Акустический микроскоп

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.

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 ${\displaystyle Z}$ определяется через плотность материала ${\displaystyle \rho }$ и скорость распространения звука ${\displaystyle v_{\text{зв}}}$ в нём:

${\displaystyle Z=\rho \cdot v_{\text{зв}}.}$ (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 ${\displaystyle Z_{1}}$ и ${\displaystyle Z_{2}}$), наподобие оптической границе раздела двух сред . При прохождении акустического интерфейса происходит потеря энергии, которую можно рассчитать по формуле:

${\displaystyle dE_{\text{потерь}}=10\log {\Biggl (}{\frac {Z_{1}-Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}{\Biggl )}.}$ (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.