Исследователи разработали растяжимое гибкое покрытие, призванное облегчить визуализацию ультразвука на структурах сложных конфигураций, таких как детали двигателя, турбины, лотки труб реактора и железнодорожные пути - объекты, которые трудно исследовать с использованием обычного ультразвукового оборудования.
Ультразвуковой патч - это универсальный и удобный инструмент для проверки деталей машин и зданий на наличие подповерхностных дефектов и повреждений. Группа исследователей во главе с инженерами из Калифорнийского университета в Сан-Диего опубликовала исследование в выпуске Science Advances от 23 марта.
Новое устройство преодолевает ограничение современных ультразвуковых дефектоскопов, которые трудно использовать на объектах, не имеющих абсолютно плоских поверхностей. Обычные ультразвуковые зонды имеют плоские и жесткие основания, которые не могут поддерживать хороший контакт при сканировании через изогнутые, волнистые, угловые и другие неплоские поверхности.
«Неплохостные поверхности распространены в повседневной жизни. И это значительное ограничение», - сказал Шэн Сюй, профессор наноинженерии в инженерной школе Калифорнийского университета Сан-Диего Джейкобса, автор исследования.
«Углы, сходы, скругления и другие структурные детали являются наиболее важными областями с точки зрения отказа - они представляют собой области высокого напряжения», - говорит Франческо Ланца ди Скалеа, профессор структурной инженерии в Сан-Диего и соавтор исследования. «Обычные жесткие плоские зонды не идеальны для визуализации внутренних дефектов внутри этих областей».
«Например, сейчас, чтобы исследовать автомобильный двигатель на наличие трещин в труднодоступном месте, инспектору нужно будет обойти весь двигатель и погрузиться в воду, чтобы получить полное трехмерное изображение», - сказал Сюй.
Команда UC San Diego разработала мягкий ультразвуковой зонд, который может работать на сложных геометрических поверхностях без воды, геля или масла.
Зонд представляет собой тонкий пластырь из силиконового эластомера, узорчатый с так называемой структурой «остров-мостик». Это, по сути, массив небольших электронных частей (островов), каждый из которых связан пружинными структурами (мостами). Острова содержат электроды и пьезоэлектрические преобразователи, которые производят ультразвуковые волны, когда электричество проходит через них. Мосты представляют собой пружинные медные провода, которые могут растягиваться и изгибаться, что позволяет патчу соответствовать неплоским поверхностям без ущерба для его электронных функций.
Исследователи протестировали устройство на алюминиевом блоке с волнистой поверхностью. Блок содержал дефекты на расстоянии двух-шести сантиметров под поверхностью. Исследователи помещали зонд в различные пятна на волнистую поверхность, собирали данные, а затем восстанавливали изображения, используя индивидуальный алгоритм обработки данных. Зонд был способен отображать отверстия размером 2 миллиметра и трещины внутри блока.
«Оптимально держать такой ультразвуковой зонд на двигателе, крыле самолета или в разных частях моста, чтобы постоянно отслеживать любые трещины», - сказал Хунцзи Ху, научный сотрудник по материаловедению и технике. студент в Калифорнийском университете Сан-Диего и один из первых авторов исследования.
Устройство все еще находится на стадии доказательства концепции. Он еще не обеспечивает визуализацию в режиме реального времени. Он также должен быть подключен к источнику питания и компьютеру для обработки данных. «В будущем мы надеемся интегрировать как мощность, так и функцию обработки данных в мягкий ультразвуковой зонд, чтобы обеспечить беспроводную визуализацию и видео в реальном времени», - сказал Сюй.
Команда подала патент на эту технологию.
Эта работа была частично поддержана Национальными институтами здравоохранения (грант R21EB025521) и финансировалась за счет премий Clinical and Translational Science Awards (UL1TR001442). Дополнительная поддержка была оказана Центром здорового старения Калифорнийского университета в Сан-Диего, грантом Федеральной железной дороги США (FR-RRD-0027-11) и Национальным научным фондом (CMMI-1362144).