Ultraschall-Mikroskopie

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Ultraschall-Mikroskopie

Allgemeines

Die Ultraschall-Mikroskopie ist ein Verfahren der Ultraschallprüfung zur Darstellung von Oberflächen im Bereich von 10 µm. Dabei werden hohe Frequenzen und fokussierende Ultraschall-Prüfköpfe verwendet, um kleine Wellenlängen und einen Fokus zu erzeugen, die die feinen Unterschiede der Oberflächentopografie noch detektieren können.

Ein Ultraschall-Mikroskop wird verwendet, um Oberflächen von Materialien oder Bauteilen zu untersuchen. Wegen des höheren Kontrastes oder wegen der Lichtempfindlichkeit der Bauteile werden Schallwellen mit hoher Frequenz eingesetzt, um Oberflächenstrukturen (siehe: Oberflächenprüftechnik) zu untersuchen. Zu ihrer Untersuchung werden Ultraschall-Prüfköpfe mit Frequenzen im Bereich von 5 MHz bis 500 MHz [1] oder auch noch höher eingesetzt (Bild 1).

Bild 1:

Einordnung der Schallbereiche in Bezug auf die Frequenz [1]

Aufbau eines Ultraschall-Mikroskops

Ein Ultraschall-Mikroskop ist prinzipiell so wie jedes Ultraschallmessgerät aufgebaut, nur mit dem Unterschied, dass mit akustischen Linsen, die unmittelbar am Schallwandler kontaktiert sind, gearbeitet wird, um den Fokus zu verkleinern und dadurch die Auflösung weiter zu verbessern (Bild 2). Seit 1985 werden Ultraschall-Mikroskope kommerziell vertrieben, deren Aufbau sehr umfassend von Boseck dargestellt wurde [2].

Bild 2:

Prinzipskizze des Ultraschall-Mikroskops

Für gute Schallübertragung (siehe: Ultraschall-Sende(S)-Empfänger(E)-Prüfköpfe) auf die Oberfläche des Prüfmaterials ist ein isotropes Koppelmittel notwendig. In der Praxis wird daher oft mit destilliertem Wasser gearbeitet, doch kommen auch Gele zum Einsatz [3].

Weil die hohen Frequenzen zwar eine hohe Auflösung gewährleisten, die Schallwellen aber auch eine hohe Abschwächung ihrer Amplituden (siehe: Absorption Schallwellen) erfahren, werden Ultraschall-Mikroskope überwiegend zur Charakterisierung von Oberflächen und oberflächennaher Bereiche eingesetzt.

Diese Mikroskope arbeiten grundsätzlich im Impuls-Echo-Verfahren. Hierbei ist der Sender gleich der Empfänger. Die Schallwellen werden an Grenzflächen unterschiedlicher Medien und Werkstoffe reflektiert, weil sie verschiedene akustische Eigenschaften haben (Tabelle 1).

Tabelle 1: Akustische Kennwerte ausgewählter Werkstoffe

Werkstoff	Schallgeschwindigkeit (long.) vS (m s-1)	Spezifische Dämpfung V (dB mm-1)
Stahl	5900	0,25
Aluminium	6400	0,13
Messing	4300	0,15
Synthetischer Kautschuk	1460	4,12
PMMA	2540	0,31
PS	2350	2,07
PVC	2300	1,85
PA6	2570	2,38
PP	2550	2,26
PE	1800	2,26

Anwendungen

Die Ultraschall-Mikroskopie wird vor allem für die Untersuchung komplexer Oberflächen eingesetzt, kann aber auch zur Charakterisierung von flachen und hinreichend dünnen Baugruppen verwendet werden, wie sie z. B. in der Werkstoffcharakterisierung von Metallen, Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen (siehe: Prüfung von Verbundwerkstoffen) und der Mikroelektronik (siehe auch: Mikroprüftechnik) üblich sind. Dabei wird mit Messfrequenzen bis 2 GHz gearbeitet [4], [5].

Daneben gibt es Forschungsarbeiten in der Medizin zur Untersuchung von Knochengewebe [6], aber auch in der Biologie [7].

Literaturhinweise

[1]	https://www.chemie-schule.de/KnowHow/Akustische_Mikroskopie
[2]	Boseck, S.: Akustische Mikroskopie. In: Angewandte Optik. Phys. Bl. 49,6 (1993) Nr. 6, 497–502
[3]	Hipp, R., Gommlich, A., Großmann, C., & Schubert, F. (2014). Hochaufgelöste Ultraschallprüfung an Widerstandspunktschweißverbindungen. DGZfP-Jahrestagung 2013, Dresden, Germany, May 6–8,2013. Online als PDF
[4]	Neumann, L. u. a.: Ultraschallmikroskopie an laserpolierten Aluminium-Druckgussproben. Tagungsband DGZfP-Jahrestagung 7. bis 9. Mai 2018
[5]	Bauch, J.; Rosenkranz, R.: SAM – Ultraschallmikroskopie. In: Physikalische Werkstoffdiagnostik. Springer Vieweg, Berlin und Heidelberg (2017)
[6]	Winkler-Budenhofer, U. C.: Scanning Acoustic Microscopy zur Beurteilung von neu gebildetem Knochen. Dissertation Universität München (2007)
[7]	Prüfer, H.-P.: Strukturmechanische Untersuchungen zur Carapax-Verstärkung von Daphnia cucullata. In: Bröckel, K. Stelzer, R.; Feldhusen, J.; Rieg, F.; Grote, K.-H.: 9. Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik 2011 – Integrierte Produktentwicklung für einen globalen Markt. Rostock, 6. und 7. Oktober 2011. Shaker Verlag (2011) (ISBN: 978-3-8440-0381-9)