基于柔性微通道阵列声学超构表面透镜的超声无损检测方法

《Ultrasonics》：Ultrasonic non-destructive testing method based on a flexible microchannel array acoustic metasurface lens

　　

在传统超声无损检测（NDT）系统中，声学透镜（楔块）常被用于重定向入射声束以增强特定方向的灵敏度。然而，此类透镜在宏观尺度上增加了相当的刚性与体积，并导致显著的声能衰减。其固定几何结构也阻碍了在变曲率表面上的声学耦合与传输。本研究提出了一种基于柔性微通道阵列的相位梯度声学超构表面。该设计实现了MHz频段范围内的超声场调制，并允许与不规则表面形成共形耦合。此外，研究人员还研究了不同材料和几何结构的超构表面的声束重定向特性，以及机械形变下的波前控制鲁棒性。实验结果证实了该方法在超声无损检测中的有效性。与角度楔块透镜相比，所提出的超构表面透镜使偏转信号幅度提高了40%以上，并消除了水浸需求。即使在高达±15°的倾斜表面上，柔性透镜仍能良好贴合目标，实现对亚表面缺陷的检测，最小裂纹分辨率达0.25 mm。本工作为协调刚性接触失配与动态波前控制提供了新范式，为复杂环境下的智能无损检测系统奠定了理论与实验基础。

## 一、研究背景与问题提出

超声无损检测（Ultrasonic Non-Destructive Testing, NDT）是现代工业质量控制和生物医学诊断中的关键技术，利用MHz频段的高频超声可实现内部结构的高分辨率、非侵入式表征。当检测对象底部或内部近表面特征时，通常需要声束斜入射以避免表面回波的干扰，这传统上通过平面换能器与不同角度楔块的机械组合实现，或通过相控阵进行电子偏转。

然而，现有技术存在显著局限。机械楔块透镜存在明显缺陷：其高度和体积导致大量声能衰减，刚性几何结构限制了在不规则表面或无法水浸条件下的有效耦合。相控阵系统虽能在完全浸没环境中提供主动控制，但受限于多通道驱动系统的复杂性和成本以及相应的数据处理需求。近年来，声学超构表面（Acoustic Metasurface）为超声检测中的这些问题提供了有前景的替代方案。声学超构表面由亚波长尺度的结构组成，可精确操控声波波前，在声束偏转、吸声和聚焦等方面取得突破。但先前研究多集中于kHz可听声频段（水下波长约10 cm），对于NDT中广泛使用的MHz频段超声（亚毫米波长），超构表面的制备和实际部署面临重大挑战，制造约束成为MHz频段超构表面实际应用的主要障碍。

从工程角度看，NDT中使用的多数声学透镜为刚性体，难以适应非浸入式环境，而在这些场景中，与不规则表面的共形接触至关重要。刚性体积导致试样表面附近的耦合失配。虽有研究提出密封水腔的非浸入式检测结构，或柔性微通道耦合方法，但前者缺乏对非均匀表面的适应性，后者仅支持垂直入射。因此，开发一种既能实现共形表面耦合又能进行波前操控以实现有效声束重定向的柔性声学超构表面透镜，成为关键挑战。

## 二、研究内容与创新点

本研究提出了一种面向MHz频段运行的柔性微通道阵列超构表面。研究人员建立了相位梯度控制模型，开展了有限元仿真和实验验证，综合分析了超构表面在机械形变下的声波透射和声束重定向特性，并成功展示了其在底面缺陷检测中的应用。

本研究的主要创新点包括：（1）基于微通道阵列的柔性相位梯度超构表面透镜设计，实现1–10 MHz范围内的声束重定向；（2）研究机械形变下的耦合行为，确保在高达±15°的倾斜表面上保持稳定传输；（3）与楔块透镜相比，传输幅度提高超过40%，检测分辨率达0.25 mm。

