Введение к работе
Актуальность исследования.
Импульсная акустическая микроскопия является эффективным средством изучения микроструктуры объектов, прежде всего, оптически непрозрачных. Ультразвук легко проникает в объем многих типов материалов. На частотах от 20 МГц до 3-5 ГГц он обеспечивает микронные и субмикронные разрешения. Он чувствителен к вариациям упругих и вязких свойств – отображает механическую структуру объекта. Фокусированный ультразвук обеспечивает возможность локальных упругих измерений в многофазных и градиентных материалах, в малых образцах и включениях, в низкоразмерных образцах (пленках, волокнах и т.д.).
Взаимодействие падающего пучка с объектом концентрируются в фокальной зоне пучка. Вторичное излучение, обусловленное этим взаимодействием, регистрируется фокусирующей системой. В настоящее время для регистрации используется, преимущественно, отраженное излучение. Параметры регистрируемого сигнала определяются микроструктурой и локальными механическими свойствами объекта внутри фокальной области. Размер фокального пятна определяет латеральное разрешение метода. Регистрируемые параметры используются либо для локальных измерений, либо для построения акустических изображений. Изображения формируются растровым образом при перемещении фокального пятна зондирующего пучка по поверхности объекта; движение пятна обеспечивается механическим сканированием фокусирующей системы.
Возможности применения фокусированных пучков существенно зависят от типа зондирующих ультразвуковых сигналов. Классический вариант сканирующей акустической микроскопии (САМ) основан на применении длинных синусоидальных сигналов и зондирующих пучков с большими угловыми апертурами. Поскольку вариант не позволяет использовать наиболее привлекательные возможности ультразвуковой техники - объемную визуализацию и объемные измерения, то сегодня в центре внимания оказалась импульсная акустическая микроскопия, реализующая эти возможности.
Импульсный вариант САМ основывается на временной селекции отраженных эхо сигналов. Сигналы, отраженные на разной глубине, приходят на приемник с различным временем задержки. Разделение эхо-сигналов по времени дает возможность формировать акустические изображения структуры объекта на определенной глубине (С-сканы), отображать его структуру в поперечном разрезе (В-сканы) и восстанавливать 3D структуру объекта при ее послойном отображении. Измерение времен задержки позволяет измерять локальные значения скоростей упругих волн в образце (продольных и поперечных одновременно) и находить величины упругих модулей с микронным и субмикронным разрешением. Развитие импульсной САМ основывается на решении принципиальных проблем, связанных с возбуждением и приемом фокусированных импульсов, с их взаимодействием с элементами структуры, с принципами отображения этих элементов на акустических изображениях и интерпретации изображений.
Качество акустических изображений и их адекватная интерпретация зависят от структуры зондирующего импульса – его форма должна быть максимально простой и детерминированной. Обычно используются короткие сигналы, генерируемые пьезоэлектрическим преобразователем при его ударном возбуждении. Форма генерируемого ультразвукового импульса определяется формой возбуждающего электрического сигнала и добротностью пьезопреобразователя.
Для структуры зондирующего сигнала существенную роль играет также способ формирования фокусированного пучка в иммерсии. Обычно, фокусирование осуществляется акустической линзой - пучок формируется за счет преломления излучения, генерируемого плоским преобразователем, на вогнутой сферической преломляющей поверхности на другом торце звукопровода. Теоретически, преломление плоского фронта на сферической полости ведет к формированию в жидкости почти идеального фокуса – сферические аберрации пренебрежимо малы из-за большой величины коэффициента преломления. Ультразвуковые импульсы, распространяющиеся вдоль различных лучей сходящегося пучка, прибывают в область фокуса одновременно и суммируются без искажения формы первоначального импульса. Однако, на практике в акустических линзах имеются многочисленные факторы - отражение от боковых стенок звукопровода, возбуждение в его объеме поперечных волн и т.д., приводящие к появлению в зондирующем сигнале слабых дополнительных импульсов, задержанных по сравнению с основным. Наличие таких импульсов оказывается существенным при визуализации объемной структуры - они накладываются на эхо сигналы, возникающие при отражении основного сигнала от элементов объемной микроструктуры.
Анализ процессов формирования зондирующих фокусированных импульсов и экспериментальное изучение их пространственно-временной структуры являются ключевыми проблемами импульсной САМ не только при разработке импульсных микроскопов, но и для интерпретации эхограмм и акустических изображений.
Другой фундаментальной проблемой являются принципы формирования акустических изображений для стандартных геометрических элементов микроструктуры – границ раздела, конечных включений и полостей и т.д. К настоящему времени изучено только взаимодействие фокусированных импульсов с плоскими границами раздела. Важнейшей проблемой остается проблема отображения на акустических изображениях других типов форм. Большое практическое значение имеет анализ отображения конечных прямоугольных и цилиндрических включений и полостей. Подобные полости с малыми размерами поперечных сечений являются превосходными моделями вертикальных трещин и отслоений – важнейшего типа микродефектов в твердых телах. Остаются актуальными проблемы разрешения поперечных размеров или диаметра таких полостей и включений, возможности определения положения нижней границы (дна) полостей и включений.
Перечисленные проблемы формирования зондирующего ультразвукового сигнала и принципов отображения на акустических изображениях простых геометрических форм, существенные для дальнейшего развития импульсной акустической микроскопии и расширения области ее приложений, явились предметом исследования в данной работе.
Основные цели работы
1. Исследование закономерностей формирования ультракоротких ультразвуковых импульсов при ударном возбуждении пьезопреобразователя.
2. Экспериментальное изучение формирования зондирующих сигналов акустическими линзами. Выявление их тонкой структуры и механизмов образования дополнительных (паразитных) импульсов в этой структуре.
