JPH0376419B2 - - Google Patents

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JPH0376419B2
JPH0376419B2 JP58083428A JP8342883A JPH0376419B2 JP H0376419 B2 JPH0376419 B2 JP H0376419B2 JP 58083428 A JP58083428 A JP 58083428A JP 8342883 A JP8342883 A JP 8342883A JP H0376419 B2 JPH0376419 B2 JP H0376419B2
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JP
Japan
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inspected
curve
attenuation
ultrasonic
acoustic
Prior art date
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Application number
JP58083428A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS59206758A (en
Inventor
Noritoshi Nakabachi
Junichi Kushibiki
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Priority to JP58083428A priority Critical patent/JPS59206758A/en
Priority to US06/595,865 priority patent/US4541281A/en
Priority to EP84103640A priority patent/EP0121890B1/en
Priority to DE8484103640T priority patent/DE3479922D1/en
Publication of JPS59206758A publication Critical patent/JPS59206758A/en
Publication of JPH0376419B2 publication Critical patent/JPH0376419B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids
    • G01N29/06Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は、集束超音波ビームを用いて、被検査
物体の音響特性、すなわち漏洩波の音速及び伝搬
減衰量を計測する超音波顕微鏡装置に関するもの
である。 近年、集束した超音波ビームを用いて物体の微
視的あるいは巨視的な構造および音響特性を観
察・測定する機械走査型超音波顕微鏡が開発され
た。この超音波顕微鏡は、原理的には円錐状に集
束された超音波ビームを被検査体に照射し、超音
波ビームの焦点の位置を被検査体面内で移動させ
たり、あるいは被検査体面に垂直方向に移動させ
たりして、被検査体内の各点における弾性的性質
の差異等によつて生ずる超音波の反射波あるいは
透過波を超音波トランスジユーサで検出して、電
気信号に変換し、その信号を陰極線管面上に二次
元的に表示して超音波顕微鏡像を得たり、あるい
はX−Yレコーダー等に記録したりするものであ
る。集束超音波ビームを形成するための変換器と
しては、代表的にはレンズ方式によるもの、凹面
あるいは凸面の球面上に超音波変換器を構成した
方式によるもの等がある。また、超音波トランス
ジユーサの配置により透過型と反射型の超音波顕
微鏡に分類される。 第1図は反射型の超音波顕微鏡のブロツク図
で、高周波パルス発振器1からの電気信号は、方
向性結合器2を経て、前記のような集束用超音波
トランスジユーサ3により集束超音波ビームとな
り、液体音場媒体4を介して、被検査体保持板5
上に固定され、ほぼ焦点近傍に配置された被検査
体6に照射される。保持板5は走査装置7によつ
てX及びY方向に移動される。もちろん、保持板
5を移動させる代わりに超音波トランスジユーサ
3をX及びY方向に移動させてもよい。走査装置
7は走査制御回路8によつて制御される。被検査
体6より反射された反射波は再び超音波トランス
ジユーサ3で集音され、電気信号に変換され、前
記方向性結合器2を経て表示装置9へ供給され超
音波顕微鏡像が得られる。このような超音波像か
ら被検査体の音響的特性を場所の関数として読み
とる計測法は超音波顕微鏡による画像計測と呼ば
れている。この画像計測においては、超音波顕微
鏡装置は被検査体を、集束超音波ビームの液体音
場媒体(通常は水が使用される)における焦点面
上に配置させて超音波像を撮像するばかりでな
く、焦点面から積極的にずらして使用されること
が多い。これは、超音波顕微鏡装置の特徴であ
り、従来の光学顕微鏡および電子顕微鏡等で観測
できない被検査体内部の変化をコントラストよく
観測することができる。 一方、前述の画像計測のための超音波顕微鏡を
改良して被検査体の音速を測定する音速測定装置
が開発されている。これは、超音波顕微鏡におい
て、X及びY方向に走査させず、第2図に示され
るようにZ軸方向移動装置11上に配置された被
検査体10(例えば、固体物質)を、移動制御装
置12によつて、ビーム軸(Z軸)に沿つて超音
波トランスジユーサ3方向に近づくように移動さ
せながらトランスジユーサ出力を観察するように
した装置である。トランスジユーサの出力はb図
に示されるような周期的に変化する曲線となつて
記録装置13に描かれる。この曲線はV(z)曲
線あるいは音響特性化曲線と呼ばれている。その
周期性は物質に依存し、これは被検査体10に照
射される集束超音波ビームのうちのZ軸近傍から
の反射波と、臨界角近傍のビームによつて励起さ
れた漏洩弾性波の再放射した波との干渉によるも
のであることが知られている。したがつて、第2
図b中の周期ΔZから、漏洩弾性波の速度を計算
により求めることができる。この周期ΔZと音速
の関係は近似的に次式で与えられる。 ΔZ=Vl/{2(1−cosθs)} θs=Sin-1(Vl/Vs) ここで、θs;臨界角、Vl;液体音場媒体4の縦
波速度、Vs;漏洩弾性波速度、;使用超音波
周波数である。したがつて、この音速測定装置で
は周期ΔZを実測することによつて、固体の音速
を定量的に求めることができる。このことから、
本測定は被検査体の音響特性の超音波顕微鏡によ
る定量測定と呼ばれている。 さらに、上述のV(z)曲線に基づく音速測定
において前記の円錐状に集束された超音波ビーム
を用いると、微小部分に対しての音響特性を検出
できるという特徴をもつているが、そのビーム形
状の対称性により、ビームの成分はビーム軸のま
わりの全方向に広がつているために、被検査体が
Z軸のまわりに異方性をもつている場合には、方
向に依存した異方性の検出はできず、音速は平均
値として測定される。異方性検出のため超音波ト
ランスジユーサ電極を分割する方法等も試みられ
ているが定量的に乏しい。そこで、異方性をも含
