Способ формирования акустических изображений

ОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСН РЕСПУБЛИН 784(51) 4 С 01 М 29/06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИПРИ ПФ 1 Т СССР МИТЕТ ОТКРЫТИЯМСАНИЕ ИЭОБРЕТЕНИ га 1 саз 1983,риРУмоции А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ(57) Изобретение относится к изметельной технике, а именно к сканиющей акустической микроскопии, ижет быть использовано для виэуалипространственного распределенияструктурно-механических характеристик микрообъектов. Цель изобретенияповышение качества акустических изображений - достигается за счет угловой фильтрации помех с помощью фильтрации частотного спектра отраженнойультразвуковой волны, который соответствует угловому спектру падакщей волны при отражении ее от равномернодвижущейся поверхности. С помощьюустройства, реализующего способ,формируемая иэ плоской ультразвуковой волны, возбуждаемой пьезеароораэователем 1 в эвуководе 2 линзой 3сходящаяся волна, при отражении которой от поверхности 10 формируетсяотраженная волна, которая улавливается линзой 3, и через пьеэопреобразователь 1,переключатель 4 приемпередача и фильтр 7 сигнал, ампли"туда которого связана с параметрамиобъекта, регистрируется блоком 8регистрации изображения, За счет эффекта Доппера отраженная волна отповерхности 10, которая равномерноперемещается электромеханическим приводом 9, получает дополнительный частотный сдвиг, пропорциональный косинусу угла падения волны относительно направления движения поверхности.1 з.п.ф-лы, 1 ил.Изобретение относится к измерительной технике, а именно к сканирующей акустической микроскопии, и может быть использовано для визуализации пространственного распределения структурно-механических характеристик микрообъектов.Цель изобретения - повышение качества акустических иэображений - эа счет угловой фильтрации помех с помощью фильтрации частотного спектра отраженной ультразвуковой (УЗ) волны, который соответствует угловому спектру падающей волны при отражении ее от равномерно движущейся поверхности.На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего способ.Устройство, реализукзцее способ, содержит электроакустический преобразователь, состоящий иэ пьезопреобразователя 1, звукопровода 2, акустической линзы 3 и переключателя 4 прием-передача, генератор 5, когерентных радиоимпульсов, приемный блок 6, электрический фильтр 7, блок 8 регистрации и отображения сигнала, электромеханический привод 9, отражающую поверхность 10, связываемую с образцом и погруженную в иммерсионную жидкость 11, которая обеспечивает акустический контакт между поверхностью 10 и линзой 3.Способ формирования акустических иэображений заключается в следующем.Возбуждают электроакустический преобразователь последовательностью когерентных радиоимпульсов с центральной частотой Г и частотой повторения Е . Импульсный режим работы позволяет использовать один и тот же преобразователь какдля излучения, так и для приема УЗ-волн. Этот электроакустический преобразователь излучает в иммерсионной жидкости сходящуюся продольную волну. Данную нолну направляют на поверхность образца так, чтобы акустическая ось сходящегося волнового фронта была перпендикулярна его поверхности, и механически сканируют поверхность вдоль осей Хз,Уэ, р перпендикулярных акустической оси, Кроме того,. отражающей поверхности сообщают периодическое движение вдоль этой оси, причем на определенном участке траектории движение осуществляется с постояннойлен в виде Я(ХзрУз,С) = Аехр(2 Г й) ш(С) х 30 х р(с) Ч(Хз,У р), (2) где А - амппитуда несущего колебанияописывает импульсную модуляцию;выделяет интервал с постоянной скоростью двизенияобразца:/2./ ( -" (- -р ( ).) (3 )0 //--2Ч(Хз,Уз,) определяет отклик преобразователя в зависимости от положен ния образца и его акустических свойств и может быть найдена на основе соотношения для несканирующего режима: ш(С)35р(с) 40 Мй 50 Ч(2)2(Р) р (6)ехрс)2)с 2 соее)х х ззп 6 дО (4)где Е - смещение образца из фокальной плоскости по на 55 пранлению к электроакустическому преобразователю;2 к1 = у, Ъ - длина волны ультразвука в иммерсионной среде; скоростью Ч ,значительно большей скорости сканирования, но значительноменьшей скорости звука н иммерсионной среде.