DE2821573C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf akustische Vorrichtun­ gen.

Neuerdings hat sich erwiesen, daß es möglich ist, ein akustisches Mikroskop in der Weise herzustellen, daß eine ebene Schallwelle in eine wassergefüllte Zelle durch eine mit dem Wasser in Berührung stehende konkave Fläche in einem Saphir­ kristall hindurch geleitet wird; die Konkavfläche fokussiert die Schallstrahlung in der wassergefüllten Zelle, eine Probe wird in der Brennebene abgetastet, und durch die Probe geleitete Strahlung wird von einer entsprechenden Konkavfläche in einem weiteren Saphirkristall aufgenommen. Eine derartige Anordnung wurde von R. A. Lemons und C. F. Quate in den Ultrasonics Symposium Proceedings 1973 des Institute of Electrical und Electronic Engineers (Nr. 73 CHO 807-8SU) in einem Aufsatz "Ein Raster-Schallmikroskop" ("A Scanning Acoustic Microscope") beschrieben.

Wenn mit Frequenzen gearbeitet wird, die so hoch sind, daß das Mikrokop eine gute Auflösung bieten kann, ist jedoch die Schallschwächung im Wasser sehr hoch, so daß nur eine kurze Weglänge im Wasser zugelassen werden kann; die Brennweite der gewölbten Fläche muß klein sein, und der Krümmungshalbmesser dieser Fläche ist daher sehr klein. Eine derartige Fläche herzu­ stellen ist schwierig.

Durch die GB-PS 6 84 418 ist ein elektroakustischer Wandler bekannt, der einen Körper aus polykristallinem Material mit konkaver Oberfläche aufweist, durch den eine akusti­ sche Energie vor dieser Oberfläche konzentriert wird. Eine solche Einrichtung ist für eine Verwendung in akustischen Systemen von Rastermikroskopen nicht geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte akustische Vorrichtung zu entwickeln, die in einem Rasterschallmikroskop oder ähnlichen Vorrichtungen ver­ wendbar ist.

Gemäß der Erfindung ist eine akustische Vorrichtung mit einem festen Körper mit praktisch ebener Schalltransmissions­ fläche und akustische Erregermitteln versehen, die so angeordnet sind, daß innerhalb des Körpers ein konvergierender Schallstrahl entsteht, der auf die genannte ebene Schalltransmissionsfläche auftrifft.

Die akustischen Erregermittel weisen im allgemeinen mindestens einen piezoelektrischen Schwinger auf, der den ge­ nannten festen Körper berührt, wobei der Schwinger eine geeignete Elektrode an einer Seite einer Schicht piezoelektrischen Materials besitzt; führt man den Elektroden ein geeignetes elektrisches Wechselstromsignal zu, wird die gewünschte Schallwelle ausgesandt. Eine derartige Vorrichtung ist in beiden Richtungen betreibbar, so daß eine von dem Schwinger aufgefangene Schallwelle in ein Wechselstromsignal umgewandelt wird. Ferner kann eine Quelle oder ein Detektor für ein elektrisches Wechselstromsignal vor­ gesehen sein; die Quelle oder der Detektor sind mit dem (oder den) piezoelektrischen Schwinger(n) verbunden.

Statt einer einzelnen Elektrode an einer Seite des piezoelektrischen Materials kann eine Gruppe von Elektroden vorgesehen werden, mit denen die gesendete oder empfangene Schallwelle genauer gesteuert werden kann.

Der feste Körper besteht normalerweise aus einem Stoff mit niedrigem akustischen Verlust, vor allem, wenn mit hohen Schallfrequenzen gearbeitet werden soll.

Bei der Anordnung liegen die akustischen Erreger­ mittel an einer ebenen oder gekrümmten Fläche des Körpers gegen­ über der ebenen Schalltransmissionsfläche an und erzeugen einen konvergierenden Schallstrahl. Bei einer anderen Grundform der Vorrichtung ist die der praktisch ebenen Schalltransmissions­ fläche gegenüberstehende Fläche des festen Körpers konvex geformt, und die akustischen Erregermittel sind so angeordnet, daß sie eine ebene Schallwelle erzeugen, die von der konvex gewölbten Fläche intern auf die ebene Schalltransmissionsfläche reflektiert wird.

Bei einer ersten Ausführungsform ist die der praktisch ebenen Schalltransmissionsfläche gegenüberstehenden Fläche des festen Körpers gewölbt, und mit der gewölbten Fläche steht ein einzelner piezoelektrischer Schwinger in Kontakt.

Bei einer zweiten Ausführungsform ist die der praktisch ebenen Schalltransmissionsfläche gegenüberstehende Fläche des festen Körpers gewölbt, und ein einzelner piezoelektrischer Schwinger steht in Kontakt mit der genannten praktisch ebenen Schalltransmissionsfläche.

