上海交大声学传感新突破——托托科技高精度3D光刻设备

近日，上海交通大学电气工程学院团队在电晕放电声波检测领域取得重要进展，其研究成果以“Acoustic Wave Radiation Simulation and Broadband Acoustic-Enhanced Sensing of Corona Discharge”为题，发表于《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》。该研究建立了电-热-声多物理场耦合仿真模型，揭示了负电晕放电过程中空间电荷扰动激发的超声辐射机制，并据此设计并优化了一种宽带声学增强聚焦结构，显著提升了局部放电（PD）声学检测的灵敏度。

在这一研究中，托托科技的高精度3D光刻设备为声学菲涅尔透镜的制备提供了关键制造支持，助力团队完成了从仿真优化到实验验证的工程闭环。

图.声学菲涅尔透镜样品形貌图和集成传感器结构示意图

研究背景：电晕放电检测的声学瓶颈

电晕放电是高压电力设备中常见的局部放电形式，长期存在会加速绝缘材料老化，甚至引发设备故障。超声检测是目前主流的非接触式检测手段，但由于超声波在空气中衰减严重，且远距离检测时信噪比急剧下降，传感器自身的聚波性能已接近技术瓶颈，研究外置式声学聚焦增强结构、在声波进入传感器前完成声能汇聚，已经成为主流研究方向。

平面声学菲涅尔透镜凭借轻薄、易集成的优势受到关注，现有研究证实其在单频/窄带平面波激励下具备良好聚焦效果。然而，电晕放电产生的声波属于宽带复杂声场，传统菲涅尔透镜存在宽带适配性差的问题。因此，研发兼具高效率与宽频特性的声学聚焦结构，是亟待解决的。

技术创新：从多物理场仿真到宽带声学聚焦结构

研究团队首先构建了负电晕放电的电-热-声耦合模型，从微观层面揭示了脉冲放电→局部热沉积→超声辐射的完整能量转换链。仿真结果表明，声能主要分布在20kHz–100kHz的超声频段。

基于这一频谱特性，团队设计了一种复合增强型声学聚焦结构，将声学菲涅尔透镜与聚焦腔体一体化集成，并采用EGO全局优化+NM局部细化的混合优化算法，对结构参数进行反演设计。最终实现了在目标频带内平均声压增益6dB，峰值增益10.2dB的优异性能。

图.声学增强聚焦结构二维截面示意图和优化后聚焦结构声学性能对比图

实验验证：宽带聚焦性能与放电信号增强

在等效声学实验中，集成该透镜的传感器在20–100kHz频段内实现了平均声压放大138.2%，峰值放大272.8%，验证了其在宽带范围内的稳定聚焦能力。

在实际针尖放电实验中，安装透镜的传感器相比未安装者，接收到的声能积分增强约48.99%，显著提升了局部放电信号的采集能力。

图.加装 / 未加装透镜的不同频率下性能对比和传感器采集声波的频域分布图

托托科技高精度3D光刻设备：精准制造声学菲涅尔透镜

在这一研究中，优化后的声学菲涅尔透镜样品由托托科技的高精度3D光刻设备制备。该设备具备微米级成型能力，能够精确加工出透镜所需的环形区域宽度、间距等关键微观结构，完美匹配了声学透镜对尺寸精度的严苛要求。

超高精度：托托科技提供1 , 2 , 5, 10, 20 μm精度及多精度融合设备，灵活适配不同分辨率需求的科研与工业场景。

复杂结构一体化成型：无需组装，直接打印，直接制造微米级曲面、悬垂、腔体结构。

材料兼容性广：支持多种光敏树脂及陶瓷前驱体，满足不同性能需求。

快速交付：数小时内完成设计迭代，大幅缩短研发周期。

一项突破性研究的背后，离不开每一个环节的精准落地。托托科技很荣幸能够为上海交通大学团队提供关键制造支持，让声学菲涅尔透镜从优化模型走入真实实验。

未来，托托科技将继续深耕高精度3D光刻技术，为电气工程、微机电系统、生物芯片、仿生材料等领域的科研工作者提供可靠、高效的制造平台，助力更多“从0到1”的突破。

DOI: 10.1109/TDEI.2026.3696924