DE3225586C2

DE3225586C2 - Ultraschall-Mikroskop

Info

Publication number: DE3225586C2
Application number: DE3225586A
Authority: DE
Inventors: Noriyoshi Chubachi; Junichi Sendai Miyagi Kushibiki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-07-08
Filing date: 1982-07-08
Publication date: 1984-03-08
Also published as: US4459852A; DE3225586A1; JPS589063A; JPH0136584B2

Abstract

Bei einem mit linear fokussiertem Ultraschallwellenstrahl arbeitenden Ultraschall-Mikroskop wird der linear fokussierte Ultraschallwellenstrahl von einem Schallwandlerkopf erzeugt, bei dem eine Schallwandlerelektrode (20) auf einer ebenen Endfläche einer Saphirstange (21) angeordnet ist, in deren entgegengesetzter Endfläche eine zylindrische konkave Fläche (22) ausgebildet ist. Der Schallwandlerkopf ist fest über einem mechanischen Objekttisch (51) angeordnet, auf dem ein Prüfling (25) angeordnet ist. Der Objekttisch (51) ist in der Richtung einer Z-Achse, d.h. einer Achse des linear fokussierten Ultraschallwellenstrahls, verstellbar und um die Z-Achse auch drehbar. Durch Verstellen des Objekttisches (41) in der Z-Achse, wird eine V(z)-Kurve erhalten, und aus einer Periodendauer der V(z)-Kurve wird die Phasengeschwindigkeit einer Oberflächen-Leckschallwelle errechnet. Sodann wird die V(z)-Kurven-Messung wiederholt, während der Objekttisch (51) gedreht wird. Anisotropien des Prüflings (25) lassen sich durch eine Beziehung zwischen dem Drehwinkel und der Phasengeschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle ausdrücken.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschall-Mikrof >' skop gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist schon lange bekannt, das Feingefüge von iVaterialien mittels Schallwellen, d.h. mit einem Ultraschallwellenstrahl zu untersuchen.
Aus der DE-OS 25 04 988 ist ein Ultraschall-Mikroskop gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem ein sphärisch fokussierter Ultraschallwellenstrahl auf einen zu untersuchenden Prüfling projiziert und der Brennpunkt des Ultraschallwellenstrahls in einer Ebene des Prüflings oder in einer zur Prüflingsebene senkrechten vertikalen Richtung bewegt wird. Sodann werden die Schallwellen, die hauptsächlich wegen unterschiedlicher elastischer Eigenschaften an verschiedenen Stellen des Prüflings vom Prüfling zurückgestrahlt odet durchgelassen worden sind, von einem Prüfkopf mit Schallwandler aufgefangen, der sie in ein elektrisches Signal umwandelt Dieses elektrische Signal wird dann auf einem Anzeigeschirm einer Kathodenstrahlröhre zweidimensional dargestellt, um ein mikroskopisches Bild des Prüflings zu erzeugen,

jo oder mittels eines Koordinatenschreibers aufgezeichnet Bei Ultraschall-Mikroskopen werden je nach Ausbildung des mit einem Wandler versehenen Prüfkopfes solche, die nach dem Durchschallungsverfahren, und solche, die nach dem Reflexionsverfahren

r, arbeiten, unterschieden.

Die Fig. la und Ib zeigen schem,r-tische Darstellungen von zwei Beispielen des bekannten, mit einem Schallwandler versehenen Prüfkopfes, nachstehend Schallwandlerkopf genannt, zum Aussenden des kegelig

4(i gebündelten Ultraschallwellenstrahls. In Fig. la ist ein Schallwandlerkopf des Schall-Linsen-Typs, in Fig. Ib ein solcher mit konkavem Wandler dargestellt, wobei in beiden Fällen die Schallwandlerköpfe zu einer Mittellinie Osymmetrisch ausgebildet sind. Be· dem in Fig. la

•>^r> dargestellten Schallwandlerkopf des Schall-Linsen-Typs sendet ein Schallwandler 1 aus einem piezoelektrischen Werkstoff ebene Schallwellen in ein festes akustisches Feld- bzw. Koppelungsmedium 2 hinein. Die Schallwellen breiten sich durch das Koppelungsmedium 2

5» hindurch aus und werden mittels einer Schall-Linse zu einem kegeligen Schallwellenstrahl gebündelt. Die Schall-Linse setzt sich aus einer auf optische Qualität polierten halbsphärischen konkaven Fläche 3 und einer Lambdaviertel-Entspiegelungsschicht 4 zusammen. Der

■v> kegelig gebündelte Schallwellenstrahl wird durch ein flüssiges Koppelungsmedium 5 geschickt und auf einen zu untersuchenden Prüfling 6 projiziert.