Bei einer dritten Ausführungsform ist die der praktisch ebenen Schalltransmissionsfläche gegenüberstehende Fläche gewölbt, und zwischen der gewölbten und der ebenen Fläche und parallel zu der letzteren befindet sich ein einzelner ebener piezoelektrischer Schwinger.

Bei einer vierten Ausführungsform ist eine Gruppe von konzentrisch angeordneten kreisförmigen piezoelektrischen Schwingern in Berührung mit einer zweiten der praktisch ebenen Schalltransmissionsfläche gegenüberstehenden Fläche des festen Körpers vorgesehen. Die zweite Fläche kann eben ausgeführt sein, und außerdem kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die die Schwinger in einer Phase anregt, die sich fortschreitend über die Gruppe von Schwingern hinweg ändert. Die zweite Fläche kann aber auch gewölbt oder abgestuft ausgeführt sein, wenn die Schwinger entweder alle phasengleich oder in einer Phase angeregt werden, die sich über die Gruppe von Schwingern hinweg fortschreitend ändert. Die Schwinger sind als Äquivalent einer optischen Fresnellinse anzusehen - denn die Anordnungen sind so getroffen, daß durch die Erregung der Schwinger ein konver­ genter Schallstrahl erzeugt wird, der durch den festen Körper hindurch zu der praktisch ebenen Schalltransmissionsfläche wandert.

Wenn eine Ankopplungsflüssigkeit, etwa Wasser, an der praktisch ebenen Schalltransmissionsfläche ansteht, führt die Änderung des Brechungsindex bei allen Ausführungsformen zur Fokussierung des einfallenden konvergenten Strahls in der Ankopplungsflüssigkeit. Wenn eine erfindungsgemäße akustische Vorrichtung in geeigneter Weise durch eine Wechselstromquelle erregt wird, kann sie als Schallstrahlungssender arbeiten; wenn eine solche Vorrichtung Schallstrahlung aus einem Brennpunkt auffängt, kann sie als Empfänger für Schallstrahlung arbeiten.

Die praktisch ebene Schalltransmissionsfläche kann entweder vollkommen eben sein oder kann eine leichte Krümmung in der einen oder anderen Richtung aufweisen, um Aberrationen zu korrigieren oder eine mechanisch günstigere Bauweise zu er­ möglichen. Eine derartige schwache Krümmung liefert aber nicht die fokussierende Wirkung der Vorrichtung; bei der ersten, der zweiten und der dritten Ausführungsform wird die Fokussierung von den gewölbten Flächen hervorgerufen, die der praktisch ebenen Fläche gegenüberstehen, und bei der vierten Ausführungs­ form durch die Anordnung der Elektroden.

Gemäß der Erfindung umfaßt ein akustisches System zwei erfindungsgemäße akustische Vorrichtungen, deren jeweilige praktisch ebene Schalltransmissionsflächen nebeneinanderliegen, eine an die Schallerregermittel der einen Vorrichtung ange­ schlossene Wechselstromquelle sowie einen Wechselstromdetektor, der an die Schallerregermittel der anderen Vorrichtung ange­ schlossen sind. Ferner kann eine Abtastvorrichtung vorgesehen sein, die einen Gegenstand mechanisch durch den Brennpunkt abtastet. Beim Betrieb des Systems befindet sich zwischen den Schalltransmissionsflächen eine Ankopplungsflüssigkeit, etwa Wasser, und die genannten Flächen sind so weit voneinander entfernt, daß der Brennpunkt der Schallenergie, der von der Erregervorrichtung erzeugt wird, in solcher Lage relativ zu der Aufnehmerfläche ist, daß maximale Empfindlichkeit und Auf­ lösung gewährleistet ist. Eine derartige Anordnung kann als konfokal betrachtet werden.

In den Zeichnungen stellt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine akustische Vorrichtung nach dem Stande der Technik dar. Die zur Erläuterung der Erfindung dienenden Zeichnungen zeigen folgendes:

Fig. 2, 3, 4a, 4b, 4c und 5: schematisch gehaltene Querschnitte durch einige Ausführungsformen von erfindungsge­ mäßen akustischen Vorrichtungen;

Fig. 6: einen schematisch gehaltenen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer akustischen Vorrichtung;

Fig. 7 und 8: schematisch gehaltene Darstellungen der Arbeitsmöglichkeit einer akustischen Vorrichtung;

Fig. 9: ein Blockschaltbild eines Rasterschall­ mikroskops unter Verwendung einer erfindungsgemäßen akustischen Vorrichtung;

