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可用于检查机器部件和建筑构件的深层缺陷和


  秒速时时彩在我们周围,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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  除了上述案例之外,超声波检测,也是该技术一项非重要的用途。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。

  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。

  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。”

  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。

  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。

  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。

  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。


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