RU34794U1

RU34794U1 - ACOUSTIC MICROSCOPE HEAD

Info

Publication number: RU34794U1
Application number: RU2003126635/20U
Authority: RU
Inventors: В.В. Петров; С.А. Лапин; В.Ю. Чирков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Эксцентр"
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2003-12-10

Description

ГОЛОВКА ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО МИКРОСКОПАACOUSTIC MICROSCOPE HEAD

Полезная модель относится к области неразрушающих ультразвуковых методов контроля и может быть испол; зовано в приборах различного назначения, например, акустиче :их микроскопах и ультразвуковых дефектоскопах.The utility model relates to the field of non-destructive ultrasonic testing methods and can be used; It is used in instruments for various purposes, for example, acoustically: their microscopes and ultrasonic flaw detectors.

Известна головка для акустического микроскопа, содержащая основание, одна из торцевых поверхностей которого имеет вогнутую сферическую поверхность, контактирующая с иммерсионной средой, а на другой расположен дискообразный пьезоизлучатель. (Ультразвук. Маленькая энциклопедия. /Под ред. И.П. Голяминой. - М.: Сов. энциклопедия, 1979, с. 217. 2. Дорожкин Л.М., Дороженко B.C. и др. Пленочный фокусирующий преобразователь для акустического микроскопа).A known head for an acoustic microscope containing a base, one of the end surfaces of which has a concave spherical surface in contact with the immersion medium, and a disk-shaped piezo-emitter is located on the other. (Ultrasound. Little Encyclopedia. / Ed. By I.P. Golyamina. - M.: Sov. Encyclopedia, 1979, p. 217. 2. Dorozhkin LM, Dorozhenko BC, etc. Film focusing transducer for acoustic microscope) .

Недостатком этого устройства является низкая разрешающая способность, вследствие существования боковых лепестков высокой амплитуды в диаграмме направленности пьезоизлучателя, что обусловлено дискообразной конструкцией последнего.The disadvantage of this device is the low resolution, due to the existence of side lobes of high amplitude in the radiation pattern of the piezo emitter, due to the disk-shaped design of the latter.

Известен также фокусирующий акустический преобразователь (Патент РФ .№ 2091185, МПК В06ВЗ/04), состоящий из основания с выполненной в виде тела вращения фокусирующей поверхностью на стороне, обращенной к исследуемому образцу, и нанесенным на эту поверхность слоем пьезоэлектрического материала и иммерсионной средой.Also known is a focusing acoustic transducer (RF Patent. No. 2091185, IPC V06VZ / 04), consisting of a base with a focusing surface made in the form of a body of revolution on the side facing the test sample and a layer of piezoelectric material and immersion medium deposited on this surface.

Недостаток, описанный выще, характерен также и для данного преобразователя.The disadvantage described above is also characteristic of this converter.

Наиболее близким к заявляемому является (Патент Японии № 427500, GO 1 N29/24) объектив для фокусирования ультразвуковых лучей в акустическом микроскопе, содержащий основание, на одном из торцов которого имеется сферический участок, контактирующий со звукопроводящей средой, а на противоположном торце основания, расположен пьезоизлучатель, при этом на поверхности сферического участка сформирована пленка из специально обработанного халькогенного стекла.Closest to the claimed one is (Japanese Patent No. 427500, GO 1 N29 / 24), an objective for focusing ultrasonic rays in an acoustic microscope, comprising a base, at one end of which there is a spherical portion in contact with the sound-conducting medium, and located on the opposite end of the base a piezo emitter, while on the surface of the spherical portion a film of specially treated chalcogen glass is formed.

Данное устройство характеризуется также невысоким пространственным разрешением.This device is also characterized by low spatial resolution.

Задачей полезной модели является повыщение разрещающей способности устройства за счет введения дополнительных пьезоизлучающих элементов оригинальной формы, которая обеспечивает в процессе работы подавление паразитных боковых лепестков в диаграмме направленности пьезоизлучателя при сохранении-.The objective of the utility model is to increase the resolving power of the device by introducing additional piezo-emitting elements of the original shape, which ensures the suppression of spurious side lobes in the directional pattern of the piezo-emitter while maintaining -.

г 5 05 1 г 6 6 3 5g 5 05 1 g 6 6 3 5

G1 OKI 1/30 G1 OKI 1/30

чувствительности устройства, обеспечивающейся высокой эффективностью электроакустического преобразования сигналов.sensitivity of the device, providing high efficiency electro-acoustic signal conversion.

