Принципы визуализации тонких цилиндрических рассеивателей в импульсной акустической микроскопии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Одной из областей применения длиннофокусных высокочастотных ультразвуковых пучков является визуализация объемной микроструктуры материалов. Визуализация микроструктуры в акустической микроскопии в режиме на отражение обеспечивается за счет регистрации сигналов при отражении или рассеянии ультразвукового пучка на элементах внутренней структуры. Одними из элементов могут выступать акустически жесткие тонкие цилиндрические рассеиватели. Радиус тонких цилиндрических элементов существенно меньше размера фокального пятна зондирующего пучка, поэтому все тонкие элементы малого диаметра отображаются на акустических изображениях с одинаковым размером, равным диаметру фокального пятна. Для оценки размеров тонких цилиндрических элементов, видимых на изображениях, предлагается теоретических подход, описывающий формирование амплитуд выходных сигналов при взаимодействии фокусированного ультразвукового пучка с тонкими цилиндрическими элементами структуры. Аналитическое описание взаимодействия учитывает радиус элемента и чувствительности приемной акустической системы. Учитывая параметры излучателя/приемника и геометрию цилиндра, решается обратная задача по оценке размера рассеивателя в зависимости от принимаемого сигнала. Теоретический подход экспериментально подтверждается при визуализации тонких полимерных волокон с применением сканирующего импульсного акустического микроскопа и акустических линз на частотах 50 и 200 МГц, формирующих фокусированные пучки разной геометрии. По результатам сопоставления экспериментальных данных и теоретических расчетов делается вывод о применимости описанного аналитического подхода в рамках допущений и приближений для длиннофокусных пучков c малоугловой апертурой при оценках минимальных размеров цилиндрических рассеивателей видимых в акустической микроскопии.

Об авторах

Е. С. Мороков

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Email: es_morokov@yahoo.com
ул. Косыгина 4, Москва, 119334 Россия

В. М. Левин

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: es_morokov@yahoo.com
ул. Косыгина 4, Москва, 119334 Россия

Список литературы

  1. Faran J.J. Sound Scattering by Solid Cylinders and Spheres // J. Acoust. Soc. Am. 1951. V. 23. P. 405–418.
  2. Лямшев Л.М. К теории рассеяния звука тонким стержнем // Акуст. журн. 1956. Т. 2. № 4.C. 358–365.
  3. Андреева И.Б., Самоволькин В.Г. Рассеяние звука упругими цилиндрами конечной длины // Акуст. журн. 1976. Т. 22. № 5. С. 637–643.
  4. Stanton T.K. Sound scattering by cylinders of finite length. II. Elastic cylinders // J. Acoust. Soc. Am. 1988. V. 83. P. 64–67.
  5. Лямшев Л.М. Дифракция звука на безграничной тонкой упругой цилиндрической оболочке // Акуст. журн. 1958. Т. 4. № 2. C. 161-167.
  6. Векслер Н.Д., Дюбюс Б., Лави А. Рассеяние акустической волны эллипсоидальной оболочкой // Акуст. журн. 1999. Т. 45. № 1. С. 53–58.
  7. Flax L., Varadan V.K., Varadan V.V. Scattering of an obliquely incident acoustic wave by an infinite cylinder // J. Acoust. Soc. Am. 1980. V. 68. P. 1832–1835.
  8. Li T., Ueda M. Sound scattering of a plane wave obliquely incident on a cylinder // J. Acoust. Soc. Am. 1989. V. 86. P. 2363–2368.
  9. Kari M., Honarvar F. Characterization of immersed transversely isotropic rods by inversion of acoustic scattering data. // J. Acoust. Soc. Am. 2015. V. 138. P. 2024–2033.
  10. Lewis T.S., Kraft D.W., Hom N. Scattering of elastic waves by a cylindrical cavity in a solid // J. Appl. Phys. 1976. V. 47. P. 1795–1798.
  11. Kim Y., Lee B., Ih J.-G. Scattering of longitudinal waves by a cylindrical cavity in an attenuating solid // J. Acoust. Soc. Am. 1993. V. 93. P. 93–101.
  12. Mitri F.G. Scattering of Airy elastic sheets by a cylindrical cavity in a solid // Ultrasonics. 2017. V. 81. P. 100–106.
  13. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. 852 с.
  14. Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977. 336 с.
  15. Khramtsova E., Morokov E., Antipova С., Krasheninnikov S., Lukanina K., Grigoriev T. How the Nonwoven Polymer Volume Microstructure Is Transformed under Tension in an Aqueous Environment // Polymers. 2022. V. 14(17). 3526.
  16. Morokov E., Titov S., Levin V. In situ high-resolution ultrasonic visualization of damage evolution in the volume of quasi-isotropic CFRP laminates under tension // Composites Part B. 2022. V. 247. 110360.
  17. Мороков Е.С., Левин В.М. Пространственное разрешение акустической микроскопии при визуализации границ раздела в объеме твердого материала // Акуст. журн. 2019. Т. 65. С. 190–196.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025