RU2756411C2 - Scanning acoustic microscope - Google Patents
Scanning acoustic microscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2756411C2 RU2756411C2 RU2020142921A RU2020142921A RU2756411C2 RU 2756411 C2 RU2756411 C2 RU 2756411C2 RU 2020142921 A RU2020142921 A RU 2020142921A RU 2020142921 A RU2020142921 A RU 2020142921A RU 2756411 C2 RU2756411 C2 RU 2756411C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- sound
- particle
- scanning
- meso
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating 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
- G01N29/04—Analysing solids
- G01N29/06—Visualisation of the interior, e.g. acoustic microscopy
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для бесконтактного ультразвукового контроля изделий, в акустических микроскопах и дефектоскопах.The invention relates to the field of non-destructive testing and can be used for non-contact ultrasonic testing of products, in acoustic microscopes and flaw detectors.
Устройства звуковидения используются для получения оптически видимых изображений различных объектов искусственного и естественного происхождения с помощью акустических волн [П. Грегуш. Звуковидение. М.: Мир, 1982, 230 с.]. В зависимости от назначения и используемого диапазона частот применяют устройства линзового звуковидения, при котором для построения акустического изображения объекта используется звуковая (акустическая) оптика. Объект "освещается" звуковым (акустическим) полем от излучателя, а акустическая линза создает звуковое изображение объекта в некоторой плоскости, где устанавливается приемное акустическое устройство, преобразующее распределение поля давлений либо непосредственно в оптическое изображение, либо в электрический сигнал с последующим преобразованием в оптическое изображение.Sound imaging devices are used to obtain optically visible images of various objects of artificial and natural origin using acoustic waves [P. Gregush. Sound imaging. M .: Mir, 1982, 230 p.]. Depending on the purpose and the frequency range used, lens sound-imaging devices are used, in which sound (acoustic) optics are used to construct an acoustic image of an object. The object is "illuminated" by the sound (acoustic) field from the emitter, and the acoustic lens creates a sound image of the object in a certain plane, where the receiving acoustic device is installed, which converts the pressure field distribution either directly into an optical image or into an electrical signal with subsequent conversion into an optical image.
В линзовой акустической микроскопии сфокусированный в точку ультразвуковой пучок перемещается по объекту, изображение которого воссоздается по точкам в виде растра. Принимая ту или иную часть излучения, можно судить об акустических свойствах образца в области, размеры которой определяются размерами фокального пятна. Эти размеры согласно теории дифракции равны не менее длины волны ультразвуковых колебаний в данной среде.In lens acoustic microscopy, an ultrasound beam focused to a point moves over an object, the image of which is recreated point by point in the form of a raster. Taking one or another part of the radiation, one can judge the acoustic properties of the sample in the region, the dimensions of which are determined by the size of the focal spot. These dimensions, according to the theory of diffraction, are equal not less than the wavelength of ultrasonic vibrations in a given medium.
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука. - 1970]:The diameter of the Airy spot h is determined by the so-called Rayleigh criterion, which sets the limit of concentration (focusing) of the acoustic field using lens systems [Born M., Wolf E. Fundamentals of optics. - M .: Science. - 1970]:
h=2.44 λFD-1,h = 2.44 λFD -1 ,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.where λ is the radiation wavelength, D is the diameter of the primary mirror or lens, F is the focal length of the focusing device.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости и определяет качество получаемого изображения. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.Airy spot diameter h is an important parameter of the focusing system, which determines its own resolution in the focal plane and determines the quality of the resulting image. It shows the minimum distance between the field of point sources in the focal plane that the system is capable of registering. The maximum resolution of an ideal lens system cannot exceed λ / 2.