Ппоские волны, угловым спектромкоторых может быть представлена сфокусированнап волна, после отраженияпод углом 6 от локального участка 10 поверхности образца с координатами(Хз,У ) не только меняют амплитудуи фазу в соответствии с коэффициентом отражения К(Хз,У рО ), но иприобретают доплеровский сдвиг по 15 частоте на величинур = 2 КЧ сон 6, (1)Отраженную волну принимают электроакустическим преобразователем путем временного стробирования ныделя ют электрический сигнал на фоне сигнапов переотражения и помех и селектируют полезные сигналы, принятые вовремя прохождения образцом участкатраектории с постоянной скоростью.25 Выделенный полезный сигнал на интерТ Твале -6 С 6 - может быть предстан 2 21518784 35 р,(Р) - обобщенная апертурнаяфункция электрпакустического преобразователя, определяющая угловой спектр падающей волны.Считая, что при2 = 7 и что коэффициент отражейия зависит от координат сканирования и на него не влияет движение образца, из выражения (4) после замены переменной (1) можно получить соотношение:гОрЧ(Х ГС) - В(Х ,у,С) х1аох р(Ы)ехр 1 Ы, Мы., (5)При этом спектральная гаотность этой функции Б(Хз,Уз, м,) определяется комплексными амплитудами составляющих углового спектра отраженной волны:(6)Сигнал Б (Х эр У з р й) подвергают синхронн ому детек тиров анию и импульсной демодуляции, которые при1 оГ) . позволяют восстановить егокомплексную огибающую Яг.30 Я (Х ,У.,г.) = А р (е) Ч(Х,У ,с)(7)Если регистрировать значения сигнала 8 в моменты времениЕокоторые синхрони зиров аны с печ.рриодическим движением вдоль акустической оси и в которые образец пересекает плоскость 2 = 2 а, то фУнкциЯ 40Б (Х ,1 ) описывает изображение,гкоторое получается в обычном режимепри сканировании образца в плоскости (Х ,У ) при 2 - Е . Для этогоизображения на основании (5) и (7) 45справедливо представление:гч,Б(Хз,Уз, Тр ) = АгК(Хэ,У,рС)х р(р)ехрже,с ос, (8)Согласно способу осуществляют прохождение сигнала Я (Х раз,й) черезлинейную электрическую цепь с импульсной характеристикой Е(В), длякоторой в силу физической осуществимости 1(С) = О при (О. Сигнал ИБ на выходе этого фильтра предс 3тавляется сверткой: 8 (Хх -ре) Вт(Хзеххз ре.)21 М(9)В момент времени 1=1 -ь й с2Т -синхронизированный спериодическим движением по Е, регистрируют сигнал 8 в зависимости откоординат сканирования, по которому формируют акустическое изображение.При сравнении изображения, формируемого по предлагаемому способуи представимого функцией Б )(ХэрУз р)фс изображением Б (Хэ,Уэ, о ), получаемым по обычному режиму, видно,что функция К(араб) позволяет изменять относительный вклад составляющих углового спектра в результирующее иэображение. При этом функцияК(С,оГ,) зависит от импульсного отклика применяемого электрическогофильтра, и при достаточно быстромзатухании этого отклика и достаточно больших значенияхдля неесправедливо приближение:к(е,е) - 1 кехр(-ы)йо= К(аС), (10)где К(оБ) - передаточная функцияфильтра. Выбор этой передаточнойфункции, а также времени регистрации"сигнала С, производится в конкретных случаях в соответствии с характером визуалиэируемых особенностейобразца.Так, для устранения помех в изображении, возникакюпих эа счет составляющих углового спектра, не содержащих информацию об исследуемых особенностях образца, производят путемфильтрации принятого электрическогосигнала подавление их вкладов в выходной сигнал, используемый для формирования изображения. Например, выделяя составляющие, нормально падающие на поверхность образца, и подавляя остальные, получают изображение,визуализирующее распределение акустического импеданса. В другом случае,выделяя составляющие углового спектра в области критического угла дляповерхностных волн, исследуют пространственное распре,целение коэффициента их затухания, 1518784Применение способа позволяет решить здддчу идентификации особенностей в акустических микроизобрджениях путем распознавания областей образ 5 цд с заданными структурно-механическими свойствдми. Для этого фильтрацию выделенного электрического сигнала согласуют с сигндлом, определяемым отражением от поверхности с заданным коэффициентом отражения к (6), д передаточную функцию выбирают равной%.