Bei dem in Fig. Ib dargestellten Ultraschall-Mikroskop mit konkavem Wandler ist eine Platte 7 aus Metall,

no in der eine halbsphärische konkave Fläche ausgebildet ist, mit einer Lambdaviertel-Entspiegelungsschicht 4 beschichtet, wogegen auf einer konvexen Fläche von ihr ein Schallwandler 1 aus einem piezoelektrischen Werkstoff angeordnet ist. In diesem Falle wird ein

<" aberrationsfreier kegelig gebündelter Schallwellcnstrahl durch ein flüssiges Koppelungsmedium 5 hindurch auf einen Prüfling 6 projiziert.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines vollständigen.

nach dem Reflexionsverfahren arbeitenden Ultraschall-Mikroskops mit einem Schallwandlerkopf 10 gemäß Fig. la. Ein von einem Hochfrequenz-Impulsgenerator 8 erzeugtes Signal wird über einen Richtkoppler 9 dem .Schallwandlerkopf 10 zugeführt, der dann einen kegelig -. gebündelten Schallwellenstrahl durch ein flüssiges ICoppelungsmedium 11 hindurch auf einen Prüfling 13 projiziert, der auf einem mechanischen Objekttisch 12 angeordnet ist. Die Lage des Objekttisches 12 in einer Z-Achse wird so eingestellt, daß der Prüfling 13 in der :■ Nähe eines Brennpunktes angeordnet ist (Z=O). Der Objekttisch 12 ist dann mittels einer Abtastvorrichtung 14 in Richtung der X- und Y-Achsen bewegbar. Es kann auch der Schallwandlerkopf 10 entlang der X- und Y-Achsen bewegbar sein. Die Abtastvorrichtung 14 ist ι durch eine Abtaststeuerschaltung 15 steuerbar. Vom Prüfling 13 zurückgestrahlte Schallwellen werden vom Schaüwandierkopf 10 aufgefangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dann über den Richtkoppler 9 einem Anzeigegerät 16 zugeführt wird. .·< Das Anzeigegerät 16 ist durch die Abtaststeuerschaltung 15 synchron ansteuerbar und stellt ein mikroskopisches Ultraschallbild des Prüflings 13 dar.

In Fig.3a ist ein Blockschaltbild eines anderen Beispiels des bekannten Ultraschall-Mikroskops darge- c stellt, bei dem ein Prüfling 13 auf einem mechanischen Objekttisch 17 angeordnet ist, dessen Bewegungen in der Richtung der Z-Achse durch eine Objekttisch-Steuerschaltung 18 steuerbar sind. Wenn während einer Bewegung des Prüflings 13 in Richtung auf den »· Schallwandlerkopf 10 ein elektrisches Ausgangssigna! aus dem Richtkoppler 9 von einem Anzeigegerät 19, das ein Aufzeichnungsgerät sein kann, angezeigt bzw. aufgezeichnet wird, ergibt sich die in F i g. 3b dargestellte Kurve, die gewöhnlich Vj^Kurve genannt wird und i" deren Periodizität, d. h. der Abstand zwischen Zackenlücken, von Jer akustischen Eigenschaft des Prüflings 13 abhängig ist. Versuche haben bestätigt, daß diese periodischen Zackenlücken hervorgerufen werden durch Interferenz zwischen Schallwellen, die in der ■»<> Nähe der Z-Achse vom Prüfling direkt zurückgestrahlt werden, und solchen Schallwellen, die vom Prüfling über eine Oberflächen-Leckschallwelle, welche vom Schallwellenstrahl nahe einem kritischen Winkel θι angeregt wird, wieder ausgestrahlt werden. Mit anderen Worten, -n die Periode AZ der VfzJ-Kurve steht in enger Beziehung zur PhasengeschwindigKeil der durchsickernden oder Oberflächen-Leckschallwelle. Durch Messen einer Periode ΔZ der V(Z)-Kurve in Fig.3b kann daher die Geschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle er- i» rechnet werden. Die Periode ΔΖ und die Geschwindigkeit VS sind näherungsweise durch die folgenden Gleichungen gegeben:

