Способ измерения обобщенной апертурной функции ультразвукового элемента сканирующего акустического микроскопа Советский патент 1990 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относятся к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля качества ультразвуковых элементов микроскопов при их производстве, а также для исследования параметров акустических микроизображений.

Целью изобретения является расширение области использования за счет J измерения обобщенной апертурной функции ультразвукового элемента в случае его осевой несимметричности.

На фиг.. 1 представлена схема измерения обобщенной апертурной функции „ ультразвукового элемента} на фиг.2 - функциональная схема устройства для реализации способа; на фиг.З - графические зависимости, поясняющие способ.

Способ измерения обобщенной 2 турной функции (ОАФ) ультразвукового элемента сканирующего акустического микроскопа заключается в том, что формируют на рабочей частоте микроскопа ультразвуковое излучение в виде плос- 2 ких волн, распространяющееся в иммерсионной среде в направлении ультразвукового элемента, меняют направление волнового вектора плоской волны, при этом регистрируют выходной электрический сигнал ультразвукового элемента, по полученной зависимости определяют ОАФ.

На схеме измерения ОАФ (фиг.1) обозначены: 1 - излучатель плоских ультразвуковых волн; (X0,Y0) - фокальная плоскость, k0 - волновой вектор плоской волны; 0 х, 9 и - углы, образуемые вектором k0 с осями Х0, Y0 соответственно; Z - акустическая ось.

Плоская волна создает в фокальной плоскости (XU,Y0-) распределение поля U(X0,Y0), представимое в виде

U(X0,Y0) V0exp i(kxX0+kuY0), (D где kx k0cos

.os84,(2)

а величина VQ не зависит от координат W50

При этом спектральная плотность распределения (1) определяется соотношением - V(f,,,fy) F{U(Xe,X,)J ..-,,)

(27frk) ,(3) 55

где символ Ff J - двумерное преобразование Фурье; символ 8( ) - дельта-функцию.

Достигнув ультразвукового элемента, волна преобразуется им в электрический сигнал V, который регистрируется.

Электрический сигнал V, используемый в сканирующем акустическом микроскопе для формирования изображения образца, положение которого определяется координатами сканирования X,Y , .можно представить в виде свертки, + °°

V(XS V J jh(Xo VU X5-Xo. VYo

U)

- импульсный отклик ультразвукового элемента, равный выходному сигналу, вызываемому точечным источником с координатами (X0,Y0) .

Отклик h(X0,Y0) можно выразить Фурье - образом обобщенной апертурной функцииG(X,Y) с помощью соотношения

Г

h(x0,Y0) F|G (X, JJ G(X,Y)X

„/. /Xo,, YO -2,,i(-X + dXdY,

(5)

где f

фокусное расстояние ультразвукового элемента; длина ультразвуковой волны в иммерсионной среде на рабочей частоте микроскопа. Из соотношения (5) следует, что функция G(X,Y) имеет смысл когерентной передаточной функции ультразвукового элемента микроскопа

FfhCX Y,)} K, G(-ftffx,-ftff.j) ,(6) где К, - постоянный множитель.

Тогда, с учетом соотношений (3), (4) и (6) спектральная плотность изображения V(Xc,Y5): (X5,YS )} F{h(X0,Y0 )Я. х х ,Y0),VGCHffx,flffn ) х x() &(k«-27fy ) . Э (7) Отсюда, для v(X,Y5) имеет место соотношение

V(X5,Y5 ) K2G(f ||, f |j)exp i(k,X5+

) ,(8)

где К2 - постоянный множитель.

В рассматриваемом способе используется несканирующий режим работы, поэтому можно положить 0.Тогда, с учетом (2) из соотношения (8) еле-, дует

V(0,0) K2G(f cos0x, f cos$a) .

Из соотношения (9) следует, что выходной сигнал ультразвукового элемента пропорционален ОАФ в точке, координата которой (f cosQ, f cosQu ) зависит от направления распространения волны. В процессе измерения направления волнового вектора необходимо для осуществления фазовых измерений,

в иммерсионной среде 8. Далее эти волны преобразуются акустической линзой 10, проходят звукопровод 12 и принимаются ультразвуковым преобразователем 11. Полученные на его выходе импульсные радиосигналы выделяются селектором 5 на фоне электромагнитных помех и сигналов переотражения и посконтролировать значение фазы излучае- JQ тупают в приемник 6, где подвергаются

обработке.

В качестве приемника 6 и генератора 4 могут быть использованы приемопередающие устройства микроскопа, работающего в обычном режиме.

На фиг.З представлен (кривая А) результат измерения модуля ОАФ. Ось симметрии кривой А существенно смещена относительно акустической оси ультмой волны в фокусе ультразвукового элемента.

Таким образом, регистрируя амплитуду и фазу выходного сигнала ультразвукового элемента как функции направления волнового вектора плоской волны, определяют с точностью до постоянного множителя ОАФ.