Для исследования упруго-вязкостных свойств различных объектов с высоким пространственным разрешением используется сканирующий линзовый акустический микроскоп [Maev R. Advances in acoustic microscopy and high resolution imaging: from principles to applications. Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2013. 400 р.]. В типичной конфокальной схеме микроскопа излучение зондирующей ультразвуковой волны и прием отраженной образцом волны осуществляются одиночным преобразователем, расположенным на торце цилиндрического звукопровода выполненного, например, из полистирола с акустической плоско-вогнутой сферической линзой, расположенной на другом плоском конце звукопровода [С.А. Титов, Р.Г. Маев. Линзовый акустический микроскоп с двумерной ультразвуковой решеткой // Письма в ЖТФ, 2016, том 42, вып. 9, с. 8-15].To study the elastic-viscous properties of various objects with high spatial resolution, a scanning lens acoustic microscope is used [Maev R. Advances in acoustic microscopy and high resolution imaging: from principles to applications. Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2013. R. 400]. In a typical confocal microscope scheme, the emission of the probing ultrasonic wave and the reception of the wave reflected by the sample are carried out by a single transducer located at the end of a cylindrical acoustic conduit made, for example, of polystyrene with an acoustic plano-concave spherical lens located at the other flat end of the acoustic conduit [S.A. Titov, R.G. Mayev. Lens acoustic microscope with a two-dimensional ultrasonic grating // Technical Physics Letters, 2016, volume 42, issue. 9, p. 8-15].
Недостатком данного устройства являются большие габариты линзы, порядка 100λ, где λ длина используемого излучения и низкие поперечное и продольное разрешения.The disadvantages of this device are the large dimensions of the lens, about 100λ, where λ is the length of the radiation used and low transverse and longitudinal resolutions.
Известен способ и устройства формирования изображения объектов в акустическом диапазоне длин волн, например, по патенту РФ №79219, патентам США №№4028933, 4563900, включающий формирование излучения в акустическом диапазоне длин волн, облучение источником акустического излучения формирующей системы в виде акустической линзы, фокусировку излучения формирующей системой на объекте исследования, размещение между фокусирующей системой и объектом исследования иммерсионной среды, прием прошедшего или отраженного излучения от объекта исследования, преобразование принятого излучения в электрические сигналы и формирование по данным электрическим сигналам визуально воспринимаемого изображения объекта наблюдения.A known method and device for forming images of objects in the acoustic wavelength range, for example, according to RF patent No. 79219, US patents No. 4028933, 4563900, including the formation of radiation in the acoustic wavelength range, irradiation by a source of acoustic radiation of the forming system in the form of an acoustic lens, focusing radiation by the shaping system at the object of study, placement between the focusing system and the object of study of the immersion medium, reception of transmitted or reflected radiation from the object of study, conversion of the received radiation into electrical signals and the formation of a visually perceived image of the object of observation based on these electrical signals.
Недостатком данного способа и устройства реализующего способ является низкое пространственное разрешение, ограниченное дифракционным пределом формирующей системы.The disadvantage of this method and device that implements the method is low spatial resolution, limited by the diffraction limit of the forming system.
Из технической литературы известно, что методы субволновой фокусировки на основе эффекта фотонной струи могут быть успешно применены в акустическом диапазоне. Формально, это можно утверждать на основе аналогии между уравнениями, описывающими акустические и электромагнитные волновые процессы [T. Miyashita and С. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488, (2001); Минин И.В., Минин O.B. Квазиоптика: современные теденции развития [Текст]: монография. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.]. Понятие акустоструи (acoustojets) как аналога фотонной струи в оптике был впервые введено в работах [I.V. Mininand O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv:1604.08146 (2016);It is known from the technical literature that subwavelength focusing methods based on the photonic jet effect can be successfully applied in the acoustic range. Formally, this can be stated on the basis of the analogy between the equations describing acoustic and electromagnetic wave processes [T. Miyashita and C. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488, (2001); Minin I.V., Minin O.B. Quasi-optics: modern development trends [Text]: monograph. - Novosibirsk: SGUGiT, 2015. - 163 p.]. The concept of acoustojets as an analogue of a photonic jet in optics was first introduced in [I.V. Mininand O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016);
O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017);O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017);
J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].