AZ = V_x /{2/(1-cojβ,)}

θ_χ

sin"

(D (2)

worin V\ eine Geschwindigkeit der Longitudinalwelle im flüssigen Koppelungsmedium 11 ist, Vs die Geschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle und f eine Schallfreque.iz. Die vorstehenden Gleichungen lassen erkennen, daß die Geschwindigkeit V₅ der Oberflächen-Leckschalh./elle im festen Material ausgehend von dem für AZ gemessenen Wert nach der nachstehenden Gleichung berechnet werden kann:

K = V_xI{\-(\-V_xIIf Δ Z)²Y

(3)

Ein Beispiel einer solchen Messung ist in einem Artikel von R. D. Weglein, »A model für predicting acoustic material signatures«, in APPLIED PHYSICS LETTERS, Bd 34, Ausgabe Nr. 3 vom 1. Februar 1979 beschrieben. Gemäß dieser Abhandlung wurden viele Prüflinge unter Anwendung großer Geschwindigkeitsbereiche vermessen, und es wurde durch Versuche nachgewiesen, daß die Periode AZ in enger Beziehung zur Phasengeschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle steht, und somit aus den Meßergebnissen nützliche Informationen für die quantitative Analyse akustischer Eigenschaften fester Materialien gewonnen werden können.

Bei dem bekannten Verfahren zum Messen der Geschwindigkeit einer Schallwelle wird sowohl beim Wandler des Schall-Linsen-Typs als auch beim Wandler mit konkaver Fläche der kegelig gebündelte Ultraschaüweüenstrah! benutzt. Der Ultrusehaüweücnstrah! wird zweidimensional konzentriert und hat in der Mitte * eine Dicke oder einen Durchmesser von etwa einer Wellenlänge. Dieser Ultraschallwellenstrahl enthält Komponenten in allen Richtungen um die Z-Achse, also um die Strahlachse, und somit werden die akustischen Eigenschaften als Mittelwert um die Strahlachse gemessen. Mit anderen Worten, auch wenn der Prüfling Anisotropien um die Z-Achse besitzt, spiegeln sich diese Anisotropien im Meßwert nicht wider. Es hat sich herausgestellt, daß sich sehr viel brauchbarere Informationen über akustische Eigenschaften von Materialien gewinnen lassen, wenn Anisotropien von Materialien als Winkelfunktion um die zum Prüfling rechtwinklige Strahlachse durch die HOi>Kurven-Messungen ermittelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschall-Mikroskop gemäß dem Oberbegc -ff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß mit ihm die V(z)-Kurven für die in einer bestimmten Richtung sich ausbreitende Oberflächen-Leckschallwelle gemessen werden kann, und durch diese V(z}- Kurvenmessung akustischer Anisotropien von Materialien als Winkelfunktionen bezogen auf eine Schallwellenstrahlachse nachgewiesen werden können.

Ein diese Aufgabe lösendes Ultraschall-Mikroskop ist mit seinen Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Mikroskop, bei dem der Ultraschallwellenstrahl in einer Richtung fokussiert wird, lasser, sich Anisotropien von Kristallen und die Geschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle Jie sich auf jeder Kristallschnittfläche in jeder Richtung ausbreitet, einfach und exakt messen.

Ausführungsbeisj.-iele der Erfindung «»-erden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig.4a einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Schallwandlerkopfes gemäß der Erfindung, F i g. 4b die zugehörige Ansieht von unten,

Fig.5a und 5b grafische Darstellungen von Verteilungskurven des akustischen Feldes eines von dem Schallwandlerkopf gemäß Fig.4a und 4b ausgesendeten linear fokussierten Ultraschallwellenstrahls,

Fig.6a eine Schrägansicht zur Verdeutlichung der Stellungsbeziehung zwischen dem Schallwandlerkopf und einem Prüfling.