## 三、关键技术方法

研究人员采用的关键技术方法包括：基于柔性微通道阵列的相位梯度超构表面设计，利用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）材料制备微通道结构；建立广义斯涅尔折射定律（Generalized Snell's Law）指导的波前调制模型，通过调控微通道的几何参数实现所需的相位分布；采用有限元仿真（Finite Element Method, FEM）分析声波在微通道阵列中的传播特性；使用脉冲发射/接收装置（Pulser/Receiver, CTS-08UT）配合中心频率为1 MHz和2.5 MHz的平面超声换能器（直径6 mm）进行实验验证；通过机械加载方式模拟柔性超构表面在不同曲率表面的形变状态，评估其波前控制鲁棒性；采用样本为含预制缺陷的铝块，验证底面缺陷检测能力。

## 四、研究结果

### 柔性微通道阵列中的声场分布

在超声无损检测中，超声波通过耦合介质（通常为水）传播到材料内部。由于声阻抗失配，产生反射回波，携带材料内部结构信息。研究人员的前期工作已证明，超声可有效通过柔性水柱阵列传输，该结构不仅具有可接受的衰减，还能灵活贴合不规则表面。

基于微通道单元的波前调制模型，研究团队评估了其作为透射式声学透镜用于超声相位控制的性能。当平面波入射到设计的透镜时，每个柔性微通道可根据广义斯涅尔折射定律独立重定向传输超声的方向。超构表面-介质界面处的相位分布?(x)由下式描述：sinθ_t – sinθ_i = (λ/2πn_i) d?(x)/dx，其中θ_i和θ_t分别为入射角和折射角，λ为波长，n_i为介质折射率。

### 基于微通道阵列声学超构表面透镜的波前重定向

研究人员通过比较不同软材料，发现PDMS展现出优异的相位调制和能量传输特性。通过优化微通道的直径、长度和排列方式，构建了相位梯度分布，实现了特定角度的声束偏转。实验验证了该超构表面透镜在1–10 MHz频率范围内的波前调控能力，能够有效将垂直入射的平面波转换为定向传播的倾斜波束。

### 柔性超构表面阵列中的弯曲耦合与声束重定向

由于设计的微通道及其组装阵列均为亚波长尺度，难以使用常规宏观形变测量技术直接量化阵列曲率。因此，研究人员从应用导向视角出发，基于实际工况推断形变效应。研究分析了柔性超构表面在机械弯曲状态下的声学特性，证实了其在一定程度形变下仍能保持稳定的波前调控性能。即便在表面倾斜条件下，柔性超构表面仍能维持有效的声束重定向功能。

### 实验装置与验证

高频脉冲超声由脉冲发射/接收装置（CTS-08UT）产生和接收，工作中心频率为1 MHz和2.5 MHz。采用直径6 mm的平面超声换能器（1Z6SJ和2.5Z6SJ）作为激励源。为匹配超声探头孔径，在保持功能 coverage 的前提下最小化PDMS毛细管数量，同时将其直径最大化至约波长的数倍。

## 五、讨论与结论

本研究提出了一种基于柔性微通道阵列的新型相位梯度超构表面，实现了1–10 MHz频率范围内的超声场操控，并展示了其在超声无损检测中的应用。首先，分析了柔性微通道的声学传输特性，揭示了其通过结构设计塑造波前的能力。比较了多种软材料，PDMS展现出优异的相位调制和能量传输特性。

该研究为协调刚性接触失配与动态波前控制提供了新范式，在复杂环境下的智能无损检测系统方面具有重要应用价值。与角度楔块透镜相比，所提出的超构表面透镜使偏转信号幅度提高了40%以上，消除了水浸需求，即使在高达±15°的倾斜表面上仍能良好贴合目标，实现对亚表面缺陷的检测，最小裂纹分辨率达0.25 mm。本工作为传统超声评价的局限性提供了灵活有效的解决方案，推动了面向复杂工业应用的智能超声系统的发展。