Акустоструя - это область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением, возникающая непосредственно на теневой стороне мезоразмерной звукопроводящей частицы.Acoustic jet is an area of increased concentration of acoustic energy and with a high spatial resolution, arising directly on the shadow side of a mesoscale sound-conducting particle.
Акустическая струя возникает только для определенных значений относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы и окружающей среды [J.H. Lopes, М. А.В. Andrade, J.P. 
Первое упоминание фокусирующих акустических устройств, формирующих акустострую, как аналога фотонной струи в оптике, было в патенте РФ 167049, акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Акустическая линза выполнена с возможностью формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью. Линза выполнена в виде трехмерной частицы, например, в виде сферы, цилиндра, кубоида, пирамиды с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы не менее 1.1 и относительным волновым сопротивлением не более 25. Акустическая линза формирует область фокусировки непосредственно за теневой поверхностью с размерами в поперечном (относительно направления распространения излучения) направлении на уровне половинной мощности менее классического дифракционного предела - до четверти длины волны акустического излучения в среде λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения.The first mention of focusing acoustic devices that form acousto-sharpness, as an analogue of a photonic jet in optics, was in RF patent 167049, an acoustic lens for forming a focusing area directly behind the shadow surface. The acoustic lens is designed to form a focusing area directly behind the shadow surface. The lens is made in the form of a three-dimensional particle, for example, in the form of a sphere, cylinder, cuboid, pyramid with characteristic dimensions of the order of the wavelength of acoustic radiation in the medium, with a relative speed of sound in the material of the particle of at least 1.1 and a relative wave impedance of at most 25. An acoustic lens forms the focusing area directly behind the shadow surface with dimensions in the transverse (relative to the direction of radiation propagation) direction at half the power level of the less classical diffraction limit - up to a quarter of the wavelength of acoustic radiation in the medium λ, and with the length of the focusing area (1-5) λ, than is achieved increasing the localization of the focused acoustic field to a subwave value.
В патенте РФ 170911 предложена газонаполненная акустическая линза в форме кубоида или сферы. При этом оболочка выполняется в форме кубика с размером ребра не менее λ/2, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83. При таких параметрах акустическая линза формирует на своей теневой стороне акустострую и может работать в звуковом диапазоне длин волн.In RF patent 170911, a gas-filled acoustic lens in the form of a cuboid or a sphere is proposed. In this case, the shell is made in the form of a cube with an edge size of at least λ / 2, and the filled substance of the shell has the speed of sound relative to the speed of sound in the environment, lying in the range from 0.5 to 0.83. With these parameters, an acoustic lens forms an acoustical edge on its shadow side and can operate in the sound wavelength range.
Сильная концентрация акустического излучения в области субволнового измерения широко исследуется для локализации и усиления взаимодействия акустического излучения и вещества в различных областях применения, таких как формирования изображений объектов с субдифракционным разрешением, в сканирующем акустическом микроскопе, для управления в пространстве нано и микрочастицами, в акустических датчиках, для неинвазивного лечения гипертермией опухолевых тканей, в печатающих головках акустических принтеров, в ультразвуковых устройствах для регистрации папиллярного узора пальца с высоким разрешением и т.д.The strong concentration of acoustic radiation in the subwavelength measurement area is widely studied to localize and enhance the interaction of acoustic radiation and matter in various applications, such as imaging objects with subdiffraction resolution, in a scanning acoustic microscope, for controlling nano and microparticles in space, in acoustic sensors. for non-invasive treatment of tumor tissues with hyperthermia, in printheads of acoustic printers, in ultrasonic devices for recording the papillary pattern of a finger with high resolution, etc.