めて定量的に精密な計測を行なうため、直線状に
集束された超音波ビーム(直線状集束超音波ビー
ム)を用いる超音波顕微鏡が提案されている(特
願昭56−107402号参照)。 第3図は直線状集束超音波ビームを用いて、固
体の音響特性のZ軸のまわりの異方性を検出測定
する方法を示す説明図である。直線状集束超音波
ビーム15は液体音場媒体(同図中には示されて
いない)を介して、被検査体16に照射され、上
述の円錐状に集束された超音波ビームを用いた場
合と同様に、Z軸方向に被検査体16を移動しな
がらV(z)曲線を記録する。デイツプの周期ΔZ
と固体の漏洩弾性波速度との関係式は、円錐状に
集束された超音波ビームを用いた場合において説
明したものと全く同様である。第3図では、X方
向にだけ漏洩弾性波を励振できるため、X方向の
伝搬速度を測定できる。順次、被検査体16をZ
軸まわりに角度θ回転して同様な測定を繰り返す
ことによつてZ軸のまわりの異方性を漏洩弾性波
速度値の差異として測定することができる。すな
わち、上記直線状集束超音波ビームを使用した場
合には、結晶の異方性を角度θと音速の関係で表
わすことができる。 以上のような測定法に基づいて音速決定を行な
うためには、V(z)曲線中のデイツプ周期が規
則的にあらわれることが必要である。しかしなが
ら、一般に複数個の漏洩弾性波モードがV(z)
曲線における波の干渉現象に関与する場合には、
V(z)曲線中のデイツプ周期および波形に乱れ
が生ずる。このような場合には単純にはその曲線
からデイツプ周期ΔZを正確に求められないこと
が多く、V(z)曲線から漏洩波の速度を測定す
るのが困難となる。 最近、そのような歪んだV(z)曲線から被検
査体の正確な音響情報を抽出するため、「複数個
の漏洩弾性波モードが存在する被検査体に対して
得られる複雑なV(z)曲線は、各々のモードだ
けが存在すると仮定した場合に得られるV(z)
曲線の重ね合わせとして考えることができる」と
いう原理に基づき、フーリエ変換等の波形解析手
法を用いて解析する機能を有する超音波顕微鏡装
置が発明された(特願昭58−058368(特開昭59−
183364号公報))。その装置によれば、測定された
V(z)曲線に波形解析手法として、フーリエ変
換等の操作を施し、周波数領域で、各々のモード
をそれぞれに対応した周波数スペクトラムとして
他のモードから分離し、各々のモードに対して対
応するデイツプ周期ΔZを算出し、前述したデイ
ツプ周期ΔZと漏洩弾性波速度Vsとの関係式にも
とづいて、各々のモードの漏洩弾性波速度を決定
するものである。 以上のような測定は、被検査体の音響特性を微
視的部分あるいは巨視的部分において定量計測す
ることを目的としたものである。超音波顕微鏡装
置によつて記録されたV(z)曲線には被検査体
のあらゆる弾性的情報が含まれているが、上記音
速測定は、その一部の情報の抽出である。V(z)
曲線中には干渉振幅等の形状に大きな影響を及ぼ
す重要な因子:干渉に関与する漏洩波の伝搬減衰
も含まれている。超音波顕微鏡装置における液体
音場媒体と被検査体との間の境界面上を伝搬する
漏洩波の伝搬に伴う音波振幅の減衰は、主に次の
3つの要因:被検査体への液体の音響的負荷に
基づく音波エネルギーの液体中への放射による減
衰、被検査体自体の音波吸収機構による減衰、
被検査体表面の粗さによる音波の散乱や、漏洩
波エネルギーが分布する被検査体内部に存在する
クラツク、気泡、粒界等に代表されるような被検
査体内部の構造因子による音波の散乱による減
衰、によつて引き起こされると考えられる。した
がつて、V(z)曲線に関与する1個、あるいは
複数個の漏洩波の伝搬減衰を測定することによつ
て、被検査体の音響インピーダンス、表面状態や
内部構造を知ることができる。この漏洩波の伝搬
減衰をV(z)曲線から決定する方法には、今ま
でのところ大きく分けて2つの方法が円錐状に集
束された超音波ビームに対して提案され、試みら
れている。1つの方法は測定されたV(z)曲線
中に表われるデイツプの深さ、あるいは干渉振幅
の大きさを、理論計算で求めたV(z)曲線と対
比して、その減衰を推定する方法である。もう1
つの方法は、図4に示すように中心軸近傍の超音
波ビーム成分を除去するため、レンズの中央付近
に吸音材20をつけたり(a図)、超音波トラン
スジユーサの電極に工夫をこらし、測定に適切な
音場を使用したりして(b図)、V(z)曲線にお
ける中心軸付近の超音波ビームに対しての超音波
トランスジユーサの応答をとり去ることによつ
て、漏洩波振幅の減衰を、Z軸移動距離に対して
直接的に測定する方法である。しかしながら、こ
れらの減衰測定方法には以下に示すような重大な
欠点がある。すなわち、前者の測定法に対して
は、理論計算との比較のため手間が非常にかかる
うえ、理論計算における近似のため、実際の実験
との対応が不完全であり、測定精度が不十分であ
る。また、後者の測定法では、漏洩波の減衰決定
を行なうには、最終的に漏洩波の速度を使用しな
ければならないので、その音速を、通常のV(z)
曲線法あるいは他の方法に頼つて別に測定してお
かなければならないといつた不便がある。 本発明上記従来例の欠点を解消するものであ
り、測定されたV(z)曲線から関与する漏洩波
の音速と減衰を一緒に測定できる機能を有する超
音波顕微鏡装置に関するものであり、以下、図面
を用いてその計測原理と実測手順を詳細に示す。 第5図はその測定原理の説明図で、一例として
集束超音波ビームには、音響レンズ方式による直
線状集束超音波ビームをとりあげた場合の断面図
である。ここでは簡単のため、被検査体と液体音
場媒体との境界には漏洩波モードとしては漏洩弾
性表面波だけが存在するものとする。先に音速測
定の原理で述べたように、超音波トランスジユー
サ18の出力であるV(z)は、実効的にはレン
ズ中心軸近傍から入射して被検査体16で反射さ
れた後に超音波トランスジユーサ18に戻る成分
#0と、漏洩弾性表面波臨界角θlsawで入射し、
被検査体表面をある距離伝搬した後に水中に再放
射されて超音波トランスジユーサ18に戻る成分
#1によつて構成され、この2つの波の干渉によ
つて周期的なデイツプが現れると考えられる。こ
の出力V(z)は図6に示されるように直線状集
束超音波ビーム用超音波トランスジユーサとレン
ズの形状と動作周波数により決定される基準信号
曲線VR(Z)の上に漏洩弾性表面波成分と中心軸
近傍の反射波成分との干渉波形が重畳したもので
ある。したがつて、実測されたV(z)曲線から
基準信号曲線VR(Z)を差し引いた曲線は、漏洩
弾性表面波速度に対応するデイツプ周期ΔZをも
ち漏洩弾性表面波の伝搬長と関連して減衰する正
弦波の干渉出力波形VI(Z)として表現できる。
したがつて、出力V(z)は近似的に次式で表わ
すことができる。 V(z)=VI(Z)+VR(Z) ここで VI(Z)=C・ATT・sin(ξ|z|+φ) ATT=exp(−2αwt(z)) ・exp(−2γ|z|tanθlsaw) γ=2πα/Vlsaw t(z)== ξは#0と#1との間の単位伝搬長当りの相対
位相差、φは焦点面でZ=0での#0と#1との
間の初期位相差、Cは任意定数である。また、
は超音波周波数、αwは液体音場媒体における縦
波音波の減衰定数、Vlsawは漏洩弾性表面波の位
相速度、αは規格化伝搬減衰定数である。したが
