Проблема визуализации изображения при УЗ-дефектоскопии всегда привлекала внимание исследователей. Различные на­правления решения этой задачи с приме-

нением современных технических дости­жений рассмотрены в [134, 248]. Разрабо­тано несколько перспективных методов визуализации УЗ-контроля, основанных на принципах отражения и прохождения УЗ. В настоящее время практическое приме­нение получили два пути решения задачи визуализации: акустическая микроскопия и когерентные методы обработки инфор­мации, которые здесь рассматриваются.

Акустическая микроскопия - область звуковидения, занимающаяся получением увеличенных изображений внутренней структуры ОК за счет применения частот, на один или два порядка больших, чем в УЗ-дефектоскопии (выше нескольких де­сятков мегагерц), и высокоточной скани­рующей системы (шаг ~0,1 мкм). Это по­зволяет получить двумерное (в виде В - и С-разверток) акустическое изображение с разрешающей способностью, прибли­жающейся к обеспечиваемой оптическим микроскопом.

Все акустические микроскопы, как и более низкочастотные интроскопические системы, разделяют на отражательные и просвечивающие (трансмиссионные). Кон­такт иммерсионный. Наибольшее приме­нение получили отражательные микро­скопы. Принцип работы такого микроско­
па (рис. 2.87) далее излагается [225].

Основной элемент микроскопа - фо­кусирующая акустическая система, со­стоящая из пленочного ПЭП (например, на основе ZnO) с частотой до нескольких гигагерц и волновода со сферически во­гнутым (для фокусировки) торцом. В ус­ловиях применения очень высоких частот особую актуальность приобретает сниже­ние потерь в волноводах и контактном слое. Волноводы обычно изготовляют из сапфира (AI3O3), в качестве контактной жидкости используют дистиллированную воду ИЛИ сероуглерод (CS2), соединение выполняют на основе карбонила (С2Н20). Коэффициент поглощения в сапфире на частоте 1 ГГц равен 0,8 дБ/мм, а в воде 50 дБ/мм. Поэтому, несмотря на принятые меры, амплитуда сигнала после двойного преобразования уменьшается во много раз. Потери можно снизить, подогревая воду до 60 °С либо охлаждая акустиче­скую систему и обеспечивая акустический контакт с помощью жидкого гелия. Такие меры позволяют получить пространствен­ное разрешение до 0,055 мкм.

Генератор формирует короткие (дли­тельностью 10 нс) радиоимпульсы, кото­рые возбуждают пленочный преобразова­тель. Отраженные сигналы усиливаются.

С помощью временного селектора подав­ляются помехи, например многократные отражения в волноводе, и выделяется зона фокусировки. Изменяя расстояние между преобразователем и ОК, т. е. путь УЗ в им­мерсионной жидкости, можно перемещать фокальное пятно по глубине изделия и обследовать разные слои ОК. Фронталь­ное разрешение 50 мкм, лучевое 50 ... 100 мкм; глубина резкости 3 ... 30 мм в зави­симости от частоты и угловой апертуры.

Звуковое изображение ОК получает­ся при последовательном сканировании объекта акустической системой, поэтому такой микроскоп называют сканирующим (иногда растровым) акустическим микро­скопом. Развертка изображения на экране монитора происходит синхронно с пере­мещением акустической системы. На по­лутоновом черно-белом или цветном эк­ране отображается амплитуда отраженной в ОК акустической волны. В результате получается двумерное изображение в виде С-и В-развертки.

Сканирование осуществляется с час­тотой ~25 Гц, для чего используют элек­тродинамические сканеры. Увеличение изображения зависит от размеров скани­руемой зоны. Для получения немерцаю­щего изображения сигналы преобразуются в цифровую форму, запоминаются и вы­водятся на экран с требуемой частотой строк.

Акустические микроскопы применя­ют [162, 248] для НК различных материа­лов, изделий микроэлектроники, в биоло­гии и медицине. При контроле материалов с повышенным затуханием используют пониженные частоты. Например, соедине­ние пластины из керамики Zr02 с метал­лическим электродом контролируют на частоте 5 МГц лучами, отраженными от нижней поверхности пластины. Расстоя­ние между преобразователем и ОК выби­рают таким, чтобы поместить фокальное пятно на границе керамики с электродом.

При наличии встроенного микропро­цессора или микроЭВМ может проводить­ся вторичная обработка изображения: дифференцирование (повышение контра­стности), введение логарифмической шка­лы яркостей, уменьшение шума, статисти­ческий анализ и распознавание изображе­ний.

Сканирующие акустические микро­скопы выпускаются рядом зарубежных фирм. Ниже приведены основные техни­ческие характеристики акустического микроскопа, выпускаемого фирмой Ernst Leitz Wetzlar GmbH (ФРГ). В России еди­ничные экземпляры акустических микро­скопов выпускает Центр акустической микроскопии РАН и ГЦН "ВНИИМ".

На рис. 2.88 представлены акустиче­ское и оптическое изображения инте­гральной схемы, полученные с помощью микроскопа ELSAM. Акустический мик­роскоп позволяет обнаружить подповерх­ностные дефекты, микротрещины, рас­слоения, которые невозможно наблюдать оптическим микроскопом.

Расширить возможности акустиче­ского микроскопа можно путем примене­ния стереоскопического эффекта [248]. Для этого предлагается использовать два преобразователя, поочередно облучающих объект под некоторым углом слева и спра­ва от вертикальной оси.

Существенное усовершенствование метода состоит в применении поперечных или поверхностных волн вместо продоль­ных [425, с. 539/649]. Это достигается на­клонным вводом УЗ-волн в ОК под углом больше первого критического. Лучи сфо­кусированного УЗ-пучка падают на по­верхность ОК под разными углами. Чтобы

Технические характеристики акустического микроскопа ELSAM

Диапазон частот, МГ ц............................................................ 50... 2000

Габаритные размеры ОК, мм.................................................. 160 х 160 х 39

Увеличение, крат........................................................................ 125 ... 2000

Разрешающая способность, мкм:

при 100 МГц........................................................................ 15

при 2000 МГц.......................................................................... 0,65

Внутренняя память изображений, бит................................. 64 ... 1024

Твердый диск, число изображений....................................... 80

исключить лучи, падающие под углом меньше первого критического, применяют фокусирующую линзу в виде части сферы.

Использование этого способа, кроме возбуждения поперечных или поверхно­стных волн снижает требования к чистоте поверхности ОК, уменьшает сферическую аберрацию, повышает лучевую разре­шающую способность.

Сообщается также [425, с. 448/628] о применении в акустическом микроскопе головных волн и о снижении рабочей час­тоты до 2 ... 12 МГц против 30 ... 100 МГц. Пьезоэлемент и демпфер выполнены из полимера ПВДФ. Система предназна­чена для контроля ОК из нержавеющей стали, покрытых алюминием толщиной 200 ... 600 мкм. Фокальное пятно имеет размер 1x4 мм. Показан пример выявле­ния поверхностной трещины.