В способе по патенту РФ 2654387, предложено для формирования изображений объектов с субдифракционным разрешением в акустическом диапазоне длин волн разместить в области фокусировки излучения формирующей системы мезомерную частицу с характерным размером, не превышающим поперечного размера фокусирующей области и не менее λ/2, где λ-длина волны используемого в среде излучения, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в среде в диапазоне от 0,5 до 0,83, на ее внешней границе из падающего излучения формируют область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и длиной не более 10λ и помещают в эту область объект наблюдения.In the method according to the RF patent 2654387, it is proposed to place a mesomeric particle with a characteristic size not exceeding the transverse size of the focusing region and not less than λ / 2 in the focusing region of the radiation of the forming system in the acoustic wavelength range for the formation of images of objects with subdiffraction resolution in the acoustic wavelength range, where λ is the length waves of radiation used in the medium, with the speed of sound in the material of the particle relative to the speed of sound in the medium in the range from 0.5 to 0.83, at its outer boundary a region with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ is formed from the incident radiation / 4 and length no more than 10λ and place the object of observation in this area.
Устройство, реализующий предложенный способ реализовано в сканирующем акустическом микроскопе, патент РФ 172340, которое выбрано в качестве прототипа. Сканирующий акустический микроскоп, содержит акустический преобразователь, расположенный на торце звукопровода с акустической плоско-вогнутой сферической линзой, расположенной на другом плоском конце звукопровода, мезоразмерной частицы с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83 размещенной в области фокуса плоско-вогнутой сферической линзы, приемный акустический преобразователь, иммерсионную среду, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве.A device that implements the proposed method is implemented in a scanning acoustic microscope, RF patent 172340, which is selected as a prototype. The scanning acoustic microscope contains an acoustic transducer located at the end of the acoustic duct with an acoustic plano-concave spherical lens located at the other flat end of the acoustic duct, a meso-sized particle with a characteristic size not exceeding the transverse size of the focusing area and not less than λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium, with the speed of sound in the material of the particle relative to the speed of sound in the environment, lying in the range from 0.5 to 0.83 placed in the focal area of a plano-concave spherical lens, a receiving acoustic transducer, an immersion medium, as well as systems for scanning the object under study and restoration his image on the video monitoring device.
Достоинством сканирующего акустического микроскопа является высокое поперечное разрешение, превышающее дифракционный предел.The advantage of a scanning acoustic microscope is its high transverse resolution exceeding the diffraction limit.
Недостатком устройства является низкое продольное разрешение и большие габариты устройства, обусловленные большим фокусным расстоянием линзы, составляющим более примерно от нескольких до сотен длин волн акустического излучения.The disadvantage of the device is the low longitudinal resolution and large dimensions of the device, due to the large focal length of the lens, which is more than approximately from several to hundreds of wavelengths of acoustic radiation.
В зависимости от того, какая часть излучения после взаимодействия с объектом регистрируется, различают акустические микроскопы «на отражение», на «пропускание».Depending on what part of the radiation after interaction with the object is recorded, acoustic microscopes are distinguished "for reflection", for "transmission".
Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является повышение продольного разрешения акустической формирующей системы.The problem solved by the proposed device is to increase the longitudinal resolution of the acoustic shaping system.
Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного устройства - улучшение разрешающей способности акустических систем построения изображения исследуемых объектов.The technical result that can be obtained by performing the claimed device is to improve the resolution of acoustic imaging systems for the objects under study.