上海交大聲學(xué)傳感新突破——托托科技高精度3D光刻設(shè)備

近日，上海交通大學(xué)電氣工程學(xué)院團(tuán)隊(duì)在電暈放電聲波檢測領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，其研究成果以“Acoustic Wave Radiation Simulation and Broadband Acoustic-Enhanced Sensing of Corona Discharge”為題，發(fā)表于《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》。該研究建立了電-熱-聲多物理場耦合仿真模型，揭示了負(fù)電暈放電過程中空間電荷擾動激發(fā)的超聲輻射機(jī)制，并據(jù)此設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種寬帶聲學(xué)增強(qiáng)聚焦結(jié)構(gòu)，顯著提升了局部放電（PD）聲學(xué)檢測的靈敏度。

在這一研究中，托托科技的高精度3D光刻設(shè)備為聲學(xué)菲涅爾透鏡的制備提供了關(guān)鍵制造支持，助力團(tuán)隊(duì)完成了從仿真優(yōu)化到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的工程閉環(huán)。

圖.聲學(xué)菲涅爾透鏡樣品形貌圖和集成傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

研究背景：電暈放電檢測的聲學(xué)瓶頸

電暈放電是高壓電力設(shè)備中常見的局部放電形式，長期存在會加速絕緣材料老化，甚至引發(fā)設(shè)備故障。超聲檢測是目前主流的非接觸式檢測手段，但由于超聲波在空氣中衰減嚴(yán)重，且遠(yuǎn)距離檢測時信噪比急劇下降，傳感器自身的聚波性能已接近技術(shù)瓶頸，研究外置式聲學(xué)聚焦增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、在聲波進(jìn)入傳感器前完成聲能匯聚，已經(jīng)成為主流研究方向。

平面聲學(xué)菲涅爾透鏡憑借輕薄、易集成的優(yōu)勢受到關(guān)注，現(xiàn)有研究證實(shí)其在單頻/窄帶平面波激勵下具備良好聚焦效果。然而，電暈放電產(chǎn)生的聲波屬于寬帶復(fù)雜聲場，傳統(tǒng)菲涅爾透鏡存在寬帶適配性差的問題。因此，研發(fā)兼具高效率與寬頻特性的聲學(xué)聚焦結(jié)構(gòu)，是亟待解決的。

技術(shù)創(chuàng)新：從多物理場仿真到寬帶聲學(xué)聚焦結(jié)構(gòu)

研究團(tuán)隊(duì)首先構(gòu)建了負(fù)電暈放電的電-熱-聲耦合模型，從微觀層面揭示了脈沖放電→局部熱沉積→超聲輻射的完整能量轉(zhuǎn)換鏈。仿真結(jié)果表明，聲能主要分布在20kHz–100kHz的超聲頻段。

基于這一頻譜特性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種復(fù)合增強(qiáng)型聲學(xué)聚焦結(jié)構(gòu)，將聲學(xué)菲涅爾透鏡與聚焦腔體一體化集成，并采用EGO全局優(yōu)化+NM局部細(xì)化的混合優(yōu)化算法，對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行反演設(shè)計(jì)。最終實(shí)現(xiàn)了在目標(biāo)頻帶內(nèi)平均聲壓增益6dB，峰值增益10.2dB的優(yōu)異性能。

圖.聲學(xué)增強(qiáng)聚焦結(jié)構(gòu)二維截面示意圖和優(yōu)化后聚焦結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能對比圖

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：寬帶聚焦性能與放電信號增強(qiáng)

在等效聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中，集成該透鏡的傳感器在20–100kHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了平均聲壓放大138.2%，峰值放大272.8%，驗(yàn)證了其在寬帶范圍內(nèi)的穩(wěn)定聚焦能力。

在實(shí)際針尖放電實(shí)驗(yàn)中，安裝透鏡的傳感器相比未安裝者，接收到的聲能積分增強(qiáng)約48.99%，顯著提升了局部放電信號的采集能力。

圖.加裝 / 未加裝透鏡的不同頻率下性能對比和傳感器采集聲波的頻域分布圖

托托科技高精度3D光刻設(shè)備：精準(zhǔn)制造聲學(xué)菲涅爾透鏡

在這一研究中，優(yōu)化后的聲學(xué)菲涅爾透鏡樣品由托托科技的高精度3D光刻設(shè)備制備。該設(shè)備具備微米級成型能力，能夠精確加工出透鏡所需的環(huán)形區(qū)域?qū)挾取㈤g距等關(guān)鍵微觀結(jié)構(gòu)，匹配了聲學(xué)透鏡對尺寸精度的嚴(yán)苛要求。

超高精度：托托科技提供1?, 2?, 5, 10, 20?μm精度及多精度融合設(shè)備，靈活適配不同分辨率需求的科研與工業(yè)場景。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型：無需組裝，直接打印，直接制造微米級曲面、懸垂、腔體結(jié)構(gòu)。

材料兼容性廣：支持多種光敏樹脂及陶瓷前驅(qū)體，滿足不同性能需求。

快速交付：數(shù)小時內(nèi)完成設(shè)計(jì)迭代，大幅縮短研發(fā)周期。

一項(xiàng)突破性研究的背后，離不開每一個環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)落地。托托科技很榮幸能夠?yàn)樯虾＝煌ù髮W(xué)團(tuán)隊(duì)提供關(guān)鍵制造支持，讓聲學(xué)菲涅爾透鏡從優(yōu)化模型走入真實(shí)實(shí)驗(yàn)。

未來，托托科技將繼續(xù)深耕高精度3D光刻技術(shù)，為電氣工程、微機(jī)電系統(tǒng)、生物芯片、仿生材料等領(lǐng)域的科研工作者提供可靠、高效的制造平臺，助力更多“從0到1”的突破。

DOI: 10.1109/TDEI.2026.3696924