つて、液体音場媒体の音響特性(音速、減衰定
数)が既知のとき干渉波出力VI(Z)を実験的に
抽出すれば、その周期性から漏洩弾性波の速度
を、また干渉波形の減衰の傾きから伝搬減衰量を
決定できる。その実験手順の一例を以下に示す。 (a) V(z)曲線を記録する。 (b) デジタル・フイルター技術等の手法を用いて
測定したV(z)曲線からVR(Z)を抽出合成
する。 (c) V(z)からVR(Z)を差し引きVI(Z)を抽
出する。 (d) VI(Z)の周期性よりVlsawを決定する。 (e) VI(Z)からATTを測定する。 (f) ATTから液体音場媒体のαwを用いてαを決
定する。 このように本発明は上記測定原理に基づき、測
定した1つのV(z)曲線から、被検査体に対し
て漏洩波の音速と減衰定数を抽出・決定すること
ができるようにした超音波顕微鏡装置である。以
下、実施例を詳細に説明する。 第7図は一実施例としてデイジタルフイルター
技術および高速フーリエ変換等による信号処理を
した場合の超音波顕微鏡装置のブロツク図を示し
たものである。被検査体10に対してV(z)曲
線を記録装置13に記録し、波形処理用計算機1
9で波形処理と解析を行ない、漏洩波の音速と減
衰を一緒に測定できる。 ここでは直線状集束超音波ビームを使用した音
響特性測定のための超音波顕微鏡装置によつて、
被検査体として光学研磨した等方性の溶融石英
(SiO2)について行つた測定実施例を示す。液体
音場媒体としては水を使用し、水と溶融石英被検
査体との境界面に存在・伝搬できる漏洩弾性表面
波を測定対象とする。実験は曲率半径1.0mmの直
線状集束超音波ビーム用サフアイア・レンズを使
用し、超音波周波数226.3MHzで行つた。第8図
aおよびbは前記測定手順によつて測定されたV
(z)曲線およびVI(Z)曲線である。第8図c
はb図を常用対数表示したものである。b図より
音速測定ができデイツプ周期ΔZ=33.1μmより、
漏洩弾性表面波速度Vlsaw=3432m/sが算出さ
れた。また、c図より、VI(Z)曲線に対しては
103dB/mmの減衰量が測定され、水の減衰定数
(20℃でαw/2=25.3×10-17neper S2/cw)を
考慮すると、規格化減衰定数はα=3.64×10-2
決定された。この溶融石英に対しての実験例にお
いては、漏洩弾性表面波の減衰に対しては、水の
溶融石英に対する音響負荷による減衰に比し、固
体内での吸収減衰および固体の表面および内部に
おける散乱減衰等は無視できるので、測定減衰量
は音響負荷減衰量αlsawに対応すると考えられ
る。理論計算と比較した結果を表1に示す。
The present invention relates to an ultrasonic microscope apparatus that uses a focused ultrasonic beam to measure the acoustic characteristics of an object to be inspected, that is, the sound velocity and propagation attenuation of leaky waves. In recent years, mechanical scanning ultrasound microscopes have been developed that use focused ultrasound beams to observe and measure the microscopic or macroscopic structures and acoustic properties of objects. In principle, this ultrasound microscope irradiates a conically focused ultrasonic beam onto an object to be inspected, and moves the focal point of the ultrasound beam within the plane of the object to be inspected, or perpendicularly to the plane of the object to be inspected. The ultrasonic transducer detects reflected or transmitted ultrasonic waves caused by differences in elastic properties at each point within the body being inspected, and converts them into electrical signals. The signals are displayed two-dimensionally on the surface of a cathode ray tube to obtain an ultrasonic microscope image, or recorded on an X-Y recorder or the like. As a transducer for forming a focused ultrasonic beam, there are typically a lens type transducer and a type in which an ultrasonic transducer is formed on a concave or convex spherical surface. Furthermore, depending on the arrangement of the ultrasound transducer, ultrasound microscopes are classified into transmission type and reflection type. FIG. 1 is a block diagram of a reflection-type ultrasound microscope, in which an electrical signal from a high-frequency pulse oscillator 1 passes through a directional coupler 2, and then is turned into a focused ultrasound beam by a focusing ultrasound transducer 3 as described above. The test object holding plate 5 is