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в сканирующем акустическом микроскопе, содержащем акустический преобразователь, расположенный на торце звукопровода с акустической плоско-вогнутой сферической линзой, расположенной на другом конце звукопровода, мезоразмерной звукопроводящей частицы, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83 размещенной в области фокуса плоско-вогнутой сферической линзы, приемный акустический преобразователь, иммерсионнуюсреду, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на видеоконтрольном устройстве, новым является то, что непосредственно на торце звукопровода, противоположном передающему акустическому элементу, расположена линза в виде мезоразмерной звукопроводящей частицы в форме шара с диаметром d не менее 10λ, где λ - длина волны используемого излучения в среде, а на ее теневой поверхности вдоль оптической оси расположена вторая шарообразная мезоразмерная частица с диаметром, находящимся в диапазоне, примерно равном от 0.3 d до 0.45d, и формирующая акустострую. Кроме того, передающий и приемные акустические элементы могут быть совмещены. Кроме того, импеданс материала мезоразмерных частиц выбирают примерно равным импеданса иммерсионной среды. Кроме того, в качестве материала мезоразмерных частиц используется рексолит. Кроме того, в качестве материала звукопровода используется рексолит. Кроме того, торцевая поверхность звукопровода прилегающая к мезоразмерной звукопроводящей частице в форме шара, выполнена сферически вогнутой с радиусом равным d/2.The problem is solved due to the fact that in a scanning acoustic microscope containing an acoustic transducer located at the end of the acoustic duct with an acoustic flat-concave spherical lens located at the other end of the acoustic duct, a meso-sized sound-conducting particle, with the speed of sound in the material of the particle relative to the speed of sound in the environment , lying in the range from 0.5 to 0.83 placed in the focal area of a plano-concave spherical lens, a receiving acoustic transducer, an immersion medium, as well as a system for scanning an object under study and restoring its image on a video monitoring device, it is new that directly at the end of the the acoustic element, there is a lens in the form of a meso-sized sound-conducting particle in the shape of a sphere with a diameter d of at least 10λ, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium, and on its shadow surface along the optical axis is the second ball a roshaped mesoscale particle with a diameter in the range of approximately 0.3 d to 0.45 d and forming an acoustic wave. In addition, the transmitting and receiving acoustic elements can be combined. In addition, the impedance of the material of the meso-sized particles is chosen to be approximately equal to the impedance of the immersion medium. In addition, rexolite is used as a material for meso-sized particles. In addition, rexolite is used as the material for the sound conduit. In addition, the end surface of the acoustic duct adjacent to the meso-sized sound-conducting particle in the shape of a ball is made spherically concave with a radius equal to d / 2.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что если разместить вторую мезоразмерную зукопроводящую частицу со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83 в области акустоструи, то можно уменьшить ее протяженность.As a result of the studies carried out, it was found that if you place a second mesoscale conductive particle with the speed of sound in the material of the particle relative to the speed of sound in the environment, lying in the range from 0.5 to 0.83 in the region of the acoustic jet, then its length can be reduced.
При добавлении на теневую поверхность первой мезоразмерной частицы по ее оптической оси второй звукопроводящей частицы меньшего диаметра, увеличивается продольное разрешение фокусирующей системы. Было установлено, что в такой формирующей системе увеличилось поперечное разрешение примерно в 1.6 раза (0.36 λ), продольное разрешение примерно в 2 раза (1.26 λ), а интенсивность акустического поля возросла при этом в 4.7 раз.When adding to the shadow surface of the first meso-sized particle along its optical axis of the second sound-conducting particle of a smaller diameter, the longitudinal resolution of the focusing system increases. It was found that in such a shaping system, the transverse resolution increased by about 1.6 times (0.36 λ), the longitudinal resolution by about 2 times (1.26 λ), and the intensity of the acoustic field increased by 4.7 times.
При диаметре второй звукопроводящей частицы в форме шара менее примерно 0.3d, где d диаметр первой частицы, параметры формируемой акустоструи практически не изменяются. При диаметре второй звукопроводящей частицы в форме шара более примерно 0.45d, где d диаметр первой частицы, максимум интенсивности акустического поля формируется внутри материала частицы. При диаметре первой звукопроводящей частицы менее 10λ, диаметр второй частицы становится слишком малым и она не может формировать акустострую.When the diameter of the second sound-conducting particle in the form of a ball is less than about 0.3d, where d is the diameter of the first particle, the parameters of the formed acoustic jet practically do not change. When the diameter of the second sound-conducting ball-shaped particle is more than about 0.45d, where d is the diameter of the first particle, the maximum acoustic field intensity is formed inside the particle material. When the diameter of the first sound-conducting particle is less than 10λ, the diameter of the second particle becomes too small and it cannot form an acoustic wave.