Fig. 6b ein Blockschaltbild eines vollständigen Ultraschall-Mikroskops gemäß der Erfindung,

F i g. 6c ein Diagramm einer gemessenen Vfz^Kurve, F i g. 7 ein Diagramm einer theoretischen Kurve, die

Anisotropien um eine Z-Achse eines Prüflings in Form eines entlang der Z-Achse geschnittenen Saphirs darstellt,

Fig. 8a bis 8e Draufsichten auf verschiedene Ausführungsformen des Schallwandlerkopfes gemäß der Erfindung und

Fi g. 9a bis 9c Schrägansichten von weiteren Ausführungsformen des Schallwandlerkopfes gemäß der Erfindung.

Der in F i g. 4a und 4b dargestellte Schallwandlerkopf gemäß der Erfindung ist vom Schall-Linsen-Typ und hat einen elektroakustischen Wandler in Form einer Filmelektrode 20 aus einem piezoelektrischen Werkstoff, 7.. B. ZnO. die auf einer ebenen Fläche eines festen akustischen Feld- bzw. Koppelungsmediums 21 angeordnet ist, das z. B. eine Stange aus Saphir von 7 mm rtlirohrrtorror tmrl 1 t ^ mm I Ηηπη ·«■· In r4nt- nr%* rw**r*nw*r*e% ·—-— -..1...,/,..1I₁U₁I₁₁ULlIlUl.! .. I . .g »-_β «. I ·£ ..

setzten Fläche des Koppelungsmediums 21 ist eine zylindrische konkave Fläche 22 ausgebildet, die auf optische Qualität poliert ist und einen Radius von 1,0 mm und einen halben öffnungswinkel von 60 Grad hat. Die Fläche 22 ist mit einer Lambdaviertel-Entspiegelungsschicht 23 beschichtet. Die Entspiegelungsschicht 23 kann durch Aufdampfen von Chalkogenidglas im Vakuum aufgebracht worden sein. Daher breiten sich im Koppelungsmedium 21 pbene Schallwellen aus und werden von der von der Fläche 23 gebildeten zylindrischen Linse linear fokussiert. Der linear korzentrierte Ultraschallwellenstrahl wird durch ein flüssiges Koppelungsmedium 24. z. B. Wasser, hindurch jo auf einen Prüfling 25 projiziert.

In Fig. 5a und 5b sind Verteilungen des akustischen Feldes in einer Bündelungsebene des linear fokussierten Ultraschallwellenstrahls grafisch dargestellt. Fig. 5a zeigt die Verteilung in einer Richtung der .Y-Achse, die μ rechtwinklig zu einer Längsachse der Fläche 22 verläuft; in der Mitte beträgt die Breite etwa eine Wellenlänge. F 1 g. 5b zeigt die Verteilungskurve in einer Richtung der V'-Achse. die parallel zur Längsachse der Fläche 22 verlauf!. Der Ultraschallwellenstrahl ist nicht in Richtung der V-Achse im wesentlichen konzentriert und hat somit eine Breite, die zumindest annähernd gleich ist der Lange der Flache 22. Auf diese Weise ist der Ultraschallwellenstrahl entlang der X-Achse linear fokussiert, und nicht entlang der V-Achse gebündelt. Der somit nur in einer Richtung linear konzentrierte UltraschiillweMenstrahl wird hier als linear fokussierter L'I traschall wellenstrahl bezeichnet.

F: g. ba verdeu'ücht. wie bei einem Prüfling 25 Anisotropien um die Z-Achse ermittelt werden, die zur Achse des \om Wandler 20 ausgesendeten linear fokussierten UUraschallwellenstrahls 26 parallel verläuft. Der Uitraschallwcllenstrahl 26 wird durch das in Fig.6a nicht dargcs;e!!te flüssige Koppelungsmedium auf den Prüfling 25 projiziert. In derselben Weise wie bei dem bekannten kegelig fokussierten Ultraschallwellenstrahl wird der Prüfling 25 in der Richtung der Z-Achse bewegt, um die weiter oben beschriebene VfcJ-Kurve zu messen. Eine Beziehung zwischen einer Periode ΔΖ von Zackenlücken in der Vfz/Kurve und einer Geschwindigkeit einer Oberflächen-Leckschallwelle kann gleichermaßen durch die weiter oben angegebenen Gleichungen ausgedrückt werden. Der einzige Unterschied besteht darin, daß mit dem bekannten kegelig fokussierten Ultraschallwellenstrahl der Durchschnittswert um die Z-Achse gemessen wird, wogegen mit dem linear fokussierten Ultraschallwellenstrahl 26 die Phasengeschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle in einer bestimmten Richtung gemessen werden kann.