The object 6 to be inspected is fixed above and placed approximately near the focal point. The holding plate 5 is moved in the X and Y directions by the scanning device 7. Of course, instead of moving the holding plate 5, the ultrasonic transducer 3 may be moved in the X and Y directions. The scanning device 7 is controlled by a scanning control circuit 8 . The reflected wave reflected from the object to be inspected 6 is collected again by the ultrasonic transducer 3, converted into an electric signal, and supplied to the display device 9 via the directional coupler 2 to obtain an ultrasonic microscope image. . A measurement method that reads the acoustic characteristics of an object to be inspected as a function of location from such an ultrasound image is called image measurement using an ultrasound microscope. In this image measurement, the ultrasound microscope device simply places the object to be inspected on the focal plane of a focused ultrasound beam in a liquid acoustic field medium (usually water is used) and captures an ultrasound image. It is often used actively shifted from the focal plane. This is a feature of the ultrasonic microscope device, and allows changes inside the object to be inspected, which cannot be observed with conventional optical microscopes, electron microscopes, etc., to be observed with good contrast. On the other hand, a sound velocity measuring device for measuring the sound velocity of an object to be inspected has been developed by improving the ultrasonic microscope for image measurement described above. In an ultrasonic microscope, the object 10 to be inspected (for example, a solid substance) placed on the Z-axis direction moving device 11 is controlled to move without scanning in the X and Y directions. This device is designed to observe the transducer output while moving the device 12 along the beam axis (Z-axis) toward the ultrasonic transducer 3. The output of the transducer is drawn on the recording device 13 as a periodically changing curve as shown in figure b. This curve is called the V(z) curve or acoustic characterization curve. The periodicity depends on the material, and this is due to the reflected waves from near the Z axis of the focused ultrasonic beam irradiated to the inspected object 10, and the leakage elastic waves excited by the beam near the critical angle. It is known that this is due to interference with re-radiated waves. Therefore, the second
The velocity of the leaky elastic wave can be calculated from the period ΔZ in Figure b. The relationship between this period ΔZ and the speed of sound is approximately given by the following equation. ΔZ=V l /{2(1−cosθ s )} θ s = Sin -1 (V l /V s ) Here, θ s ; Critical angle, V l : Longitudinal wave velocity of liquid acoustic field medium 4, V s : leakage elastic wave velocity; ; ultrasonic frequency used. Therefore, with this sound speed measuring device, the sound speed of a solid can be quantitatively determined by actually measuring the period ΔZ. From this,
