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Accoustic Microscopes from KSI Germany

SAM Funktionsprinzip (Scanning Acoustic Microscope)

 © KSI - Kraemer Sonic Industries GmbH Einem akustischen Mikroskopes (Ultraschallmikroskop) liegt das gleiche Funktionsprinzip zu Grunde, wie den aus der Medizin bekannten Ultraschalluntersuchungen: Ein Prüfkopf wird unter Zuhilfenahme eines Koppelmediums über das zu untersuchende Areal bewegt, dadurch entsteht ein Bild des Objektinneren. Diese Untersuchung erfolgt Zerstörungsfrei.
Das Herzstück des akustischen Mikroskopes ist der Prüfkopf (=Transducer; Lautsprecher und Mikrofon in einem). Dieser erzeugt aus einem zugeführten elektrischen Impuls das eigentliche Ultraschall-Signal. Der Schall wird fokussiert und über das Koppelmedium (i.d.R. Wasser) zur Probe transportiert. Die Schallwellen interagieren mit dem zu prüfenden Material; dabei wird ein Teil des Schalls zum Prüfkopf zurück reflektiert, der verbleibende Anteil wird transmittiert.

 © KSI - Kraemer Sonic Industries GmbH Es gibt 2 Auswertungsverfahren: In den meissten Fällen wird das "Puls-Echo"-Verfahren benutzt. Dabei wird Amplitude, Phasenlage und Laufzeit des von der Probe reflektierten Ultraschalls genutzt, um die Bildinformation zu erzeugen. Das Puls-Echo-Verfahren kommt mit einem Transducer aus.
Das Gegenstück dazu ist das "Transmissions"-Verfahren, bei dem der transmittierte Anteil des Schalles unterhalb der Probe von einem zweiten Transducer empfangen und anschliessend vom Analog-Digital-Wandler ausgewertet wird.

 © KSI - Kraemer Sonic Industries GmbH Bei beiden Verfahren (Puls-Echo- und Transmissions-Verfahren) wird das zu püfende Objekt Pixel für Pixel und Zeile für Zeile abgerastert. Die Bewegung des Prüfkopfs wird über eine X-Y-Mechanik, den so genannten Scanner, realisiert.
Je nach Grösse der Probe und der gewählten Auflösung dauert ein solcher Untersuchungsvorgang einige Sekunden bis mehrere Minuten.
Der Transducer muss mit seinen Kenndaten (Frequenz und Fokallänge) auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt sein. Aus diesem Grund gibts es eine Vielzahl von Transducern; etwa vergleichbar mit der Vielzahl von Objektiven die für hochwertige Foto-Kameras erhältlich sind.

 © KSI - Kraemer Sonic Industries GmbH Generell gibts es bei der Auswahl des Transducers folgendes zu beachten: Transducer mit hoher Frequenz und kurzer Fokallänge erzielen eine sehr hohe Auflösung bei vergleichsweise geringer Eindringtiefe.
Dagegen bieten Prüfköpfe mit niedrigerer Frequenz und langem Fokus eine hohe Eindringtiefe, dafür allerdings eher niedrige Auflösungen.
Daher ist die Auswahl des richtigen Prüfkopfs für die jeweilige Applikation enorm wichtig. Vereinfacht gesagt muss jeweils der richtige Kompromiss aus gewünschter Auflösung und geforderter Eindringtiefe gefunden werden.
Wie genau wird nun der Kontrast im akustischen Bild erzeugt?
Schallwellen brauchen im Gegensatz zu Licht ein Ausbreitungsmedium. Je höher die Dichte dieses Mediums ist, desto besser kann sich der Schall darin fortbewegen. Dies ist auch im Alltag zu beobachten: In Luft (relativ "dünnes" Medium) kann sich der Schall nur langsam und nicht besonders weit ausbreiten. Beispiel: Laute Musik ist in einem Gebäude maximal 2-3 Räume entfernt noch zu vernehmen; weiter jedoch kaum. Dichtere Materialien übertragen den Schall deutlich besser. Beispiel: Wird in einem grossen Gebäude im Keller an der Heizung gearbeitet, ist dies in jedem Raum im ganzen Haus hörbar. Der Grund: Die Metall-Heizungsrohre leiten den Schall exzellent weiter; die Heizkörper an deren Ende dienen nochmals als "Lautsprecher".

 © KSI - Kraemer Sonic Industries GmbH Die akustische Mikroskopie nutzt diese physikalischen Gegebenheiten. Nachdem der Schall den Prüfkopf verlassen hat, wird er über das homogene Koppelmedium (i.d.R. Wasser) zur Probe transportiert. Innerhalb der Probe trifft er dann auf eine Vielzahl verschiedenster Materialien und Grenzflächen, die Amplitude, Phase und Laufzeit des Ultraschallsignals beeinflussen. Die Auswertungseinheit des Ultraschall-Mikroskopes erkennt diese zum Teil feinsten Veränderungen und erzeugt daraus die Bildinformation.
Zusammenfassend kann man sagen: Der Ultraschall reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen und Inhomogenitäten des Mediums, in dem er sich fortbewegt. In erster Linie sind das Dichte- und Elastizitätsunterschiede.

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