Gemäß Fig.6a kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Richtung der /Y-Achse gemessen werden. Wenn der Prüfling 25 um die Z-Achse gedreht wird, während die Vjfz^-Kurven-Messung bei entsprechenden Drehwinkeln θ mehrmals vorgenommen wird, ist es daher möglich, die Anisotropien des Prüflings 25 um die Z-Achse als Unterschied oder Änderung der Geschwindigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle zu messen. Mii anderen Worten, gemäß der Erfindung lassen sich die Anisotropien von Kristallen in Form des Winkels θ und der Geschwindigkeit darstellen.

F i g. 6b zeigt eine Ausführungsform des Ultraschall-Mikroskops gemäß der Erfindung unter Verwendung des Schallwandlerkopfes gemäß Fig.4a und 4b. Der

,„^u--;—U-- r\u

jekttisch 51 fest angeordnet, der entlang den X-. Y- und Z-Achsen verstellbar und um die Z-Achse drehbar ist. Diese Bewegungen sind mit einer Steuerschaltung 52 steuerbar. Auf dem Objekttisch 51 ist ein Prüfling 25 im Brennpunkt des linear fokussierten Ultraschallwellenstrahls 26 angeordnet, der in Abhängigkeit von einem Hochfrequenzimpuls erzeugt wird, der dem Wandler 20 aus einem Impulsgenerator 53 über einen Richtkoppler 54 zugeführt wird. Vom Prüfling 25 zurückgestrahlte Schallwellen werden dann mittels des Schallwandlerkopfes wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt, das auf einem Monitor 55 dargestellt und von einem Aufzeichnungsgerät 56, z. B. einem digitalen Wellenspeicher, aufgezeichnet wird.

Die Lage des Prüflings 25 in der Z-Achse und der Winkel θ werden von der Steuerschaltung 52 erfaßt, und das elektrische Ausgangssignal aus dem Schallwandlerkopf wird dem Monitor 55 und dem Aufzeichnungsgerät 56 zusammen mit dem Z-Positionssignal zugeführt, um eine V^>Kurve gemäß F i g. 6c darzustellen und aufzuzeichnen. Diese Vj^r/Kurve wurde aufgezeichnet für die Ausbreitung in der V-Achse /© = 30°) einer Oberflächen-Leckschallwelle an der Grenzfläche zwischen Wasser und einem entlang der Z-Achse geschnittenen Saphir bei einer Schallfrequenz von 202 MHz. Die VjfzJ-Kurve zeigt eine deutliche Periodizität. und für die Periode ΔΖ dtr Zackenlücken wurde AZ= 107,4 μηι gemessen. Die Berechnung der Geschwindigkeit Vsder Oberflächen-Leckschallwelle in der V-Richtung nach der weiter oben angegebenen Gleichung (3) ergibt 5720 m/s, wogegen die Geschwindigkeit der Longitudinalwelle V im Wasser von ^0⁰C mit 1483 m/s angenommen wird.

Es wird nun ein Meßbeispiel erläutert. Bei diesem Beispiel wurde ein entlang der Z-Achse geschnittener Saphir (Kristallsystem 3 m) als Prüfling 25 benutzt. Das Diagramm in F i g. 7 zeigt eine theoretische Kurve, welche eine Abhängigkeit der Oberflächen-Leckschallwelle von der Ausbreitungsrichtung (B) aufgrund der Anisotropie der Saphirplatte um die Z-Achse darstellt. Die in Fig. 7 gezeichnete Kurve macht deutlich, daß sich die Anisotropie in allen Richtungen durch Messen in einem Winkelbereich von 6 = 0^c bis θ = 30° ermitteln läßt.

Die nachstehende Tabelle 1 zeigt gemessene und theoretische Geschwindigkeiten sowie Gcschwindigkeitsdifferenzen im Bereich von 0° g θ :S 30". Bei diesem Beispiel war das feste Koppelungsmedium 21 von einer Saphirstange gebildet, als das flüssige Koppelungsmedium 24 wurde Wasser benutzt und es wurde eine Schallwelle von 202 MHz verwendet.