3. Экспериментальное изучение взаимодействия ультракоротких зондирующих импульсов с плоскопараллельными объектами и выявление основных закономерностей формирования эхограмм при различных положениях акустической линзы относительно объекта.
4. Изучение дифракции фокусированных ультразвуковых импульсов на краю образца. Выявление закономерностей образования краевых дифрагированных импульсов и их роли в формировании акустических изображений (В- и С- сканов).
5. Изучение формирования отраженных эхо включениями и пустотами конечных размеров. Роль краевых дифрагированных волн в формировании эхограмм и акустических изображений.
6. Принципы формирования теней на акустических изображениях предлежащими структурами.
Научная новизна результатов работы
1. Исследовано ударное возбуждение ультразвука – генерация звуковых импульсов пьезопреобразователями под воздействием уединенных электрических импульсов. Выявлены условия, при которых формируются ультракороткие (1-2 периода колебаний) зондирующие импульсы.
2. Исследованы пространственно-временные характеристики зондирующего сигнала, генерируемого акустической линзой в иммерсионной среде. Показано, что на основной зондирующий импульс накладываются паразитные сигналы, с задержкой по времени относительно основного сигнала. Выявлены физические механизмы формирования паразитных сигналов.
3. Впервые экспериментально изучены принципы формирования эхограммы сигнала (О-скана), образование эхосигналов при взаимодействии зондирующего импульсного сигнала с плоскопараллельным образцом конечных размеров.
4. Впервые экспериментально изучена дифракция фокусированных ультразвуковых импульсов на краю плоскости и слоя. Выявлены закономерности формирования дифрагированного импульсного сигнала и принципы его отображения на эхограммах и акустических изображениях.
5. Изучено взаимодействие фокусированных импульсов с протяженными объектами конечных размеров в объеме твердотельных образцов. Получены основные принципы интерпретации акустических изображений для таких объектов. Впервые указано на особую роль в формировании акустических изображений волн, дифрагированных на краях включений и пустот.
6. Впервые описаны особенности взаимодействия импульсов фокусированного ультразвука с шероховатой или микрозернистой поверхностью, обусловленные формированием дифрагированных краевых волн.
Практическая ценность работы
1. Выявленные закономерности формирования зондирующих ультразвуковых сигналов определяют технические требования к акустическим линзам, используемым в импульсной акустической микроскопии.
2. Развитые представления о структуре зондирующего сигнала и механизмах формирования паразитных импульсов служат основой для адекватной интерпретации эхограмм и акустических изображений.
3. Результаты, полученные при исследовании формирования акустических изображений для краев, протяженных включений и пустот создают основу для интерпретации акустических изображений многих типов объектов, поскольку пространственная структура большинства объектов содержит такие элементы.
4. Развиты принципы неразрушающего контроля микрообъектов со сложной пространственной топологией. Разработанные методики могут использоваться для решения актуальной задачи неразрушающего микроконтроля – выявления вертикальных микротрещин, как выходящих на поверхность образца, так и скрытых в объеме материала.
5. На основе представлений о формировании дифрагированных волн микрорельефом поверхности развит акусто-микроскопический подход к оценке шероховатости и зернистости поверхностей и границ раздела.
6. Результаты работы могут служить основой разработки стандартных образцов для метрологического обеспечения ультразвуковых методов неразрушающего контроля высокого разрешения.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Эффективным способом формирования ультракоротких фокусированных ультразвуковых импульсов является ударное возбуждение низкодобротного пьезопреобразователя электрическими видеоимпульсами с крутым передним фронтом.
2. Использование ультракоротких фокусированных импульсов и временная селекция отдельных эхо-импульсов внутри регистрируемого сигнала позволяет визуализировать объемную структуру и измерять локальные упругие свойства.
3. Зондирующий фокусированный импульс проникает в образец в виде сходящихся пучков продольных и поперечных волн. Эхо-сигналы наблюдаются как последовательность импульсов, порождаемых отражением этих пучков от границ образца и внутренних элементов.
4. Структура эхо-сигнала зависит от позиции акустической линзы относительно поверхности образца и положения отражающего элемента в объеме образца. Для каждого структурного элемента существует достаточно широкий интервал позиций линзы, внутри которого наблюдается эквидистантный триплет эхо-импульсов, обусловленный двойным прохождением “туда-обратно” продольных и поперечных волн и конверсией мод при отражении.
5. В результате дифракции падающего фокусированного импульса на краях образца или элементов внутренней структуры в эхо-сигнале возникает дополнительный дифрагированный импульс.
6. На В-сканах эхо-линия дифрагированного сигнала принимает форму параболы из-за особой зависимости времени задержки дифрагированного импульса от положения фокуса сходящегося пучка относительно края.
7. Образованием дифрагиванных импульсов и их участием в формировании акустических изображений объясняется размытие контуров на акустических изображениях при дефокусировании акустической линзы и формирование пространственных гало на В-сканах и акустических изображениях шероховатых поверхностей.
Апробация работы и публикации.
Результаты диссертации представлялись на 4-х конференциях и опубликованы в соответствующих сборниках трудов. Одна статья по результатам экспериментальных исследований структуры и упругих свойств полимеров опубликована в российском журнале «Естественные и технические науки», включенном в список, утвержденный ВАКом (No.42943). Ссылки приведены в конце автореферата.
Личный вклад соискателя.
Все результаты представленные в работе получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.
Структура и объём диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, 4-ех глав, заключения и списка литературы. Общий объём работы 128 страниц, включающих в себя 40 рисунков, 5 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 96 наименований.
