Yajun Sun等人于2024年在《ceramics international》期刊（第50卷，51979-51986页）发表了一项关于超声波柔性阵列（ultrasonic flexible array）用于复杂曲面无损检测（NDT, non-destructive testing）的原创研究。该研究由西安电子科技大学微电子学院联合中国计量科学研究院力学与声学研究所、中国特种设备检测研究院、西安交通大学电子科学与工程学院等多个机构合作完成。
学术背景
超声波检测技术是工业无损检测领域的核心方法，广泛应用于航空航天、轨道交通、化工设备等领域。然而，传统的刚性超声波换能器阵列（rigid ultrasonic transducer arrays）难以与复杂曲面完全贴合，导致声波反射失真。柔性阵列通过可弯曲结构解决了这一问题，但现有技术存在电路控制复杂、信号处理难度大等瓶颈。本研究旨在开发一种结合二维阵列（2D array）与线性阵列（linear array）的柔性超声换能器，优化复杂曲面的缺陷检测性能。
研究流程与实验方法
阵列设计与制备
- 结构设计：采用“岛-桥”（island-bridge）结构，其中压电元件（piezoelectric elements）作为“岛”，蛇形电极（serpentine electrodes）作为“桥”。阵列包含8行×8列共64个元件，每个元件尺寸为3 mm×3 mm，间距1.5 mm。
- 材料选择：使用PZT-5A基1-3复合压电材料（1–3 composite piezoelectric materials），其厚度为0.7 mm，陶瓷柱宽度0.25 mm，间隙0.1 mm。通过PDMS（聚二甲基硅氧烷）封装以增强柔韧性。
- 制备工艺：预先定制方形空心框架定位元件，低温焊膏（Sn42Bi57.6Ag0.4）连接电极后，150℃固化6分钟。
性能表征
- 阻抗分析：使用WK6500B阻抗分析仪测量谐振频率（fr）和反谐振频率（fa），计算有效机电耦合系数（keff）。结果显示，平均中心频率为2.7 MHz，阻抗匹配通过变压器优化至50 Ω左右。
- 脉冲回波测试：采用Olympus 5073PR发射/接收器，测得阵列平均工作频率2.5 MHz，带宽约30%，插入损耗（insertion loss）为−33 dB。单行阵列回波信号幅值（40–100 mV）显著高于单元件（22 mV）。
曲面缺陷检测验证
- 在平面、凹面和凸面铝块上测试直径4 mm的孔缺陷，通过多角度检测获取缺陷方向与位置信息。结果显示，缺陷回波时间分别为13.2 μs、11.9 μs和15.1 μs，对应距离与实际位置一致（误差<0.5 cm）。
主要结果与逻辑关系
- 机电性能：通过1-3复合结构将kt从0.49提升至0.70，keff达0.78（表2），显著提高能量转换效率。脉冲回波测试中，带宽最大值达51.13%（表3），表明宽频带特性有利于缺陷分辨率。
- 柔性适配性：弯曲实验（图1c-e）证明阵列可贴合不同曲率表面，且PDMS封装未影响声学性能。
- 缺陷检测能力：曲面测试中回波信号幅值差异（凹面40 mV vs. 凸面20 mV）揭示了曲率对声能耦合的影响，但均能准确定位缺陷。
结论与价值
该研究开发的柔性阵列通过“岛-桥”结构和1-3复合材料，解决了传统刚性阵列的曲率适配问题，同时简化了电路控制（仅需独立控制每行元件）。其科学价值在于：
1. 材料创新：1-3复合材料的高keff（0.78）为柔性超声器件提供了新设计思路。
2. 工程应用：带宽和灵敏度优于同类柔性器件（如Tian-Ling Ren报告的带宽21%），适用于航空航天复杂构件检测。
研究亮点
- 结构优势：结合2D与线性阵列设计，扩大检测范围并降低信号处理难度。
- 性能突破：−33 dB的插入损耗和30%带宽优于现有柔性超声设备（如Wei Liu报告的9.8%带宽）。
- 验证全面性：首次在曲面缺陷检测中同步实现方向与位置信息获取。
其他价值
- 跨学科贡献：为柔性电子（flexible electronics）与无损检测的交叉研究提供了范例。
- 工业潜力：本研究获中国博士后科学基金（2023M732745）等多项资助，显示其技术转化前景。
该研究通过材料、结构与系统设计的协同优化，推动了柔性超声阵列在复杂工业场景中的应用。