Fig. 10 und 11: die Verwendung einer erfindungsgemäßen akustischen Vorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

In Fig. 1 ist die obenerwähnte Anordnung von Lemons dargestellt; danach besitzen zwei gleichartige Saphirkristalle 10, 12 jeweils eine polierte Kugelhohlfläche 14, 16 in einer ihrer Seitenflächen und an der jeweils gegenüberliegenden Seitenfläche angebracht piezoelektrische Schwingerschichten 18, 20, die also den Kugelhohlflächen gegenüberliegen. Der Schwinger 18 ist mit einer Wechselstromquelle 22 verbunden, die mit etwa 1 GHz arbeitet, und der Schwinger 20 liegt an einem Detektor 24, der auf eine Frequenz von etwa 1 GHz an­ spricht. Zwischen den Kristallen befindet sich ein Tropfen Wasser 26, der durch Oberflächenspannung in seiner Lage fest­ gehalten wird und einen Teil einer Polyäthylenterephthalat- Folie 28 umgibt, an der eine Probe 30 angebracht ist.

Wenn dem Schwinger 18 ein Signal aus der Quelle 22 zugeführt wird, entsteht in dem Kristall eine ebene Schall­ strahlungswelle, die zu der Hohlfläche 14 läuft und in dem Wasser 26 auf eine Stelle in der Mitte zwischen den Kristallen fokussiert wird. Die Anordnung ist konfokal ausgeführt, so daß die von dem Brennpunkt ausgehende Schallstrahlung von der Hohl­ fläche 16 durch Brechung in eine ebene Schallstrahlungsfläche umgewandelt wird, die den Kristall 12 durchläuft, von dem Schwin­ ger 20 in ein Wechselstromsignal umgewandelt und integriert wird und von dem Detektor 24 angezeigt wird.

Wenn in den Brennpunkt ein Objekt 30 gebracht wird, wird der Schallstrahl durch Streu- und Absorptionsvorgänge ge­ stört und erfährt außerdem eine Phasenänderung. Das angezeigte Signal enthält daher Informationen über den im Brennpunkt befindlichen Teil des Objekts. Wird die Folie 28 in der durch die Pfeile 32 angedeuteten Weise abgetastet, können unterschied­ liche Teile des Objekts "gesehen" und kann ein Bild aufgebaut werden. Man kann das System als Rasterschallmikroskop verwenden.

Jedoch muß die Weglänge in dem Wassertropfen 26 so klein wie möglich gehalten werden, weil die Schalldämpfung im Wasser außerordentlich stark ist - etwa 200 dB/mm bei 1 GHz; daher müßte der Krümmungsradius der Hohlflächen 14, 16 etwa 0,13 mm betragen, wenn die Brennweite ausreichend klein ge­ halten werden soll. Eine genau ausgeführte Hohlfläche dieser Abmessungen in einem Saphirkristall herzustellen, ist schwierig.

Fig. 2 gibt ein erfindungsgemäß verbessertes System an. Zwei Blöcke (Körper) 34, 36 aus geschmolzenem Quarz oder Quarzglas oder einem anderen geeigneten Material weisen praktisch ebene Schall­ transmissionsflächen 38, 40 auf; jeder der beiden ebenen Flächen gegenüberliegend finden sich zwei gewölbte Flächen 42, 44, die jeweils mit einem dünnen piezoelektrischen Schwinger (Erregermittel) 46, 48 belegt sind. Der Schwinger 46 steht mit einer Wechselstrom­ quelle 50 und der Schwinger 48 mit einem Wechselstromdetektor 52 in Verbindung (die elektrischen Verbindungen sind nur schematisch angedeutet), während die ebenen Flächen konfokal einander gegenüberstehen und zwischen sich einen Wassertropfen 54 halten.

Bei dieser Anordnung entsteht durch Zuführung eines Signals von beispielsweise 1 GHz zu dem Schwinger 46 ein Schall­ strahl, der in Richtung auf die Fläche 38 konvergiert. An der Fest/flüssig-Grenzfläche 38 wird der Strahl zu einem Brennpunkt hin gebrochen, der in der Mitte zwischen den Flächen 38, 40 liegt. Die von dem Brennpunkt ausgehende Strahlung durchsetzt den Block 36 und gelangt zu dem Wechselstromdetektor 52. Die Strahlenwege sind in der Schemazeichnung angedeutet.