где зцдк - комплексное сопряжение.Затем регистрируют максимальное значение амплитуды полученного сигнала, по которому формируют изображение, в котором распознаваемые особенности представлены яркими областями ца общем темном фоне.г1(оррекцию искажений иэображения, обуслонленных аберрациями электро- акустического преобразователя, осуществляют путем фильтрации выделенного электрического сигнала, компенсируя амплитудно-фазовые изменения, приобретаемые составляющими углового спектра из-эа несовершенства электро- акустического преобразователяПри этом передаточная функция может быть определена выражением:К(ь ) = А(Ф,) ехр 1 (Ы) (12) где А(А) и р(о 1) - функции,описывающие цежелатспьные отклонения амплитуды и фазыобобщенной апертурной Функции 4 Осоответственно.Осуществление Фильтрации выделенного электрического сигнала, посредством которой компенсируют аберрациоццые фазовые сдвиги, преобретаемые плоскими нолндми углового спектра при распространении по обьему образца при визуализации его особенностей, находящихся ца большой глубине,позволяет скорректировать искаженияв их изображении,Устройство работает следующим образом.Последовательность когерецтныхрадиоимпульсов, вырабатываемая генератором 5, через переключатель 4 подводится к пьезопреобрдзовдтелю 1,который излучает продольную УЗ-волну.Волна распространяется вдоль звукопровода 2 и Фояусируется линзой 3 виммерсиоцной жидкости 11, После отрджсция от поверхности 10, котораяс помощью электромехднического привода 9 перемещается вдоль акустической оси 2 и сканируется по коордицдтам Х,Уз, акустическая волнд рдспрострдцяется в обратном направлениии преобразуется в электрический сигнал преобрдзондтелем 1. Этот сигналпереключателем 4 ндпранляется н приемный блок б, в котором осуществляется необходимые селекция, усиление,синхронное детектирование и демодуляция, Затем сигнал подается нафильтр 7, в качестве которого можетбыть использовано любое ус 1,ойство,которое позволяет редлизондт требуемую передаточную функ:цпо, Например,могут использоваться диалоговые пассивные и активные фи.ьтры или ци 4-,ровые фильтры, Сигнал с вывода этогофильтра подаетсь на блок 8, гдсмоменты времени, синхронизированныес быстрым движением обрдзцд вдольоси 2, осуществляется его регистрация, например, измерение амплитудыили Фазы. Формирование же результирующего акустического микроиэображеция производится, например, путеммодуляции заре гистрировац 1 ппм сигналом яркости луча монитора, разверткаьоторого синхронизирована с мехдцическим сканиронанием образца,Формула и э о б р е т е н ц я1Способ формирования акустических изображений, заключающийся н том, что в иммерсионной среде формируют плоскую падающую продольную ульпрдэвуковую волну акустической линзой, фокусируют падающую ультразвуковую волну на поверхность, связываемую с объектом измерения так, чтобы акустическая ось сходящегося волнового фронта ультразвуковой волны была перпендикулярна поверхности, сканируют подающую уэьтразвуковую волну н плоскости, параллельной фокдльной, фокусируют той же акустической линзой отраженную от поверхности ультразвуковую волну в плоскость падающей волны, регистрируют интенсивность отраженной волны, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повьппепя качества акустических иэображений эа счет угловой Фильтрации помех,1 О 1518784 Составитель В.ЧулковТехред А.Кравчук Корректор О.Циппе Редактор Л.Пчолинская Заказ 6602/5 Тираж 789 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5О Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 101 перемещают по периодическому законуповерхность вдоль акустической оситак, что траектория ее движения содержит участок с постоянной скоростьюи осуществляют на этоМ участке фильтрацию спектра отраженной ультразвуковой волны. 2. Способ по п,1, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью распознавания областей с заданными акустическими свойствами, фильтрацию осуще - 5ствляют согласованнсй и измеряют амп - литуду отраженной ультразвуковой волны е