Материал из РУВИКИ — свободной энциклопедии

Акустический микроскоп

Акусти́ческий микроско́п — микроскоп, использующий акустические волны для формирования увеличенных изображений предметов[1].

История возникновения

Рис. 1. Использование акустического микроскопа

Поскольку разрешение акустического микроскопа зависит от длин волн, используемых в нём для получения изображений объектов, как правило, в акустических микроскопах применяются высокочастотные ультразвуковые волны. Использование ультразвука для визуализации внутренней структуры различных оптически непрозрачных объектов было предложено советским учёным Сергеем Яковлевичем Соколовым в 30-х годах XX века[2][3]. Идеи, высказанные С. Я. Соколовым, привели к созданию звуковидения[4][5] и акустической микроскопии[6][7]. К концу первой четверти XXI века разработаны теоретические основы и практические приборы для атомно-силовой акустической микроскопии, оптико-акустической микроскопии, визуализация акустических изображений на основе фазированных ультразвуковых решёток, и другие направления акустической микроскопии.

Первыми сканирующими акустическими микроскопами были лазерный и линзовый[6]. Характерный рабочий частотный диапазон акустических микроскопов находится в пределах от десятков МГц до единиц ГГц, пространственное разрешение — от десятков микрометров до сотен нанометров, глубина проникновения опорных акустических волн в образец — до 10 миллиметров (для низкочастотных микроскопов). Широкое применение быстродействующие акустические микроскопы на основе фазированных решёток находят в медицине[8][9], формируя качественные изображения в реальном режиме времени, рабочие частоты при этом не превышают 10 МГц.

Физические основы

Рис. 2. Сравнение оптического (слева) и акустического (справа) изображения эмбриона (2-е сутки развития).1 — головной мозг, 2 — слуховая капсула, 3 — глаз, 4 — сердце, 5 — поперечные кишечные ворота, 6 — хвостовая почка

Принцип действия акустического микроскопа основан на том, что у любого материала существует собственное акустическое сопротивление, то есть способность противостоять смещению частиц материала, облучаемого акустическими волнами. Удельное акустическое сопротивление определяется через плотность материала и скорость распространения звука в нём:

(1)

Границу раздела между материалами с разным акустическим сопротивлением (например, воздух — исследуемый образец материала) называют акустическим интерфейсом, играющим роль поверхности отражения и преломления (с удельными акустическими сопротивлениями и ), наподобие оптической границе раздела двух сред . При прохождении акустического интерфейса происходит потеря энергии, которую можно рассчитать по формуле:

(2)

Ясно, что контраст акустического изображение тем выше, чем больше разница между акустическими сопротивлениями материалов, образующих акустический интерфейс. Именно этот факт определяет области применения акустической микроскопии — обнаружение дефектов[10], трещин, пустот, раковин, расслоений в толще исследуемого образца материала. На рисунке 1 представлены объекты исследования с помощью акустического микроскопа, а на рисунке 2 — визуализация различий оптического и акустического изображений эмбриона на вторые сутки развития, представлены изображения внутренних органов эмбрионов.

Акустические микроскопы составляют важную функцию в методах неразрушающего контроля.

Примечания

  1. ↑ Большая советская энциклопедия в 50-ти томах. — 1954.
  2. ↑ Соколов С. Я. Ультразвуковые колебания и их применения // ЖТФ. — 1935. — Т. 2. — С. 522—534.
  3. ↑ Соколов С. Я. Ультразвуковой микроскоп // ДАН СССР. — 1949. — Т. 64, вып. 3. — С. 333—335.
  4. ↑ Грегуш П. Звуковидение. — Москва: Мир, 1982. — 232 с.
  5. ↑ Kessler L.W. Review of progress and application in acoustic microscopy (англ.) // Acoust. Soc. Amer. — 1974. — Vol. 55. — P. 909—918.
  6. ↑ 1 2 Кесслер Л.У., Юхас Д. Э. Акустическая микроскопия // ТИИЭР. — 1979. — Т. 67, № 4. — С. 96—108.
  7. ↑ Маев Р. Г. Акустическая микроскопия. — Москва: Торус пресс, 2005. — 402 с.
  8. ↑ Гасымова Зиба Вагиф Кызы. Акустическая микроскопия в практике ортодонтии // Казанский медицинский журнал. — 2017. — № 3.
  9. ↑ Храмцова Е. А., Куликова О. Р., Григорьев Т. Е. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ МИКРОСКОПИЯ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ - НЕРАЗРУШАЮЩИЙ МЕТОД ОЦЕНКИ МОРФОЛОГИИ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТКАНЕИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ // Гены и клетки. — 2022. — № 3.
  10. ↑ Косицын Николай Васильевич, Петров Владимир Владимирович. Обнаружение дефектов на поверхности материалов из алюминиевых сплавов методом сфокусированного акустического пучка // Вестник Тамбовского государственного технического университета. — 2015. — № 1.

Литература

  • Рэлей Д. В. С. Теория звука. — Москва : Гостехиздат, 1955.
  • Ржевкин С. Н. Курс лекций по теории звука. — Москва : Изд-во Московского университета, 1960.
  • Лэмб Г. Динамическая теория звука. — Москва : Гос. изд-во физ.мат. литературы, 1960.
  • Хилл К. Ультразвук в медицине. — Москва : Физматлит, 1961.
  • Розенберг Л. Д. Источники мощного ультразвука. Т. 1. — Москва : Наука, 1967.
  • Мэзон У. Физическая акустика. Т. 2, ч. А. Свойства газов, жидкостей и растворов. — Москва : Мир, 1968.
  • Блинова Л. П., Колесников А. Е., Ланганс Л. Б. Акустические измерения. — Москва : Государственное издательство стандартов, 1971.
  • Исакович М. А. Общая акустика. — Москва : Наука, 1973.
  • Исакович М. А. Общая акустика : учебное пособие для физических специальностей вузов. — Москва : Наука, 1973.
  • Скучик Е. Основы акустики. — Москва : Мир, 1976.
  • Каневский И. Н. Фокусировка звуковых и ультразвуковых волн. — Москва : Наука, 1977.
  • Голдстейн М. Е. Аэроакустика. — Москва : Машиностроение, 1981.
  • Мунин А. Г., Кузнецов В. М., Леонтьев Е. А. Аэродинамические источники шума. — Москва : Машиностроение, 1981.
  • Трубецков Д. И., Рожнев А. Г. Линейные колебания и волны : учебное. пособие для студентов вузов. — Москва : Издательство физико-математической литературы, 2001.
  • Блохинцев Д. И. Акустика неоднородной движущейся среды. — Москва : URSS : ЛЕНАНД, 2021.

Ссылки

© Правообладателем данного материала является АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».
Использование данного материала на других сайтах возможно только с согласия АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».
Источник — https://ru.ruwiki.ru/w/index.php?title=Акустический_микроскоп&oldid=1216275202