Ein Vorteil eines solchen Systems ist, daß in den festen Körpern keine Konkavflächen mit kleinem Krümmungsradius ausgebildet zu werden brauchen. Außerdem können die Blöcke an den Enden mit den ebenen Flächen so abgeschnitten werden, daß die ebene Fläche nur eine im Vergleich zu dem Querschnitt des Körpers geringe Flächengröße hat; dadurch wird die Lagekontrolle eines Objekts im Brennpunkt des Systems vereinfacht. Die Anwen­ dung von ebenen Schalltransmissionsflächen ermöglicht außerdem enweder eine Verkleinerung der Weglänge im Wasser in der Mitte der akustischen Linse oder die Unterbringung eines Objekts größerer Dicke.

Wenn es nun auch bekannt ist, daß man einen piezo­ elektrischen Schwinger auf eine gewölbte Oberfläche aufbringen kann, so gibt es bei einer derartigen Konstruktion doch gewisse Schwierigkeiten.

Ein andersartiges System ist in Fig. 3 wiedergegeben. Zwei feste Körper 58, 60 haben jeweils eine Schalltransmissions­ fläche 62, 64, der jeweils eine gewölbte Fläche 66, 68 gegenüber­ liegt. Ein piezoelektrischer Schwinger 70, 72 ist jeweils auf einer der beiden ebenen Flächen angeordnet; der eine Schwinger (Erregermittel) 70 ist mit einer Wechselstromquelle 74 verbunden, der andere Schwinger 72 mit einem Wechselstromdetektor 76. Zwischen den Schwingern 70, 72 befindet sich ein Wassertropfen 56.

Bei dieser Konstruktion, die nur im Impulsbetrieb benutzt werden kann, entsteht durch Erregen des Schwingers 70 eine ebene Schallwelle, die durch den Körper 58 bis zu der ge­ wölbten Fläche 66 läuft, von der ein konvergenter Schallstrahl auf die ebene Schalltransmissionsfläche 62 reflektiert wird, die den Strahl durch Brechung fokussiert. Die Anordnung ist konfokal, und ein von dem Brennpunkt ausgehender Strahl läuft durch die Fläche 64 zu der gewölbten Fläche 68 und wird von dieser als ebene Welle zum Schwinger 72 reflektiert.

Dieses System hat Vorteile gegenüber dem System nach Fig. 2, weil die Schwinger auf jedem Körper an einer ebenen Fläche anliegen, aber der Bereich der Schalltransmissionsflächen muß ungefähr ebenso groß sein wie der Querschnitt des Körpers (vgl. Fig. 3), so daß der Zugang zu dem Brennpunkt zwischen den beiden ausgedehnten Flächenbereichen, die dicht nebeneinander­ liegen, eingeschränkt sein kann.

Als weiterer Nachteil ist anzusehen, daß der Detektor 76 ein starkes Signal empfängt, das von einer ebenen Welle her­ rührt, die unmittelbar von dem Schwinger 70 in den Körper 60 übertrifft; dieses Signal muß in der zugehörigen Schaltung durch die bei Ultraschallvorrichtungen an sich bekannte Zeitaustastungs­ technik unterdrückt werden. Der Übertritt von unerwünschten Signalen in das Wasser läßt sich im Bedarfsfall erschweren, indem die Grenzflächenbereiche, durch die derartige Signale hindurchtreten könnten, mit einer schallabsorbierenden Schicht 77, etwa mit Wachs, belegt werden, wie in Fig. 3 strichpunktiert angedeutet.

Fig. 4a zeigt ein drittes System. Jeder feste Körper 78, 80 weist danach einen ersten Teil mit einer ebenen Schall­ transmissionsfläche 82, 84 und einen zweiten Teil mit gewölbter, konvexer Fläche 86, 88 auf, die der ebenen Fläche jeweils gegenüberliegt, und ein ebener Schwinger 90, 92 befindet sich jeweils zwischen den beiden Teilen, berührt diese Teile und liegt parallel zu der jeweils zugehörigen ebenen Fläche. Der Schwinger 90 liegt an einer Wechselstromquelle 94 und der Schwinger 92 an einem Detektor 96. Die Strahlenwege der Schallwelle werden durch die Pfeile angedeutet, und der Wassertropfen ist mit 85 bezeichnet. Für dieses System ist Impulsbetrieb erforderlich.

Bei diesem System ist der Brennpunkt ebenso leicht zugänglich wie bei dem System nach Fig. 2, und die Schwinger sind auf ebenen Flächen angebracht. Die Technik des Zeitaus­ tastens kann angewendet werden, wenn direkt empfangene ebene Wellen beseitigt werden sollen, aber in der Anordnung nach Fig. 4a ist die Größe dieser Falschsignale erheblich gegenüber der Anordnung nach Fig. 3 reduziert, weil eine direkte Übertragung nur durch den ebenen Flächenbereich 82 erfolgen kann, der nur einige Prozent der Flächengröße des Schwingers 90 auszumachen braucht.