This measurement is called quantitative measurement of the acoustic characteristics of the test object using an ultrasonic microscope. Furthermore, when the above-mentioned conically focused ultrasonic beam is used in the sound velocity measurement based on the V(z) curve described above, it has the characteristic that the acoustic characteristics of minute parts can be detected. Due to the symmetry of the shape, the beam components spread in all directions around the beam axis, so if the object to be inspected has anisotropy around the Z-axis, direction-dependent anomalies will occur. Orientation cannot be detected and sound speed is measured as an average value. Attempts have been made to divide the ultrasonic transducer electrode to detect anisotropy, but the results have not been quantitatively proven. Therefore, in order to perform quantitative and precise measurements including anisotropy, an ultrasound microscope that uses a linearly focused ultrasound beam (linear focused ultrasound beam) has been proposed (patent application). 56-107402). FIG. 3 is an explanatory diagram showing a method of detecting and measuring the anisotropy of the acoustic properties of a solid about the Z axis using a linear focused ultrasonic beam. The linear focused ultrasound beam 15 is irradiated onto the object to be inspected 16 via a liquid acoustic field medium (not shown in the figure), and when the above-mentioned conically focused ultrasound beam is used. Similarly, the V(z) curve is recorded while moving the inspected object 16 in the Z-axis direction. Deep cycle ΔZ
The relational expression between . In FIG. 3, since the leaky elastic wave can be excited only in the X direction, the propagation velocity in the X direction can be measured. Sequentially, the object to be inspected 16 is
By repeating similar measurements by rotating the angle θ around the axis, anisotropy around the Z axis can be measured as a difference in leakage elastic wave velocity values. That is, when the linear focused ultrasound beam is used, the anisotropy of the crystal can be expressed by the relationship between the angle θ and the speed of sound. In order to determine the speed of sound based on the above measurement method, it is necessary that the dip period in the V(z) curve appear regularly. However, in general, multiple leaky elastic wave modes are V(z)
When involved in wave interference phenomena in curves,
Disturbances occur in the dip period and waveform in the V(z) curve. In such cases, the dip period ΔZ cannot often be simply determined accurately from the curve, making it difficult to measure the velocity of the leakage wave from the V(z) curve. Recently, in order to extract accurate acoustic information of a test object from such a distorted V(z) curve, we have developed a method called ``complex V(z) obtained for a test object in which multiple leaky acoustic wave modes exist. ) curve is obtained by assuming that only each mode exists, V(z)
Based on the principle that "can be considered as a superposition of curves," an ultrasonic microscope device was invented that had an analysis function using waveform analysis methods such as Fourier transform (Japanese Patent Application No. 58-058368 −