Поставленная задача решается тем, что в головке для акустического микроскопа, содержащей основание, один из торцов которого имеет, по крайней мере, одну фокусирующую поверхность, а на другом расположен, по крайней мере, один дискообразный пьезоизлучатель, согласно предлагаемого решения, введены дополнительно не менее двух пр.езоизлучателей кольцеобразной формы, расположенных коаксиапьно относительно фокусирующей поверхности и дискообразного пьезоизлучателя и совпадающих с ним по толщине, при этом внутренний и внещний радиусы каждого из кольцеобразных пьезоизлучателей относятся как 2:3, а величина зазоров между пьезоизлучателями не превыщает их толщины.The problem is solved in that in the head for an acoustic microscope containing a base, one of the ends of which has at least one focusing surface, and at least one disk-shaped piezo-emitter is located on the other, according to the proposed solution, no less than two other annular emitters located coaxially relative to the focusing surface and the disk-shaped piezoelectric emitter and coinciding in thickness with the inner and outer radii of each of ring-shaped piezoelectric emitters are treated as 2: 3, and the gap between the piezoelectric emitters does not exceed their thickness.

Пьезоизлучатели выполнены многослойными, при этом последовательности толщин слоев в каждом из пьезоэлементов выполнены повторяющимися.The piezoelectric emitters are made multilayer, while the sequence of thicknesses of the layers in each of the piezoelectric elements is made repeating.

Основание выполнено с поперечным размером D, который определяют из следующего соотношения: и продольным размером L , который определяют из соотнощения где - R радиус пьезоизлучателя. а Л - длина акустической волны в материале основания.The base is made with a transverse dimension D, which is determined from the following relation: and a longitudinal dimension L, which is determined from the relation where - R is the radius of the piezo emitter. and L is the length of the acoustic wave in the base material.

Разрешающая способность повышается также за счет определения геометрических размеров основания - продольных и поперечных, которые подчиняются соответствующим соотнощсниям, а именно: поперечный размер основания не должен превыщать 75 отношений радиуса пьезоизлучателя к длине акустической волны в материале основания, а продольный размер - может достигать 1000 длин акустических волн в материале основания. Это устраняет переотражение и рассеяние акустических волн стенками основания и увеличивает, тем самым отношение сигнал - щум, что, в свою очередь, приводит к увеличению разрешающей способности акустического объектива.Resolution also increases by determining the geometric dimensions of the base — longitudinal and transverse, which obey the corresponding relationships, namely: the transverse size of the base should not exceed 75 ratios of the radius of the piezoelectric transducer to the length of the acoustic wave in the base material, and the longitudinal size can reach 1000 lengths of acoustic waves in the base material. This eliminates the re-reflection and scattering of acoustic waves by the walls of the base and thereby increases the signal-to-noise ratio, which, in turn, leads to an increase in the resolution of the acoustic lens.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства в продольном разрезе; на Фиг 2. показан вид сверху на акустический объектив; на Фиг 3. приведена диаграмма направленности акустического объектива заявляемого устройства (1) в сравнении с прототипом (2).The inventive device is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows the design of the inventive device in longitudinal section; figure 2. shows a top view of the acoustic lens; figure 3. shows the directivity of the acoustic lens of the inventive device (1) in comparison with the prototype (2).

Позициями на чертежах обозначены: 1 - основание; 2 - фокусирующая поверхность; 3,4 - пьезоизлучателиThe positions in the drawings indicate: 1 - base; 2 - focusing surface; 3.4 - piezo emitters

(R/Л) (R / L)

L 1000 (R/Л), L 1000 (R / L),

прямоугольные параллелепипеды), один из торцов которого имеет фокусирующую поверхность 2, а на другом расположены дискообразный и не менее двух кольцеобразных пьезоизлучателей коаксиально с фокусирующей поверхностью. Пьезоизлучатели имеют одинаковую толщину. Внутренний и внещний радиусы каждого из кольцеобразных пьезоизлучателей относятся как 2:3. Величина зазоров между пьезоизлучателями не превыщает их толщины.rectangular parallelepipeds), one of the ends of which has a focusing surface 2, and on the other there are disk-shaped and at least two ring-shaped piezo-emitters coaxially with the focusing surface. Piezo emitters have the same thickness. The internal and external radii of each of the ring-shaped piezo-emitters are 2: 3. The size of the gaps between the piezoelectric emitters does not exceed their thickness.