In den Fig. 4b und 4c sind zwei weitere Varianten dargestellt. Nach Fig. 4b ist der Schwinger 90 nur teilweise von dem ersten, mit der ebenen Schalltransmissionsfläche 82 versehenen Teil 81 des festen Körpers überdeckt. Nach Fig. 4c wird nur ein einziger fester Körper 83 verwendet, wobei die ebene Schalltransmissionsfläche 82 an einem Fortsatz 87 ausge­ bildet ist, der über eine ebene Fläche 89 hinaus vorspringt; die Fläche 89 liegt der gewölbten Fläche gegenüber und trägt einen ringförmigen Schwinger 91.

Fig. 5 zeigt ein viertes System. Jeder feste Körper 100, 102 besitzt danach eine kleine ebene Schalltransmissions­ fläche 104, 106 in Kontakt mit einem Wassertropfen 105 und eine große ebene Fläche 108, 110 der Schalltransmissionsfläche parallel gegenüberliegend; an der großen ebenen Fläche 108, 110 ist jeweils eine Gruppe 112, 114 von kreisförmigen, konzentrisch angeordneten piezoelektrischen Schwingern angebracht. Eine Wechselstromquelle 116 ist unmittelbar mit dem mittleren Schwinger der Anordnung 112 verbunden und steht mit den anderen Schwingern durch Phasenschieber 118, 120 in Verbindung, die den zugehörigen Schwingern eine Phasenverschiebung Φ ₁, Φ ₂ ver­ mitteln. Die Schwingergruppe 114 steht mit einem Detektor 122 über Phasenschieber 124, 126 in Verbindung, die dazu komplemen­ täre Phasenverschiebungen Φ ₁, Φ ₂ verursachen.

Es ist leicht möglich, die Phasenverschiebungen zu er­ rechnen, die erforderlich sind, um zumindest eine der vielen Schallwellen, die von der Vorrichtung ausgesandt werden, als konvergierenden Strahl auf die Fläche 104 fallen zu lassen; der Strahl durchläuft einen Brennpunkt in dem Wassertropfen, und ein durch den Körper 102 verlaufender divergierender Strahl wird von dem Detektor 122 angezeigt. Der Strahlenverlauf ist in Fig. 5 angedeutet.

Um die Zeichnung nicht unübersichtlich zu machen, sind nur drei konzentrische Schwinger angedeutet; bei der prak­ tischen Ausführung des Systems wird eine größere Anzahl be­ nötigt, und zwar etwa zehn Stück. Das System hat den Vorteil, daß die Krümmung der Schallwellenfront unmittelbar gesteuert werden kann; man könnte beispielsweise asphärische Wellenfronten erzeugen.

Bei einer abgewandelten Konstruktion könnten die Fresnelschwinger-Gruppen nach Fig. 5 an den Ausführungsformen nach den Fig. 2, 3 und 4 verwendet werden. Bei einer weiteren Variante gegenüber der Konstruktion nach Fig. 5 könnte die ebene Fläche 108 durch eine abgestufte Fläche ersetzt werden, die jeweils einen Schwinger auf jeder Stufe trüge; das Signal könnte dann jedem Schwinger mit gleicher Phasenlage oder mit Phasenunterschieden zugeführt werden.

Bei jeder Ausführungsform wird das zu untersuchende Objekt in die Brennebene zwischen den ebenen Schalltransmissions­ flächen gesetzt, wo es mechanisch abgetastet werden kann. Nor­ malerweise wird das Objekt mit Wasser zwischen den Schalltrans­ missionsflächen an die akustischen Vorrichtungen angekoppelt; man kann aber auch mit anderen geeigneten Flüssigkeiten arbeiten.

Die bisher gezeichneten und beschriebenen erfindungsge­ mäßen Ausführungsformen betreffen sämtlich die Verwendung von zwei übereinstimmenden akustischen Vorrichtungen, von denen die eine als Sender und die andere als Empfänger eingesetzt wird und wobei die Schallstrahlung durch den Fokus geleitet wird. Man kann auch eine einzige Vorrichtung als Sender/Empfänger ver­ wenden, wobei die Schallstrahlung am Fokus reflektiert wird. Die Vorrichtung würde dann, wie in der Ultraschalltechnik an sich bekannt, im Impulsechobetrieb arbeiten müssen.

Bei Transmissionsbetrieb kann es in einigen Fällen vorteilhaft sein, verschiedenartige statt gleichartige Vor­ richtungen als Sender und Empfänger zu verwenden.

