本发明属于超声成像，具体地涉及一种超声成像梯度声阻抗匹配层结构及方法。
背景技术：
1、超声成像是无损检测领域的核心技术之一，凭借其对结构内部缺陷的高灵敏度识别、无辐射污染及实时成像优势，在航空航天、核电装备、海洋工程等高端制造领域具有不可替代的应用价值。近年来，随着工业装备向大型化、复杂化、长寿命化发展，对多层异质结构（如金属-介质复合结构、涂层-基体复合结构等）的无损检测需求日益迫切，要求超声成像技术能够实现深层缺陷的精准定位与量化表征。
2、然而，现有超声成像技术在实际应用中面临两大核心技术瓶颈：其一，多层复杂结构中不同介质的声阻抗差异显著（如金属与水的声阻抗比值可达数十倍），导致超声波在介质界面处发生强烈反射，仅有不足10%的超声能量能够穿透至检测区域内部，严重限制了超声能量的有效聚焦与深层结构的成像清晰度；其二，服役过程中结构外层的腐蚀、磨损等会导致其厚度产生非均匀变化，进一步加剧声阻抗失配程度，使得超声穿透效率大幅下降，检测精度难以满足工程需求。
3、为解决上述问题，现有技术中主要采用单一或多层均匀声阻抗匹配层进行阻抗过渡，但此类方案存在固有缺陷：一方面，均匀匹配层的声阻抗值固定，仅能在特定频率下实现阻抗匹配，无法满足宽频带超声成像的需求；另一方面，传统匹配层依赖特定声阻抗的均质材料，而此类材料的制备工艺复杂、成本高昂，且难以适配曲面或变厚度的异质结构界面，导致其应用场景受到严重限制。因此，开发一种能够实现宽频带传输、适配复杂界面且制备可行性高的梯度声阻抗匹配层结构，成为突破现有超声成像技术瓶颈的关键。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对背景技术中存在的问题，提出一种超声成像梯度声阻抗匹配层结构及方法，实现超声的高效宽带传输。
2、为了解决上述技术问题，本发明通过如下方案实现：
3、一种超声成像梯度声阻抗匹配层结构，包括若干个梯度阻抗单元；各所述梯度阻抗单元沿 x方向和 y方向呈二维周期性阵列排布，超声波沿 z方向传输；其中，（0-xyz）构成三维直角坐标系。
4、所述梯度阻抗单元为二元复合结构，包括沿y方向上下分布、且相互复合的结构1和结构2；所述结构1和结构2由不同的材料制成；结构1对应材料的声阻抗 z材1 =ρ¹ v1，结构2对应材料的声阻抗 z材2 =ρ² v 2，其中 ρ¹为结构1对应材料的密度， v1为结构1对应材料的声速， ρ²为结构2对应材料的密度， v2为结构2对应材料的声速。
5、通过调控所述梯度阻抗单元的结构参数，如材料1与材料2的属性、结构1与结构2的复合比例，使所述梯度阻抗单元沿z方向形成连续梯度变化的等效声阻抗分布，实现宽频带超声能量传输；
6、针对含曲面的任意阻抗失配界面，通过调控所述梯度阻抗单元的二维周期性排列形态（包括阵列排布密度、单元轮廓适配性），实现超声能量的精准匹配。
7、进一步优化，所述梯度阻抗单元，垂直于z方向的截面为正方形，截面的边长为 a；
8、相邻梯度阻抗单元之间呈紧密贴合状态；
9、同一个梯度阻抗单元的结构1与所述结构2之间呈紧密贴合状态；
10、所述紧密贴合为二者无缝隙且无夹层。
11、进一步优化，所述结构1和结构2的复合面在y-z平面上的曲线方程满足：
12、 y=kz²，其中, y为结构2沿 y方向的尺寸参数， z为结构2沿 z方向的尺寸参数， k为常数， k≠a。
13、进一步优化，所述梯度阻抗单元沿z方向的厚度 l满足： l=2 v eff/ f c，其中 v eff为梯度阻抗单元的等效声速， f c为超声波的中心频率。
14、进一步优化，梯度阻抗单元截面边长满足： a≤ v eff/ fmax；其中， v eff为梯度阻抗单元的等效声速， fmax为超声波的最大工作频率。
15、进一步优化，梯度阻抗单元的等效声阻抗 z eff、等效速度 v eff表示为：