Publication No. 183364)). According to this device, operations such as Fourier transformation are performed on the measured V(z) curve as a waveform analysis method, and each mode is separated from other modes as its corresponding frequency spectrum in the frequency domain. The dip period ΔZ corresponding to each mode is calculated, and the leakage elastic wave velocity of each mode is determined based on the above-mentioned relational expression between the dip period ΔZ and the leakage elastic wave velocity V s . The purpose of the above-mentioned measurements is to quantitatively measure the acoustic characteristics of the object to be inspected in a microscopic or macroscopic area. The V(z) curve recorded by the ultrasonic microscope device contains all the elastic information of the object to be inspected, but the above-mentioned sound velocity measurement extracts only part of that information. V(z)
The curve also includes an important factor that greatly affects the shape of the interference amplitude: propagation attenuation of leaky waves involved in interference. Attenuation of the sound wave amplitude due to the propagation of leaky waves on the interface between the liquid sound field medium and the object to be inspected in an ultrasonic microscope device is mainly caused by the following three factors: Attenuation due to radiation of sound wave energy into the liquid based on acoustic load, attenuation due to the sound wave absorption mechanism of the test object itself,
Scattering of sound waves due to the roughness of the surface of the inspected object, and scattering of sound waves due to structural factors inside the inspected object such as cracks, bubbles, grain boundaries, etc. that exist inside the inspected object where leakage wave energy is distributed. This is thought to be caused by the attenuation caused by Therefore, by measuring the propagation attenuation of one or more leakage waves involved in the V(z) curve, it is possible to know the acoustic impedance, surface condition, and internal structure of the object to be inspected. Up to now, two methods for determining the propagation attenuation of leaky waves from the V(z) curve have been proposed and attempted for conically focused ultrasound beams. One method is to estimate the attenuation by comparing the depth of the dip that appears in the measured V(z) curve or the size of the interference amplitude with the V(z) curve obtained by theoretical calculation. It is. One more
As shown in Fig. 4, one method is to remove the ultrasonic beam component near the central axis by attaching a sound absorbing material 20 near the center of the lens (Fig. a), or by devising the electrodes of the ultrasonic transducer. Leakage can be reduced by removing the response of the ultrasound transducer to the ultrasound beam near the central axis in the V(z) curve, such as by using an appropriate sound field for the measurement (Figure b). This method directly measures the attenuation of wave amplitude with respect to the Z-axis movement distance. However, these attenuation measurement methods have serious drawbacks as shown below. In other words, the former measurement method is extremely time-consuming due to the comparison with theoretical calculations, and because it is an approximation in theoretical calculations, the correspondence with actual experiments is incomplete, resulting in insufficient measurement accuracy. be. In addition, in the latter measurement method, the velocity of the leaky wave must ultimately be used to determine the attenuation of the leaky wave, so the sound velocity must be expressed as the normal V(z).