В одном из вариантов пьезоизлучатели могут быть выполнены многослойными, при этом количество слоев определяется условиями электрического согласования пьезоизлучателя с линией, подводящей к нему электромагнитную энергию, и акустического согласования пьезоизлучателя с основанием объектива. Последовательности толщин слоев в каждом из пьезоизлучателей выполнены повторяющимися.In one embodiment, the piezoelectric emitters can be multilayered, the number of layers being determined by the conditions of electric matching of the piezoelectric emitter with a line that supplies electromagnetic energy to it, and acoustic matching of the piezoelectric emitter with the base of the lens. The sequence of layer thicknesses in each of the piezoelectric emitters is made repeating.

Наилучшими характеристиками обладает заявляемое устройство, в котором основание имеет продольный L и поперечный D размеры, подчиняющиеся следующим соотношениямThe claimed device has the best characteristics, in which the base has longitudinal L and transverse D dimensions, obeying the following relations

(R/A), (R/A),(R / A), (R / A),

ГДР - R радиус пьезоизлучателя, а Л - длина акустической волны в материале основания.GDR - R is the radius of the piezoelectric emitter, and L is the length of the acoustic wave in the base material.

Количество пьезоизлучателей, равное количеству фокусирующих поверхностей, определяется структурной схемой измерительной установки, в которой используется заявляемое устройство. Увеличение количества пьезоизлучателей, имеющих геометрию, соответствующую заявляемой, наряду с увеличением разрешающей способности, приводит к увеличению скорости обработки сигиалов, содержащих информацию об исследуе .ом объекте, с помощью акустического микроскопа, содержащего заявляемое устройство.The number of piezoelectric emitters, equal to the number of focusing surfaces, is determined by the structural diagram of the measuring installation, in which the inventive device is used. An increase in the number of piezoelectric emitters having a geometry corresponding to the claimed one, along with an increase in resolution, leads to an increase in the processing speed of sigials containing information about the object under study using an acoustic microscope containing the inventive device.

Устройство по П.П.1 и 2 работает следующим образом. Электрический сигнал, подведенный к пьезоизлучателям 3 и 4, включенным электрически параллельно, преобразуется в акустическое поле, имеющее пространственную форму пучка, распространяющегося вдоль основания 1 до фокусирующей поверхности 2. Для уменьшения акустического затухания при работе устройства между объективом и исследуе-аым объектом /вьодится иммерсионная жидкостъ. Акустические волны претерпевают преломление на границах разделов: материал основания - иммерсионная жидкость и иммерсионная жидкость - исследуемый объект. Акустический пучок фокусируется на поверхности исследуемого объекта или внутри объекта на заданномThe device according to PP.1 and 2 works as follows. The electrical signal, connected to the piezo-emitters 3 and 4, connected electrically in parallel, is converted into an acoustic field having a spatial beam shape propagating along the base 1 to the focusing surface 2. To reduce the acoustic attenuation during operation of the device between the lens and the object under study, an immersion liquid. Acoustic waves undergo refraction at the interfaces: the base material is immersion liquid and immersion liquid is the object under study. The acoustic beam focuses on the surface of the object under study or inside the object at a given

расстоянии от его поверхности. Акустическая волна, отраженная от локальных неоднородностей на поверхности или под поверхностью исследуемого образца возвращается по тому же пути в обратном направлении: исследуемый объект иммерсионная жидкость - основание объектива - пьезоизлучатели, где преобразуется в электромагнитный сигнал, несущий информацию об исследуемом объекте.distance from its surface. An acoustic wave reflected from local inhomogeneities on the surface or under the surface of the test sample returns in the same direction in the opposite direction: the object under investigation is immersion liquid — the base of the lens — piezo-emitters, where it is converted into an electromagnetic signal that carries information about the object under study.

Повышение разрешающей способности объектива происходит за счет подавления, примерно на порядок, интенсивности боковых лепестков в диаграмме направленности пьезоизлучателя в сравнении с дискообразным пьезоизлучателем, что обеспечивается введением не менее двух дополнительных пьезоизлучателей кольцеобразной формы, располож нных коаксиально с фокусирующей поверхностью и с дискообразным пьезоизлучателем и имеющих отнощения внутреннего радиуса к внещнему в каждом кольце, равные 2/3.An increase in the resolution of the lens occurs by suppressing, by approximately an order of magnitude, the intensity of the side lobes in the directional pattern of the piezoelectric radiator in comparison with the disk-shaped piezoelectric radiator, which is ensured by the introduction of at least two additional piezoelectric emitters of a ring-shaped shape located coaxially with the focusing surface and with the disk-shaped piezoelectric radiator and having relative inner radius to the outer in each ring, equal to 2/3.

