xu. Stretchable ultrasonic transducer arrays for three-dimensional imaging on complex surfaces. Science Advances, 2018; DOI: 10.1126/sciadv.aar3979

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