При использовании в качестве иммерсионной среды воду, из-за малой разницы акустического импеданса по отношению к воде и с учетом результатов [J.H. Lopes, М.А.В. Andrade, J.P. Leao-Neto, J.C. Adamowski, I.V. Minin & G.T. Silva, Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Appl. 8, (2017), 024013.] целесообразно в качестве материала для звукопроводящих частиц и звукопровода использовать диэлектрический материал Rexolite. Его можно легко подвергнуть механической обработке. Это экологически чистый материал, так как не содержит вредных для него ингредиентов [C. Cadot, J.-F. Saillant, and B. Dulmet, Method for Acoustic Characterization of Materials in Temperature, in Proceedings of the 19th World Conference on Non-Destructive Testing 2016, Munich, 2016, http://ndt.net/?id-19542.; http://www.rexolite.com/general-qualities/].When using water as an immersion medium, due to the small difference in acoustic impedance in relation to water and taking into account the results [JH Lopes, MA V. Andrade, JP Leao-Neto, JC Adamowski, IV Minin & GT Silva, Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Appl. 8, (2017), 024013.] it is advisable to use a dielectric material Rexolite as a material for sound-conducting particles and acoustic conduit. It can be easily machined. It is an environmentally friendly material as it does not contain ingredients harmful to it [C. Cadot, J.-F. Saillant, and B. Dulmet, Method for Acoustic Characterization of Materials in Temperature, in Proceedings of the 19 th World Conference on Non-Destructive Testing 2016, Munich, 2016, http://ndt.net/?id-19542 .; http://www.rexolite.com/general-qualities/].
При моделировании использовались характеристики с типичными значениями скорости звука (C) и плотности (ρ) (Свода = 1500 м/с и ρвода = 1000 кг/м3). Для Rexolite продольная скорость звука ClRexolite = 337 м/с, поперечная скорость звука CsRexotite = 1157 м/с, а плотность ρRexolite = 1049 кг/м3 [O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, (2017), 54; J.H. Lopes, J.P.
В отличие от электромагнитных волн в упругой среде могут распространяться как продольные волны, при которых смещения частиц среды осуществляется в направлении распространения акустической волны, так и поперечные волны, у которых смещения частиц перпендикулярны распространению акустической волны [Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. - М.: Наука, 1981. - 287 с.].Unlike electromagnetic waves in an elastic medium, both longitudinal waves can propagate, in which the displacement of the particles of the medium is carried out in the direction of propagation of the acoustic wave, and transverse waves, in which the displacements of particles are perpendicular to the propagation of the acoustic wave [Viktorov I.A. Sound surface waves in solids. - M .: Nauka, 1981. - 287 p.].
Как правило, поперечная скорость звука примерно в два раза меньше продольной скорости звука.As a rule, the transverse speed of sound is about half the longitudinal speed of sound.
Из теории известно, что с увеличением относительного показателя преломления в акустике, формируемая акустоструя приближается к теневой границе звукопроводящей частицы и при значении примерно более 1.8 формируется внутри тела частицы. Таким образом, в первом приближении, для поперечной скорости звука формирование акустоструи может происходить только внутри тела частицы и не влияет на формирование акустоструи вне тела частицы.It is known from theory that with an increase in the relative refractive index in acoustics, the formed acoustic jet approaches the shadow boundary of a sound-conducting particle and, at a value of about more than 1.8, is formed inside the particle body. Thus, in the first approximation, for the transverse speed of sound, the formation of an acoustic jet can occur only inside the particle body and does not affect the formation of an acoustic jet outside the particle body.
На фиг. 1 схематически изображен сканирующий акустический микроскоп, работающий в режиме на отражение.FIG. 1 is a schematic representation of a scanning acoustic microscope operating in reflection mode.