Устройство для реализации способа

5

в иммерсионной среде 8. Далее эти волны преобразуются акустической линзой 10, проходят звукопровод 12 и принимаются ультразвуковым преобразователем 11. Полученные на его выходе импульсные радиосигналы выделяются селектором 5 на фоне электромагнитных помех и сигналов переотражения и пос

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является расширение области использования за счет измерения обобщенной апертурной функции ультразвукового элемента в случае его осевой несимметричности. Излучателем 1 формируют на рабочей частоте микроскопа плоскую ультразвуковую волну, распространяющуюся в иммерсионной среде в направлении ультразвукового элемента микроскопа. Меняя направление волнового вектора R 0 плоской волны, регистрируют выходной электрический сигнал ультразвукового элемента микроскопа. Показано, что для плоской волны по зависимости амплитуды и фазы выходного сигнала ультразвукового элемента от направления волнового вектора R 0 определяют с точностью до постоянной обобщенную апертурную функцию (ОАФ) ультразвукового элемента. Поскольку угол наклона вектора R 0 меняют в двух плоскостях, то тем самым измеряются также и азимутальные зависимости ОАФ, обеспечивая, таким образом, возможность измерения ОАФ также и в случае значительной несимметричности ультразвукового элемента относительно акустической оси, что расширяет область использования способа, обеспечивая тем самым положительный эффект. 3 ил.

содержит (фиг.2) излучатель 1 плоских 20 развукового элемента, что может вызы25

ультразвуковых волн (излучатель 1), состоящий из ультразвукового преобразователя 2 и эвукопровода 3, генератор 4 радиоимпульсов, выход которого соединен с входом преобразователя 2, последовательно соединенные селектор 5 и приемник 6, механизм 7 поворота, на котором закреплен излучатель 1, иммерсионную среду 8, предназначенную для обеспечения акустического контакта™ излучателя 1 с объектом исследования. Механизм 7 поворота обеспечивает возможность поворота излучателя 1 в двух плоскостях.

Перед началом измерений исследуемый объект - ультразвуковой элемент 9 микроскопа, состоящий из акустической линзы 10 и ультразвукового преобразователя 11, соединенных звукопроводом 12, устанавливают в устройстве таким образом, что иммерсионная среда 8 обеспечивает акустический контакт излучателя 1 с поверхностью акустической линзы 10. Выход ультразвукового преобразователя 11 подключают к входу селектора 5. При этом для обеспечения возможности фазовых измерений ультразвуковой элемент 9 юстируется так, чтобы его фокус совпадал с пересечением осей, относительно которых осуществляется поворот излучателя 1.

Устройство работает следующим образом.

Последовательность радиоимпульсов,

35

40

45

50

ваться, например, погрешностью взаимного расположения преобразователя и линзы. Поскольку в данном эксперименте радиус преобразователя выбран существенно меньшим радиуса линзы, то ОАФ определяется, главным образом, распределением поля преобразователя ультразвукового элемента в задней фокальной плоскости акустической линзы, а не функцией зрачка последней.

На фиг.З представлена также кривая В, полученная расчетным путем для случая поршлевого круглого излучателя с радиусом, равным радиусу преобразователя, расположенного в акустически жестком экране.

Сравнение кривых А и В на фиг.З приводит к выводу о вполне удовлетворительном соответствии экспериментальных и расчетных результатов.

Формула изобретения Способ измерения обобщенной апер- турной функции ультразвукового элемента сканирующего акустического микроскопа, заключающийся в том, что формируют на рабочей частоте микроскопа ультразвуковое излучение, распространяющееся в иммерсионной среде,в направлении ультразвукового элемента, регистрируют выходной электрический сигнал ультразвукового элемента, который используют для определения обобщенной апертурной функции, отличающийся тем, что, с целью

Формула изобретения Способ измерения обобщенной апер- турной функции ультразвукового элемен та сканирующего акустического микроскопа, заключающийся в том, что форми руют на рабочей частоте микроскопа ультразвуковое излучение, распространяющееся в иммерсионной среде,в направлении ультразвукового элемента, регистрируют выходной электрический сигнал ультразвукового элемента, который используют для определения обоб щенной апертурной функции, отличающийся тем, что, с целью

вырабатываемая генератором 4, возбуждает ультразвуковой (пьезоэлектричес- 55расширения области использования за кий) преобразователь 2, который излу-счет измерения обобщенной апертурной чает плоские продольные волны, распро-функции ультразвукового элемента так- страняющиеся в звукопроводе 3 и затемже и в случае его осевой несимметрич

ваться, например, погрешностью взаимного расположения преобразователя и линзы. Поскольку в данном эксперименте радиус преобразователя выбран существенно меньшим радиуса линзы, то ОАФ определяется, главным образом, распределением поля преобразователя ультразвукового элемента в задней фокальной плоскости акустической линзы, а не функцией зрачка последней.

На фиг.З представлена также кривая В, полученная расчетным путем для случая поршлевого круглого излучателя с радиусом, равным радиусу преобразователя, расположенного в акустически жестком экране.

Сравнение кривых А и В на фиг.З приводит к выводу о вполне удовлетворительном соответствии экспериментальных и расчетных результатов.

Формула изобретения Способ измерения обобщенной апер- турной функции ультразвукового элемента сканирующего акустического микроскопа, заключающийся в том, что формируют на рабочей частоте микроскопа ультразвуковое излучение, распространяющееся в иммерсионной среде,в направлении ультразвукового элемента, регистрируют выходной электрический сигнал ультразвукового элемента, который используют для определения обобщенной апертурной функции, отличающийся тем, что, с целью

расширения области использования за счет измерения обобщенной апертурной функции ультразвукового элемента так- же и в случае его осевой несимметричности, ультразвуковое излучение фор-ляют обобщенную апертурную функцию

мируют в виде плоской волны, меняютпо зависимости регистрируемого выходв процессе излучения направление вол-ного сигнала ультразвукового элемента

нового вектора плоской волны, опреде-г -от направления волнового вектора.

А

н-

0,8 -Q6 -W

0,1 Ц Х1мм