There is the inconvenience of having to measure separately by relying on the curve method or other methods. The present invention solves the drawbacks of the above-mentioned conventional examples, and relates to an ultrasonic microscope apparatus having a function of simultaneously measuring the sound velocity and attenuation of the leaky waves involved from the measured V(z) curve. The measurement principle and actual measurement procedure will be explained in detail using drawings. FIG. 5 is an explanatory diagram of the measurement principle, and is a cross-sectional view in the case where, as an example, a linear focused ultrasound beam using an acoustic lens method is taken as the focused ultrasound beam. For the sake of simplicity, it is assumed here that only leaky surface acoustic waves exist as leaky wave modes at the boundary between the object to be inspected and the liquid acoustic field medium. As described above in the principle of sound velocity measurement, the output V(z) of the ultrasonic transducer 18 is effectively incident from near the center axis of the lens, reflected by the object to be inspected 16, and then becomes ultrasonic. The component #0 returns to the acoustic wave transducer 18 and the leakage surface acoustic wave enters at the critical angle θlsaw,
It is thought that it is composed of component #1 that propagates for a certain distance on the surface of the object to be inspected, then is re-radiated into the water and returns to the ultrasonic transducer 18, and periodic dips appear due to the interference of these two waves. It will be done. This output V(z) has a leakage elasticity above the reference signal curve V R (Z) determined by the shape and operating frequency of the ultrasonic transducer and lens for the linear focused ultrasound beam, as shown in Figure 6. This is a superposition of interference waveforms between a surface wave component and a reflected wave component near the central axis. Therefore, the curve obtained by subtracting the reference signal curve V R (Z) from the actually measured V (z) curve has a dip period ΔZ corresponding to the leaky surface acoustic wave velocity and is related to the propagation length of the leaky surface acoustic wave. It can be expressed as a sinusoidal interference output waveform V I (Z) that attenuates.
Therefore, the output V(z) can be approximately expressed by the following equation. V (z) = V I (Z) + V R (Z) where V I (Z) = C・ATT・sin(ξ|z|+φ) ATT=exp(−2αwt(z)) ・exp(−2γ ||tanθlsaw) γ=2πα/Vlsaw t(z)== ξ is the relative phase difference per unit propagation length between #0 and #1, φ is #0 and # at Z=0 in the focal plane The initial phase difference between C and C is an arbitrary constant. Also,
is the ultrasonic frequency, αw is the attenuation constant of the longitudinal sound wave in the liquid acoustic field medium, Vlsaw is the phase velocity of the leaky surface acoustic wave, and α is the normalized propagation attenuation constant. Therefore, if the interference wave output V I (Z) is experimentally extracted when the acoustic characteristics (sound velocity, attenuation constant) of the liquid acoustic field medium are known, the velocity of the leakage elastic wave can be determined from its periodicity, and the interference The amount of propagation attenuation can be determined from the slope of the attenuation of the waveform. An example of the experimental procedure is shown below. (a) Record the V(z) curve. (b) Extract and synthesize V R (Z) from the measured V (z) curve using a method such as digital filter technology. (c) Subtract V R (Z) from V (z) to extract V I (Z). (d) Determine Vlsaw from the periodicity of V I (Z). (e) Measure ATT from V I (Z). (f) Determine α from ATT using αw of the liquid acoustic field medium. As described above, the present invention is based on the above measurement principle and provides an ultrasonic microscope that is capable of extracting and determining the sound velocity and attenuation constant of leakage waves for an object to be inspected from one measured V(z) curve. It is a device. Examples will be described in detail below. FIG. 7 shows a block diagram of an ultrasonic microscope apparatus in which signal processing is performed by digital filter technology, fast Fourier transform, etc. as an example. The V(z) curve for the object to be inspected 10 is recorded in the recording device 13, and the waveform processing computer 1
Waveform processing and analysis are performed in step 9, and the sound velocity and attenuation of leaky waves can be measured together. Here, we use an ultrasound microscope device to measure acoustic properties using a linear focused ultrasound beam.