На Фиг. 2. Приведены результаты формирования акустоструи звукопроводящей частицей в форме шара с диаметром 9λ и из материала с относительной продольной скорости звука равной 0.67 при облучении ее волной с плоским волновым фронтом (а). Акустоструя имеет протяженность примерно равную 2.85λ и поперечные размеры 0.6λ. На фиг. (б) к теневой поверхности первой частицы непосредственно присоединена вторая звукопроводящая частица диаметром примерно 3λFIG. 2. The results of the formation of an acoustic jet by a sound-conducting particle in the form of a sphere with a diameter of 9λ and from a material with a relative longitudinal speed of sound equal to 0.67 when it is irradiated by a wave with a plane wave front (a) are presented. The acoustic jet has a length of approximately 2.85λ and transverse dimensions of 0.6λ. FIG. (b) a second sound-conducting particle with a diameter of about 3λ is directly attached to the shadow surface of the first particle
Устройство сканирующего акустического микроскопа содержит генератор 1, пьезоэлектрический преобразователь 2, звукопровод 3, мезоразмерная звукопроводящая частица диаметра d 4, вторая мезоразмерная звукопроводящая частица 5, формируемую область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6, жидкостную ячейку (иммерсионная среда) 7, исследуемый объект 8, приемный акустический элемент 9, устройство механического сканирования 10, видеоконтрольное устройство 11.The device of a scanning acoustic microscope contains a
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Сканирующий акустический микроскоп содержит в качестве передающего акустического элемента звукопровод из рексолита с пьезоэлектрическим преобразователем из LiNBO3 2, мезоразмерную звукопроводящую частицу диаметра d 4 и вторую мезоразмерную звукопроводящую частицу из рексалита в форме шарика 5. Внешняя поверхность первой мезоразмерной звукопроводящей частицы 4, мезоразмерная частица 5 и исследуемый объект 8 находятся в жидкостной ячейке 7. Сигнал с генератора 1 возбуждает пьезопреобразователь 2 на необходимой частоте. В фокальной плоскости второй мезоразмерной частицы 5 установлен исследуемый объект 8. Формируемая ею область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким пространственным разрешением 6 сканируется исследуемый объект 8 с помощью сканирующего устройства 10. Приемный элемент 7, выполненный, например, из из LiNBO3 Принятый сигнал, синхронизированный со сканирующим устройством 10, подается на видеоконтрольное устройство 11.The scanning acoustic microscope contains, as a transmitting acoustic element, a sound conductor made of rexolite with a piezoelectric transducer made of
Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 1 МГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в материала частицы может использоваться рексолит (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0.645, формы частиц шарообразная с характерным размером 9λ и 3λ. Было установлено, что в предлагаемом устройстве достигнуто поперечное разрешение, превышающее поперечное разрешение по прототипу в 1.6 раза. Достигнуто продольное разрешение, превышающее продольное разрешение по прототипу в 2 раза.Comparison of the prototype and the proposed device was carried out at a frequency of 1 MHz with a liquid cell made of water at 25 ° C (speed of sound 1490 m / s), the material of the particle can use rexolite (speed of sound 2311 m / s), the relative speed of sound 0.645, the particle shape is spherical with a characteristic size of 9λ and 3λ. It was found that the proposed device achieved a transverse resolution exceeding the transverse resolution of the prototype by a factor of 1.6. A longitudinal resolution is achieved, which is 2 times higher than the prototype longitudinal resolution.