На Фиг. 3. Приведены угловые спектры излучения пьезоизлучателей (1) - в объективе с дискообразным пьезоизлучателем и (2) - в заявляемом устройстве. На графике даны распределения интенсивности излучения (/) в зависимости от синуса угла между нормалью к плоскости пьезоизлучателя и направлением распространения акустиче гой волны (w).In FIG. 3. The angular emission spectra of piezoelectric emitters are given (1) in a lens with a disk-shaped piezo emitter and (2) in the inventive device. The graph shows the distribution of radiation intensity (/) depending on the sine of the angle between the normal to the plane of the piezoelectric emitter and the direction of propagation of the acoustic wave (w).

График на Фиг. 3. наглядно демонстрирует уменьшение на порядок уровня интенсивности боковых лепестков (2) первого порядка в заявляемом устройстве в сравнении с уровнем интенсивности боковых лепестков (1) первого порядка в объективе с дискообразным пьезоизлучателем. Подавление боковых лепестков в диаграмме направленности пьезоизлучателя приводит к увеличению разрешающей способности акустического объектива при сохранении высокой чувствительности устройства за счет эффективного электроакустического преобразования сигналов.The graph in FIG. 3. clearly demonstrates a decrease by an order of magnitude of the intensity of the side lobes (2) of the first order in the inventive device in comparison with the level of intensity of the side lobes (1) of the first order in the lens with a disk-shaped piezo-emitter. The suppression of the side lobes in the radiation pattern of the piezoelectric emitter leads to an increase in the resolution of the acoustic lens while maintaining high sensitivity of the device due to the effective electro-acoustic signal conversion.

Расчеты, а также экспериментальные исследования показывают, что при поперечном размере основания линзы, меньшем, чем 75 отношений радиуса пьезоизлучателя к длине акустической волны в материале основания, происходит «касание акустическим пучком стенок основания и, как следствие, переотражение и рассеяние акустических волн стенками основания, что приводит к ухудшению отношения сигнал - шум, дополнительному искажению информационного импульса и, в конечном счете, - к ухудшению разрешающей способности акустического объектива. ПринятиеCalculations, as well as experimental studies, show that when the transverse size of the lens base is less than 75 ratios of the radius of the piezoelectric transducer to the length of the acoustic wave in the base material, “the acoustic beam touches the walls of the base and, as a consequence, the re-reflection and scattering of the acoustic waves by the base walls, which leads to a deterioration in the signal-to-noise ratio, an additional distortion of the information pulse, and, ultimately, to a deterioration in the resolution of the acoustic lens. Adoption

поперечных размеров основания, превыщающими 75 отнощений радиуса пьезоизлучателя к длине акустической волны в материале основания, при продольном размере основания, достигающим 1000 отношений радиуса пьезоизлучателя к длине акустической волны вtransverse dimensions of the base, exceeding 75 ratios of the radius of the piezoelectric transducer to the length of the acoustic wave in the base material, with a longitudinal size of the base reaching 1000 ratios of the radius of the piezoelectric transducer to the length of the acoustic wave in

материале звукопровода, приводит к устранению указанных эффектов и, как следствие, к увеличению разрешающей способности.the material of the sound duct, eliminates these effects and, as a result, increases the resolution.

Продольный размер основания является оптимальным в пределах указанного значения. Превышение продольного размера указанного значения приводит к возникновению дополнительных искажений за счет значительной пространственной расходи.ости акустического гххчка.The longitudinal size of the base is optimal within the specified value. Exceeding the longitudinal size of the indicated value leads to the appearance of additional distortions due to the significant spatial divergence of the acoustic gyroscope.

Пример конкретного вьшолнения.An example of a specific implementation.