An example of measurement performed on optically polished isotropic fused silica (SiO 2 ) as an object to be inspected will be shown. Water is used as the liquid acoustic field medium, and leakage surface acoustic waves that exist and propagate at the interface between water and the fused silica object to be inspected are measured. The experiment was conducted using a saphire lens for a linear focused ultrasound beam with a radius of curvature of 1.0 mm and an ultrasound frequency of 226.3 MHz. Figures 8a and b show the V measured by the above measurement procedure.
(z) curve and V I (Z) curve. Figure 8c
is a common logarithm representation of diagram b. From figure b, the sound velocity can be measured, and from the dip period ΔZ = 33.1 μm,
The leakage surface acoustic wave velocity Vlsaw=3432 m/s was calculated. Also, from diagram c, for the V I (Z) curve,
An attenuation of 103 dB/mm was measured, and considering the attenuation constant of water (αw/ 2 = 25.3 × 10 -17 neper S 2 /cw at 20 °C), the normalized attenuation constant is α = 3.64 × 10 -2. It has been determined. In this experimental example for fused silica, it was found that the attenuation of leaky surface acoustic waves is due to absorption attenuation within the solid and scattering on the surface and inside of the solid, compared to attenuation due to the acoustic load of water on the fused quartz. Since attenuation etc. can be ignored, the measured attenuation amount is considered to correspond to the acoustic load attenuation amount αlsaw. Table 1 shows the results compared with theoretical calculations.

【表】 測定値 計算値 測定値 計算値
3432 3430 3.64×10−2 3.82×10−2
[Table] Measured value Calculated value Measured value Calculated value
3432 3430 3.64×10 −2 3.82×10 −2

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 集束超音波ビームを被検査物体に照射し、そ
の反射波をトランスジユーサで受波し、上記集束
超音波ビームの軸心方向に沿つてその集束超音波
ビームと上記被検査物体とを相対的に移動させ
て、上記トランスジユーサから音響特性化曲線V
(z)を得る超音波顕微鏡装置において、 上記音響特性化曲線V(z)から基準信号曲線
VR(z)を差し引いて干渉出力波形VI(z)を得
る手段と、 その干渉出力波形VI(z)の減衰特性から伝搬
減衰量を求める手段とを設けたことを特徴とする
超音波顕微鏡装置。
[Claims] 1. A method of irradiating a focused ultrasonic beam onto an object to be inspected, receiving the reflected wave by a transducer, and transmitting the focused ultrasonic beam and the above-mentioned object along the axial direction of the focused ultrasonic beam. The acoustic characteristic curve V is obtained from the transducer by moving the object to be inspected relatively.
(z), the reference signal curve is obtained from the acoustic characteristic curve V(z).
An ultraviolet ray system characterized by comprising means for subtracting V R (z) to obtain an interference output waveform V I (z), and means for determining propagation attenuation from the attenuation characteristics of the interference output waveform V I (z). Sonic microscope equipment.
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DE3574621D1 (en) * 1984-07-08 1990-01-11 Noriyoshi Chubachi SURFACE ULTRASONIC INTERFERENCE MICROSCOPE.
JP2634831B2 (en) * 1987-12-28 1997-07-30 オリンパス光学工業株式会社 Ultrasonic microscope
JPH02140466U (en) * 1989-04-25 1990-11-26
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