Eine weitere Variante zeigt die Fig. 6, nach welcher eine akustische Vorrichtung 128 mit den beiden in Fig. 2 darge­ stellten Vorrichtungen übereinstimmt und benutzt wird, einen Schallstrahl durch einen Wassertropfen 130 auf ein Objekt 132 zu fokussieren, das an einer dünnen Folie 134 befestigt sein kann, die in der Brennebene abzutasten ist. An der dem Objekt abgewandten Seite der Folie befindet sich ein piezoelektrischer Schwinger 136, der durch eine biegsame Verbindung 138 an einen Detektor 140 angeschlossen ist. Das Schwinger/Elektrode-Gebilde wird abgetastet zusammen mit der Film/Objekt-Einheit, und der Schallstrahl im Fokus wird in ein Wechselstromsignal umgewandelt. Bei dieser Bauweise wird die Weglänge im Wasser halbiert.

Die Anordnung nach Fig. 6 kann auch leicht in nicht­ linearer Arbeitsweise benutzt werden, durch die harmonische Bilder hergestellt werden können. Wenn der Schwinger 136 auf eine zweite oder höhere Harmonische der Arbeitsfrequenz der akustischen Vorrichtung 128 abgestimmt wird, kann ein von der harmonischen Umformung in dem Objekt abhängiges Bild produziert werden.

Eine Weiterentwicklung dieser Technik ist in Fig. 7 dargestellt, wonach eine erfindungsgemäße akustische Vorrichtung 142, die mit der Frequenz f ₁ arbeitet, ein Objekt 144 durch einen Wassertropfen 146 mit einem fokussierten Schallstrahl be­ strahlt. Das Objekt 144 wird von einer dünnen Folie 148 gehalten, die einen piezoelektrischen Empfangsschwinger 150 berührt, der an einen Detektor 151 angeschlossen ist. Der Empfangsschwinger steht außerdem in Kontakt mit einem zweiten Sendeschwinger 153, der mit einer Frequenz f ₂ arbeitet; die Schallstrahlung aus dem Schwinger 153 durchläuft den Schwinger 150 und bestrahlt das Objekt 144. Nichtlinearität des Objekts führt zur Multiplikation der beiden gleichzeitig einfallenden bestrahlenden Frequenzen, und der Detektor 151 kann so abgestimmt werden, daß er entweder die Summe oder die Differenz f ₁ und f ₂ anzeigt. Eine andere (nicht gezeichnete) Position für den zweiten Schwinger 153 wäre der Kontakt mit dem Ende einer Platte, auf der das Objekt an­ gebracht ist, wobei Schallstrahlung durch diese Platte auf das Objekt gesendet würde.

Im Zusammenhang mit Fig. 3 wurde auf die Technik der Zeitaustastung hingewisen, um die direkte Kopplung zwischen zwei ebenen, großflächigen Schwingern auszuschalten. Eine weitere Konstruktionsmöglichkeit ist in Fig. 8 wiedergegeben, nach welcher die zwei mit großflächigen ebenen Schwingern 184, 186 ausgestatteten akustischen Vorrichtungen 180, 182 um einen kleinen Winkel R gegeneinander geneigt sind; der Winkel ist so gewählt, daß der Unterschied zwischen den Weglängen AA′ und BB′ ein ganzzahliges Vielfaches der akustischen Wellenlängen in dem zwischen den Schwingern befindlichen (nicht gezeichneten) Wasser ist. Das hat zur Folge, daß der Empfangsschwinger 186 asymmetrisch erregt wird, so daß das in der einen Hälfte des Schwingers empfangene Signal durch das in der anderen Hälfte empfangene Signal unwirksam gemacht wird.

Der Durchmesser der Schwinger beträgt größenordnungs­ mäßig 100 Wellenlängen, so daß der Neigungswinkel R üblicher­ weise klein ist und normalerweise weniger als 1° beträgt.

Die Neigung beeinflußt auch den Strahl, der von der gewölbten Fläche 188 der Vorrichtung 182 reflektiert wird. Das läßt sich leicht kompensieren, indem die Wölbung leicht asymme­ trisch ausgeführt wird; Fig. 8 zeigt das stark übertrieben. Die erforderliche Asymmetrie läßt sich leicht berechnen, indem man die Bedingung gleicher Verzögerungszeit für die Strahlen XX′X′′ und YY′Y′′ einführt. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß kein Verlust an Signalschärfe auftritt, selbst wenn das direkte Signal weitgehend ausgeschaltet ist.

Anstelle einer asymmetrisch gewölbten Fläche kann man eine zweckmäßig asymmetrisch ausgebildete Fresnel-Schwinger- Anordnung verwenden (nicht gezeichnet).

Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Systems als Rasterschallmikroskops ist in Fig. 9 dargestellt. Danach ist die Sendervorrichtung 148 des Mikroskopsystems 150 mit einem Hochfrequenzoszillator 152, der mit einer zwischen 450 MHz und 1050 MHz liegenden Frequenz arbeitet, über eine veränderliche Dämpfung 154 und eine erste Abstimm-Stichleitung-Anpassungs­ vorrichtung 156 verbunden. Die Empfangsvorrichtung 158 steht über eine zweite Abstimm-Stichleitung-Anpassungsvorrichtung 160 mit einer Mischstufe 162 in Verbindung, die außerdem an einen Empfangsozillator 164 angeschlossen ist, der mit einer von der Frequenz des Oszillators 152 geringfügig verschiedenen Frequenz arbeitet; die Mischstufe 162 liefert ein Signal mit der Differenzfrequenz, beispielsweise 30 MHz, über einen Ver­ stärker 166 und ein veränderliches Bandfilter 168 an eine An­ ordnung 170 mit speichernder Katodenstrahlröhre; das Signal bildet den z-Eingang für die Katodenstrahlröhre; der x- und der y-Eingang werden von einer Abtast-Synchronisations- und Verstärkerschaltung 172 geliefert die die Abtastbewegung der Abtastvorrichtung 174 steuert, an die ein Objekt 176 zwischen den akustischen Linsen des Mikroskopsystems 150 angeschlossen ist. Ein Bild wird punktweise auf der Katodenstrahlröhre aufge­ baut.

Allgemein wird ein Betrieb bei Frequenzen zwischen 1 MHz und 10 GHz erwartet.

Eine erfindungsgemäße akustische Vorrichtung kann außer in einem Rasterschallmikroskop nach den Fig. 2 bis 9 auch für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung eingesetzt werden.

Eine derartige Anwendungsform ist in Fig. 10 darge­ stellt, wonach eine akustische Vorrichtung 190, etwa eine der Ausführung nach Fig. 4 entsprechende Vorrichtung, mittels einer dünnen Flüssigkeitsschicht 194 (z. B. Wasser oder Öl) an ein zu untersuchendes Objekt 192 angekoppelt ist. Mit der Vorrichtung 190 wird nach der Impulsechomethode gearbeitet, die in der Ultraschalltechnik allgemein üblich ist; die Vorrichtung 190 ist an eine Quelle/Detektor-Anordnung 196 angeschlossen. Ist der Gegenstand 192 homogen, so ist das von der Vorrichtung 190 aufgenommene Echo sehr schwach. Befindet sich in dem Gegenstand jedoch ein kleiner Hohlraum oder Riß, so strahlt dieser Fehler annähernd Kugelwellen aus, und das empfangene Echo ist viel stärker.

Es ist zu beachten, daß, während das Auflösungsver­ mögen der Vorrichtung, d. h. seine Fähigkeit zwischen zwei be­ nachbarten Fehlern zu unterschieden, durch die Schallwellenlänge bestimmt ist, mit der die Vorrichtung arbeitet, Risse und Hohl­ räume nachgewiesen werden können, die um Größenordnungen kleiner sind als das Auflösungsvermögen der Vorrichtung. Beispielsweise können mit einer Schallwelle, deren Wellenlänge größenordnungs­ mäßig 100 µm beträgt, Hohlräume oder Risse in der Größenordnung von Mikrometern nachgewiesen werden.

Eine vergleichbare Anwendungsweise zeigt Fig. 11, nach welcher eine erfindungsgemäße akustische Vorrichtung 200 an einen zu prüfenden Gegenstand 202 angelegt wird. Ferner liegt an der Oberfläche des Gegenstands ein Oberflächenwellenschwinger 204 an, der mit einer Energiequelle 206 verbunden ist. Der Schwinger 204 bestrahlt den Gegenstand 202 mit Rayleighwellen, die durch die Pfeile 206 angedeutet sind. Die akustische Vorrichtung 200 wird nur als Empfänger betrieben und ist an einen Detektor 208 angeschlossen; in dieser Anordnungsweise ist die Vorrichtung besonders empfindlich für Mikrorisse und ähnliche Oberflächen­ fehler.

Bei den Anordnungen nach den beiden Fig. 10 und 11 wird die akustische Vorrichtung abtastend über die Oberfläche des Gegenstands geführt.

Bei allen Anordnungen kann die ebene Schalltransmissions­ fläche mit einer Schicht eines Materials überzogen werden, die die akustische Impedanz des festen Teils an die Flüssigkeit anpaßt, um den Leistungsübergang zu maximieren. Das ist das akustische Äquivalent zu der Vergütung einer optischen Linse. Wenn es sich bei dem festen Körper um geschmolzenen Quarz handelt, dem Wasser als Flüssigkeit gegenübersteht, ist Gold ein geeignetes Material für die Anpassungsschicht; es ergibt eine befriedigende, wenn auch nicht perfekte Widerstandsanpassung.