16、（1）；
17、 （2）；
18、 （3）；
19、其中，和分别表示结构2与结构1的弹性系数，i、j均为1或2，代表弹性系数的张量下标；n=s1/s2表示结构1相对于梯度阻抗单元的体积比，s1为结构1的垂直于z方向的截面积，s2为梯度阻抗单元的垂直于z方向的截面积，恒为a²；ρ¹为结构1对应材料的密度，ρ²为结构2对应材料的密度。
20、基于上述结构的任意曲面的阻抗匹配方法，包括以下步骤：
21、步骤1：获取待匹配界面的核心参数：
22、通过超声测厚仪测量界面两侧介质的声阻抗z介1、z介2，通过激光轮廓仪测量界面的曲面形态参数，所述曲面形态参数包括曲面曲率半径r、曲面在 x方向和 y方向的延伸范围；
23、步骤2：设计梯度阻抗单元的材料与体积占比：
24、根据步骤1中z介1与z介2的差值，选择对应的材料1和材料2，使z材1与z材2的差值覆盖z介1与z介2的差值；通过公式（1）~（3）计算体积占比 n的调节范围，使梯度阻抗单元的等效声阻抗zeff沿 z方向形成连续梯度，且梯度范围覆盖z介1与z介2；
25、步骤3：确定梯度阻抗单元的几何参数：
26、根据超声波的中心频率 f c和最大工作频率 fmax，结合公式： l=2 v eff/ f c计算单元厚度l，结合公式 a≤ v eff/ fmax确定单元截面边长 a；根据步骤1中界面的曲面曲率半径r，调整结构1和结构2的复合曲面在y-z平面上的曲线方程中的常数 k，使结构2的轮廓与待匹配界面的局部曲率适配；
27、步骤s4：构建匹配层阵列：
28、将步骤2~3设计的梯度阻抗单元沿 x方向和 y方向排布，根据步骤1中曲面的延伸范围确定阵列总尺寸；对于曲面曲率变化区域，按曲率增大比例减小单元排布间距，使阵列整体轮廓与待匹配界面的贴合度≥90%；
29、步骤s5：验证与微调：
30、将构建的匹配层贴合于待匹配界面，采用超声功率计测试超声波在 f c至 fmax频段内的传输效率；若传输效率低于预设阈值，则微调体积占比 n或单元排布间距，直至所有频段的传输效率均达到预设阈值以上。
31、进一步优化，步骤1中所述超声测厚仪的测量精度≤0.01mm，所述激光轮廓仪的曲率测量精度≤0.1mm。
32、进一步优化，步骤5中所述预设阈值为40%，且微调时体积占比 n的调整幅度为±0.05~±0.1，单元排布间距的调整幅度为±0.02mm~±0.05mm。
33、进一步优化，步骤2中所述体积占比n的调节范围为0.3~0.8，且n沿z方向的变化率为0.1~0.2/mm，确保等效声阻抗zeff沿z方向的梯度变化连续无突变。
34、进一步优化，步骤4中所述单元排布间距的减小比例与曲率增大比例的比值为1:1，即曲面曲率半径每减小10mm，单元排布间距对应减小0.04mm~0.08mm。
35、进一步优化，步骤5中所述宽频带的频率范围为2mhz~15mhz，且在该频段内的传输效率波动幅度≤5%。
36、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
37、1、通过并联一定数目的梯度阻抗单元可以实现对任意曲面的阻抗匹配，实现可定制化。
38、2、通过改变结构1与结构2的材料属性，可以在声传播方向上实现抛物线形式变化的特定阻抗曲线，一定程度上解决了超声的衰减问题。
39、3、本发明解决了传统匹超声配层制作中，特定声阻抗材料制作困难的问题，通过构建沿声传输方向的连续梯度声阻抗分布，大幅减弱超声波在阻抗失配界面的反射损耗，超声能量传输效率较传统匹配层提升，可覆盖宽频率范围的超声成像需求，适配不同频率的超声换能器。
40、4、通过调整单元曲面参数k和阵列排布密度，可适配平面、圆柱形曲面、不规则腐蚀曲面等任意阻抗失配界面，解决现有方案仅适配固定界面的局限性。