Акустический объектив, рассчитанный на центральную частоту 100 МГп, имеюший пьезоизлучатель с полосой частот 100 МГц (50 - 150 МГц), выполненный из кристалла ниобата лития YZ+36° среза и размещенный на одном из торцов основания объектива, которое изготовлено из плавленого кварца длиной 20 мм и диаметром 12 мм, имеет фокусирующую поверхность на другом из торцов основания. Диаметр фокусирующей апертуры 4 мм, радиус кривизны вогнутой поверхности составляет 5 мм, угловая апертура акустического излучения в воде составляет 17.5 градусов. Диаметр пьезоизлучателя дискового типа составляет 4.50 мм. Внутренний диаметр первого кольца пьезоизлучателя составляет 4.55 мм, а внешний диаметр первого кольца 6.75 мм. Внутренний диаметра второго кольца пьезоизлучателя равен 6.80 мм, а внешний диаметр 10.12 мм. Длина звуковой волны в плавленом кварце на частоте 100 МГц равна 59.6 микрометра. При подведении к пьезоизлучателю импульса длительностью 10 наносекунд и амплитудой 3 вольта, импульсный отклик от плоской отражающей поверхности имеет амплитуду 50 милливольт. Длительность импульсного отклика в случае объектива с дискообразным пьезоизлучателем составляет, примерно 15 наносекунд, а в случае заявляемого устройства исходный импульс, практически не искажается, и его длительность остается, примерно равной 12 наносекундам.An acoustic lens designed for a center frequency of 100 MGp, having a piezoelectric transducer with a frequency band of 100 MHz (50 - 150 MHz), made of lithium niobate crystal YZ + 36 ° cut and placed on one of the ends of the lens base, which is made of fused silica 20 mm and a diameter of 12 mm, has a focusing surface on the other of the ends of the base. The diameter of the focusing aperture is 4 mm, the radius of curvature of the concave surface is 5 mm, and the angular aperture of acoustic radiation in water is 17.5 degrees. The diameter of the piezoelectric disk type is 4.50 mm. The inner diameter of the first ring of the piezo emitter is 4.55 mm, and the outer diameter of the first ring is 6.75 mm. The inner diameter of the second piezoelectric emitter ring is 6.80 mm, and the outer diameter is 10.12 mm. The sound wavelength in fused quartz at a frequency of 100 MHz is 59.6 micrometers. When an impulse of 10 nanoseconds and an amplitude of 3 volts is supplied to the piezo emitter, the impulse response from a flat reflecting surface has an amplitude of 50 millivolts. The duration of the impulse response in the case of a lens with a disk-shaped piezo emitter is approximately 15 nanoseconds, and in the case of the inventive device, the initial pulse is practically not distorted, and its duration remains approximately equal to 12 nanoseconds.

При поперечном размере основания, равном 12 мм и продольном размере 20 мм, акустический пучок не касается стенок основания и отношение сигнал - щум составляет, примерно 60 децибел, тогда как при выполнении основания с поперечным размером, меньшим 10.5 мм, происходит резкое уменьшение отношения сигнал - шум до значений в 30 децибел, что искажает информацию об исследуемом объекте.With a transverse size of the base equal to 12 mm and a longitudinal size of 20 mm, the acoustic beam does not touch the walls of the base and the signal-to-noise ratio is approximately 60 decibels, while when the base is made with a transverse size less than 10.5 mm, the signal-to-ratio ratio decreases sharply - noise to values of 30 decibels, which distorts information about the object under study.

Заявляемое устройство отличается повышенной разрешающей способностью, что позволяет использовать его в акустических микроскопах, работающих на высоких частотах для анализа микрообъекгов, в том числе, в биофизике и биомедицине.The inventive device is characterized by high resolution, which allows it to be used in acoustic microscopes operating at high frequencies for the analysis of microobjects, including in biophysics and biomedicine.

Claims

1. The head for an acoustic microscope containing a base, one of the ends of which has at least one focusing surface, and on the other is at least one disk-shaped piezo-emitter, characterized in that at least two more piezo-shaped annular forms located coaxially relative to the focusing surface and the disk-shaped piezoelectric radiator and coinciding in thickness with it, while the inner and outer radii of each of the ring-shaped piezoelectric radiators are as 2: 3, and the gap between the piezoelectric emitters does not exceed their thickness.

2. The head for an acoustic microscope according to claim 1, characterized in that the piezoelectric emitters are made multilayer, while the sequence of thicknesses of the layers in each of the piezoelectric elements is made repeating.

3. The head for an acoustic microscope according to claim 1, characterized in that the base is made with a transverse dimension D, which is selected from the following ratio:

D≥75 (R / Λ)

and a longitudinal dimension L, which is determined from the ratio

L≤1000 (R / Λ),

where - R is the radius of the piezoelectric emitter, and Λ is the length of the acoustic wave in the base material.