Claims (13)

1. Akustische Vorrichtung, gekennzeichnet durch einen festen Körper (34) mit praktisch ebener Schalltransmissionsfläche (38) und akustischen Erregermitteln (46), die so angeordnet sind, daß innerhalb des Körpers ein konvergierender Schallstrahl entsteht, der auf die ebene Schalltransmissionsfläche (38) auftrifft.

2. Akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Er­ regermittel (46) an einer der ebenen Schalltransmissionsfläche (38) gegenüberliegenden Fläche (42) des Körpers (34) anliegen und einen konvergierenden Schallstrahl erzeugen.

3. Akustische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der ebenen Schalltransmissionsfläche (38) gegenüberliegende Fläche (42) des Körpers (34) konvex ist und daß ein einziger piezoelektrischer Schwinger (46) an der konvexen Fläche (42) anliegt.

4. Akustische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Erregermittel als Gruppe von piezoelektrischen Schwingern (112) ausgebildet sind.

5. Akustische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem Ein­ richtungen (118, 120) vorgesehen sind, die jeden piezo­ elektrischen Schwinger der Gruppe (112) mit einer Phase schwingen lassen, die sich über die Gruppe hinweg fortlaufend ändert.

6. Akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der praktisch ebenen Schalltransmissionsfläche (62) gegenüberliegende Fläche (66) des festen Körpers (58) konvex gewölbt ist, und daß die akustischen Erregermittel (70) so ausgebildet sind, daß sie eine ebene Schallwelle erzeugen, die von der konvexen Fläche (66) in Richtung auf die ebene Schalltransmissionsfläche (62) intern reflektiert wird.

7. Akustische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Erregermittel (70) als einzelner ebener piezoelektrischer Schwinger ausgebildet sind, der an der ebenen Schall­ transmissionsfläche (62) anliegt.

8. Akustische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Erregermittel als einzelner piezoelektrischer Schwinger (90) ausgebildet sind, der an dem festen Körper (78) anliegt, sich zwischen der ebenen Schalltransmissionsfläche (82) und der konvexen Fläche (86) befindet und ferner parallel zu der ebenen Schalltransmissionsfläche (82) verläuft.

9. Akustisches System, gekennzeichnet durch zwei akustische Vorrichtun­ gen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche Vorrichtun­ gen so angeordnet sind, daß die jeweiligen ebenen Schalltrans­ missionsflächen (38, 40) einander nah benachbart sind, durch eine an die akustischen Erregermittel (46) der einen Vor­ richtung angeschlossene Wechselstromquelle (50) und durch einen Wechselstromdetektor (52), der an die akustischen Er­ regermittel (48) der anderen Vorrichtung angeschlossen ist.

10. Akustisches System, gekennzeichnet durch eine akustische Vorrich­ tung (128) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, durch eine an die akustischen Erregermittel der Vorrichtung angeschlossene Wechselstromquelle, durch einen neben der ebenen Schalltrans­ missionsfläche der Vorrichtung angeordneten piezoelektrischen Schwinger (136) und durch einen an den piezoelektrischen Schwinger angeschlossenen Detektor (140) für Wechselstrom.

11. Akustisches System, gekennzeichnet durch eine akustische Vorrich­ tung (142) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, durch eine an die akustischen Erregermittel der Vorrichtung angeschlossene Wechselstromquelle mit einer ersten Frequenz (f ₁), durch einen ersten piezoelektrischen Schwinger (150) neben der ebenen Schalltransmissionsfläche der Vorrichtung, durch einen an dem ersten Schwinger anliegenden, der akustischen Vorrichtung abgewandten zweiten piezoelektrischen Schwinger (153), durch eine an den zweiten Schwinger angeschlossene zweite Wechsel­ stromquelle mit einer zweiten Frequenz (f ₂) und durch einen an den ersten Schwinger angeschlossenen Wechselstromdetektor (151), der auf eine Frequenz anspricht, die gleich der Summe oder der Differenz der ersten und der zweiten Frequenz (f ₁ + f ₂ oder f ₁ - f ₂) ist.

12. Akustisches System, gekennzeichnet durch eine akustische Vorrich­ tung (190) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und durch eine Wechselstromquelle mit Wechselstromdetektor (196), die an die akustischen Erregermittel der Vorrichtung angeschlossen sind.

13. Akustisches System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Abtasteinrichtung (174) zur Herbeiführung einer Relativbewegung zwischen einem neben der ebenen Schalltransmissionsfläche befindlichen Gegenstand (176) und dieser Schalltransmissionsfläche, wobei die Bewegung parallel zu der Fläche stattfindet.