Кроме того, повышение пространственного разрешения в предлагаемом устройстве приводит к одновременному повышению интенсивности акустического поля на объекте исследования без повышения интенсивности излучения источника акустического поля.In addition, an increase in the spatial resolution in the proposed device leads to a simultaneous increase in the intensity of the acoustic field at the research object without increasing the radiation intensity of the source of the acoustic field.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020142921A RU2756411C2 (en) | 2020-03-04 | 2020-03-04 | Scanning acoustic microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020142921A RU2756411C2 (en) | 2020-03-04 | 2020-03-04 | Scanning acoustic microscope |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2020142921A RU2020142921A (en) | 2021-09-06 |
| RU2020142921A3 RU2020142921A3 (en) | 2021-09-06 |
| RU2756411C2 true RU2756411C2 (en) | 2021-09-30 |
Family
ID=77663062
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020142921A RU2756411C2 (en) | 2020-03-04 | 2020-03-04 | Scanning acoustic microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2756411C2 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3927557A (en) * | 1974-05-30 | 1975-12-23 | Gen Electric | Acoustic imaging apparatus with liquid-filled acoustic corrector lens |
| SU832449A1 (en) * | 1979-07-26 | 1981-05-23 | Институт Радиотехники И Электроникиан Cccp | Scanning acoustic microscope |
| US4989454A (en) * | 1988-06-20 | 1991-02-05 | Olympus Optical Co., Ltd. | Scanning apparatus for a scanning microscope |
| SU1803853A1 (en) * | 1990-04-06 | 1993-03-23 | Fryazinskij Tsnii Tsiklon | Method of control of focused ultrasonic field pattern |
| RU167049U1 (en) * | 2016-05-16 | 2016-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE |
| RU172340U1 (en) * | 2017-04-13 | 2017-07-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Scanning Acoustic Microscope |
-
2020
- 2020-03-04 RU RU2020142921A patent/RU2756411C2/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3927557A (en) * | 1974-05-30 | 1975-12-23 | Gen Electric | Acoustic imaging apparatus with liquid-filled acoustic corrector lens |
| SU832449A1 (en) * | 1979-07-26 | 1981-05-23 | Институт Радиотехники И Электроникиан Cccp | Scanning acoustic microscope |
| US4989454A (en) * | 1988-06-20 | 1991-02-05 | Olympus Optical Co., Ltd. | Scanning apparatus for a scanning microscope |
| SU1803853A1 (en) * | 1990-04-06 | 1993-03-23 | Fryazinskij Tsnii Tsiklon | Method of control of focused ultrasonic field pattern |
| RU167049U1 (en) * | 2016-05-16 | 2016-12-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE |
| RU172340U1 (en) * | 2017-04-13 | 2017-07-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Scanning Acoustic Microscope |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2020142921A (en) | 2021-09-06 |
| RU2020142921A3 (en) | 2021-09-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lopes et al. | Focusing acoustic beams with a ball-shaped lens beyond the diffraction limit | |
| US8596410B2 (en) | Solid-state acoustic metamaterial and method of using same to focus sound | |
| JP3868724B2 (en) | Ultrasound angioscope system | |
| RU167049U1 (en) | ACOUSTIC LENS FOR FORMING A FOCUS AREA DIRECTLY FOR THE SHADOW SURFACE | |
| JP2000517414A (en) | Method and apparatus for three-dimensional ultrasonic microscopy using short pulse excitation and three-dimensional ultrasonic microscope used therein | |
| Minin et al. | Mesoscale acoustical cylindrical superlens | |
| CN111948297A (en) | Photoacoustic and ultrasonic dual-mode high-resolution microscopic imaging system and method | |
| RU172340U1 (en) | Scanning Acoustic Microscope | |
| Bruneel et al. | Ultrafast echotomographic system using optical processing of ultrasonic signals | |
| RU2756411C2 (en) | Scanning acoustic microscope | |
| US4779241A (en) | Acoustic lens arrangement | |
| CN110584713B (en) | Super-resolution ultrasonic microscope | |
| WO2013183247A1 (en) | Acoustooptic imaging device | |
| RU175684U1 (en) | Acoustic sensor | |
| RU2735916C1 (en) | Scanning acoustic microscope | |
| Minin et al. | A Method to Improve the Resolution of the Acoustic Microscopy | |
| RU203369U1 (en) | Ultrasonic cleaning device | |
| RU2747917C1 (en) | Acoustic microscope | |
| SU832449A1 (en) | Scanning acoustic microscope | |
| Leão-Neto et al. | Development and characterization of a superresolution ultrasonic transducer | |
| RU2654387C1 (en) | Method for forming image objects with subdiffractional resolution in acoustic range of wavelengths | |
| Sherar et al. | Ultrasound backscatter microscopy | |
| RU218305U1 (en) | Device for focusing radiation into a curved region in the form of an acoustic hook | |
| Lirette et al. | Focal zone characteristics of stepped Fresnel and axicon acoustic lenses | |
| RU197438U1 (en) | Subwave focusing device for surface elastic waves |