Tabelle

Ausbrsi-

tungs-

richtur-

6» (Grad)

Geschwindigkeit (m/s)	Theore	Differenz (%)
Gemesse	tischer	Vm-Vc ,_.
ner Wert	Wert	χ iu( Vc
	Vc
Vm	5560
5519	5568	-0,74
5535	5593	-0,59
5545	5629	-0,86
5599	5668	-0,53
5629	5699	-0,69
5665	5711	-0,60
S720	+0.16

Bei dtv vorstehend beschriebenen Ausluhrungsform sendet der Schallwandlerkopf einen einzelnen linear fokussierten Ultnischallwcllenstrahl aus; somit muß die Messung der Vf/^Kurve in einer großen Zahl von Richtungen θ wiederholt werden, wenn Anisotropien von Materialien näher untersucht werden sollen. Die Messung ist daher sehr umständlich und zeit- und arbeitsaufwendig. Zur Vermeidung dieses Nachteils kann der Schallwandler kopf so ausgebildet sein, daß er mehrere linear fokussierte Ultraschallwellenstrahlen aussendet, die in verschiedenen Richtungen linear gebündelt sind.

Fig. 8a bis 8e zeigen Draufsichten auf verschiedene Ausführungsformen des Schallwandlerkopfes gemäß der Erfindung. Die Ausführungsform gemäß Fig.8a ist der in F i g. 4a und 4b dargestellten ähnlich und erzeugt einen einzelnen linear fokussienen Uiiraxchuiiwclicristrahl. Bei dieser Ausführungsform ist ein einzelner Wandler 20 auf einer ebenen Endfläche des festen Koppelungsmediums 21 angeordnet, in deren entgegengesetzten Fläche die entsprechende Schall-Linse mit der zylindrischen konkaven Fläche ausgebildet ist. Der Wandler 20 und die entsprechende zylindrische konkave Fläche sind so ausgebildet, daß sie sich in derselben Richtung erstrecken. Sei der Ausführungsform gemäß F i g. 8b sind zwei Wandler 29a und 296 auf einer ebenen Endfläche eines festen Koppelungsmediums 28 angeordnet, und in der entgegengesetzten Endfläche sind zwei entsprechende zylindrische konkave Flächen ausgebildet. Weil die Wandler 29a und 296 rechtwinklig zueinander angeordnet sind, sind auch die Längsachsen der zylindrischen konkaven Flächen unter einem rechten Winkel zueinander ausgerichtet. Bei der in Fig.8c dargestellten abgewandelten Ausführungsform des Schallwandlerkopfes gemäß F i g. 8b sind die Wandler 29a und 296 und somit die entsprechenden zylindrischen konkaven Flächen unter einem Winkel

s von etwa 30° zueinander angeordnet. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 8d sind drei Wandler 29;;. 296 und 29c so angeordnet, daß jeder eine Seite eines gleichseitigen Dreiecks bildet. Bei der in Fig. 8e dargestellten Ausführungsforni sind fünf Wandler 29,7

in bis 29c so angeordnet, daß jeder die Seite eines regelmäßigen Fünfecks bildet. Selbstverständlich sind bei den Ausführungsformen gemäß F i g. 8d und 8e in der entgegengesetzten Endfläche entsprechende zylindrische konkave Flächen so ausgebildet, daß sie je eine Seite des entsprechenden gleichseitiger Dreiecks b/w. regelmäßigen Fünfecks bilden.

Durch Verwendung der in I· i g. 8b bis «e dargestellten Schallwandlerköpfe lassen sich die νγχ>Kurven für verschiedene Richtungen mn Hilfe einer elektronischen

>o Umschalteinrichtung ungefähr gleich/eilig erzielen. uikI somit lassen sich die Aiisbrcitungsgcschwimligkciicn in verschiedenen Richtungen gleichzeitig messen Sodann wird der Prüfling 25 um einen vorbestimmten Winkel gedreht und die vorstehend beschriebene Messung

.'i wiederholt. Auf diese Weise lassen sich die Anisotropien von Materialien innerhalb kürzerer Zeit messen und ermitteln als mit der zunächst beschriebenen Ausführungslorm mit nur einem linear foktissierten Ulirascruillwellenstrahl.

in Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird der linear fokussierte Ultraschallwellcnstrahl durch die Schall-Linse erzeugt, die jedoch durch andere Konstruktionen ersetzt werden kann. F i g. 9a zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Schallwandler 31 aus

ii piezoelektrischem Werkstoff auf einer zylindrischen konkaven Fläche eines Blockes 30 aus Metall oder einem anderen massiven Werkstoff direkt angeordnet ist. Bei den in F i g. 9b und 9c dargestellten Ausführungsformen sind Schallwandler 31 innen und außen auf einer zylindrischen konkaven bzw. zylindrischen konvexen Fläche eines zumindest annähernd halbzylindrischen Körpers 32 angeordnet. Auch mit einem solchen Schallwandlerkopf ist es möglich, den linear fokussierten Ultraschallwellenstrahl zu erzeugen. Ferner kann der linear fokussierte Ultraschallwellenstrahl auch mit einem Schallwandlerkopf erzeugt werden, der die Wirkung der Phasenlage ausnutzt oder eine Platte mit Fresneischer Zone aufweist.

Tas Ultraschall-Mikroskop gemäß der Erfindung ist auch für die Prüfung von isotropen Materialien einsetzbar.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Mikroskop zum Ermitteln von akustischen Eigenschaften eines Prüflings mit einem Schallwandlerkopf zum Aussenden eines fokussierten Ultraschallwellenstrahls gegen einen Prüfling, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandlerkopf eine Ultraschall-Zylinderlinse (21, 22, 30, 31, 32) aufweist, die den Ultraschallwellenstrahl (26) linear in einer zu der Ausbreitungsrichtung des Ultraschallwellenstrahls senkrechten Richtung fokussiert.

Z Ultraschall-Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandlerkopf ein akustisches Festkörper-Koppelungsmedium (21, 28), das eine ebene Endfläche und wenigstes eine, in der entgegengesetzten Endfläche ausgebildete zylindrische konkave Fläche (22) aufweist, und wenigstens einen elektroakustischen Wandler (20, 29a bis TSd) hat, der auf der ebenen Endfläche des akustischen Festkörper-Koppelungsmediums angeordnet ist

3. Ultraschall-Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische konkave Oberfläche (22) derartige Abmessungen hat, daß der Ultraschallwellenstrahl (26) bei Betrachtung in der genannten Richtung auf halber Länge zumindest annähernd eine Schallwellenlänge breit ist.

4. Ultraschall-Mikrotxop nas j Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, d?J3 die entgegengesetzte Endfläche des akustischen Festisr rper-Koppelungsmediums, in dem die konkave zylindrische Fläche

(22) ausgebildet ist, mit einer Entspiegelungsschicht

(23) beschichtet ist.

5. Ultraschall-Mikroskop nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Festkörper-Koppelungsmedium aus einer entlang der Z-Achse geschnittenen Saphirstange besteht.

6. Ultraschall-Mikroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektroakustische Wandler aus einem ZnO-FiIm besteht.

7. Ultraschall-Mikroskop nach einem der Ansprüche 2 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von akustischen (29a bis 29^1 derart auf der ebenen Endfläche des akustischen Festkörper-Koppelungsmediums angeordnet sind, daß sie miteinander einen Winkel ungleich Null Grad bilden, und in der entgegengesetzten Endfläche des akustischen Festkörper-Koppelungsmediums zylindrische konkave Flächen, deren Zahl der Zahl der Schallwandler entspricht, derart ausgebildet sind, daß jede von ihnen in Deckungsstellung mit dem entsprechenden Schallwandler ist.

8. Ultraschall-Mikroskop nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandlerkopf einen akustischen Wandler (31) aufweist, der auf einer konkaven zylindrischen Oberfläche eines Substrats (30,32) aufgebracht ist.

9. Ultraschall-Mikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem halbzylindrischen Körper(32) besteht.

10. Ultraschall-Mikroskop nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandlerkopf einen akustischen Wandler (31) aufweist, der auf einer konvexen zylindrischen Oberfläche eines Substrats (32) aufgebracht ist, das aus einem

Schallkoppelungsmaterial besteht.

11. Ultraschall-Mikroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem halbzylindrischen Körper (32) besteht.