超聲背向散射衰減系數(shù)譜的金屬防偽辨識

賀西平，劉小榮，張宏普，賀升平，崔 東

（1陜西師范大學 物理學與信息技術(shù)學院，陜西省超聲重點實驗室，陜西 西安 710119；2陜西省寶雞市150信箱11號，陜西 寶雞 721013）

金屬材料的防偽辨識技術(shù)具有廣闊而十分重要的應用前景.工業(yè)生產(chǎn)中，由于全球資源逐漸減少導致貴重金屬價格不斷攀升，不法企業(yè)可能會采用合金或其他欺詐手段替代貴金屬降低產(chǎn)品成本，以次充好，若無科學手段對其防偽辨識則會給生產(chǎn)和生活帶來重大損失.在金屬貴重文物防偽辨識、軍事裝備等諸多的重大實際應用中，尤其需要具備極高分辨能力的金屬防偽辨識技術(shù).

傳統(tǒng)的金屬材料鑒別方法有物理法和化學法.物理方法有感官辨識、斷口辨識和火花辨識等.化學方法有成分分析方法、滴定分析方法、重量分析法和容量分析法等.這些方法大多為有損檢測，能夠辨識的范圍有限，有的方法還會產(chǎn)生污染物，不宜推廣.由于超聲無損檢測方法是非破壞性的，并具有直接、快速、適用范圍廣等諸多優(yōu)點，因此受到人們的重視［1－4］.前人利用超聲速度法［5－6］、超聲衰減法［7－9］、頻譜分析法［10－11］對金屬晶粒尺寸做了測試和評價.衰減測量與散射測量是超聲波用來無損評價材料晶粒尺寸的兩個主要技術(shù)手段，其中衰減測量已相當成熟，而散射測量近年才剛剛起步.隨著獲得的有效數(shù)據(jù)的增多及計算機處理能力的增強，散射測量技術(shù)已成為一種趨勢［12－13］.

超聲波在多晶介質(zhì)中傳播，由于晶粒各向異性且排列取向的無規(guī)律性，會在晶粒邊界發(fā)生散射.利用超聲散射來研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，對研究者來說是個挑戰(zhàn)，需要有穩(wěn)健的散射模型.近年來，通過研究已經(jīng)建立了一些試驗模型［14－17］.超聲波在金屬多晶材料中傳播，因材料而異，產(chǎn)生的散射信號與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關.利用這個特性，文獻［18］基于金屬材料呈現(xiàn)出的不同聲參量特性，對金屬材料進行了間接和直接辨識.

本文對3種不同的金屬材料，提取10MHz的高頻超聲波在材料內(nèi)部的背向散射信號，平滑處理并截取材料一定深度處相鄰兩段間的時域信號，傅里葉變換后得到相應的幅度譜和材料的衰減系數(shù)譜，以此為基礎，進行相關計算和分析.提供一種可以快速進行金屬材料的防偽辨識的方法，也易于以后實現(xiàn)在線檢測.

1 試驗裝置及散射信號的獲取

試 驗 裝 置 如 圖 1 所 示.Panametrics-NDT 5077PR超聲脈沖發(fā)射/接收儀施加脈沖信號于發(fā)/收探頭，該探頭中心頻率為10MHz，發(fā)射超聲波脈沖在金屬試樣中傳播，遇到金屬晶粒會產(chǎn)生背向散射，聲波傳到其底面后產(chǎn)生回波，背向散射波和回波都會被探頭接收到.發(fā)射脈沖的重復頻率（PRF）為100Hz.Tektronix-DPO5034B示波器對探頭接收到的時域信號進行采樣，采樣速率為2.5GS/s.探頭與試樣之間的耦合劑為甘油.3種金屬試樣分別為304不銹鋼、鋁2A12和420不銹鐵，外形均為圓柱體，厚度為15mm，直徑為47.1mm.試樣編號如表1所示.試驗中示波器每次采樣5 000次作為平均值，后送入計算機中，利用編制好的程序進行信息處理.試驗中采用自己研制的探頭固定器固定探頭，保證探頭每次在同一個位置取得試樣的散射信號，嚴格保證耦合條件相同.

圖1 采集試樣的背向散射信號Fig.1 The schematic of backscatter signal acquisition

表1 試驗樣表Tab.1 The tested metal samples

示波器中采集到試樣回波信號的時域波形如圖2a所示.位于始波和第一次底面回波及其他各回波之間的草狀信號即為散射波.取始波與第一次底面回波之間的散射信號作為研究對象，如圖2b所示，該信號是由不同深度處試樣內(nèi)部的晶粒散射所致［19－20］.

圖2 試樣的回波信號（a）和背向散射信號（b）Fig.2 The echo signal of the samples（a）and back scattering signal（b）

2 衰減系數(shù)譜

截取試樣一定深度處的局域散射信號f（t），其時域?qū)挾葹門，如圖3所示.對f（t）進行N等份，每份為f（ti），其中0≤i≤N，如圖4所示，取其中相鄰的兩等份i和i＋1段，加漢寧窗后進行FFT變換，得到對應的幅度譜，記為｜Fi（jω）｜和｜Fi＋1（jω）｜.滿足關系式［21］

圖3 局域散射信號（a）及其局部放大圖（b）Fig.3 The local backscatter signal（a）and a part of such signal（b）

式中αi（ω）為衰減系數(shù)，Δd＝cT/N，c為超聲波在試樣中的傳播速度.由式（1）求得衰減系數(shù)為

3＃試樣對應頻域中的衰減系數(shù)譜如圖5所示.同理可以得出1＃和2＃試樣頻域中的衰減系數(shù)譜.

圖4 兩相鄰等份的散射信號Fig.4 The backscatter signals of the two adjacent segments

圖5 3＃試樣頻域中的衰減系數(shù)譜Fig.5 The attenuation coefficient spectrum of 3＃sample in the frequency domain

3 計算分析及防偽辨識

3.1 相關系數(shù)計算

以某種試樣的衰減系數(shù)譜作為標準信號α（ω）（本文以3＃試樣420不銹鐵為標準試樣），測試出其他待辨識試樣中的衰減系數(shù)譜αj（ω），其中j＝1，2，3為試樣的編號，計算αj（ω）與標準信號α（ω）的衰減相關系數(shù)r［α（ω），αj（ω）］.兩種試樣的衰減相關系接近于1，可認為這兩種試樣為同種材料.衰減相關系數(shù)的具體計算公式為式中，n為譜中點的個數(shù).若j＝3，即和標準試樣相重，上式為自相關系數(shù)rz；若j＝1，2則為互相關系數(shù)rh.

3.2 防偽辨識

首先，對標準試樣多次測試后求其衰減自相關系數(shù)變化范圍為ra～rb，取其中間值＝ （ra＋rb）/2作為該標準試樣的中間衰減自相關系數(shù)，閾值定義為Δ＝｜rb－ra｜/2.這里事先留存的標準試樣為3＃試樣，并對該標準試樣在同一位置取7次散射信號，計算其衰減自相關系數(shù)為0.997 44、0.989 23、0.994 59、0.981 02、0.999 23、0.983 87，得到其衰減自相關系數(shù)中間值為0.990 12，閾值為0.018 21.

其次，計算3種試樣分別與標準試樣的衰減相關系數(shù)，如表2所示.表中對每個樣品在同一位置取六次散射信號，相應地計算6個衰減相關系數(shù)，計算出其中間衰減互相關系數(shù)（計算方法與相同）.

最后，進行｜－｜和閾值Δ的比較.若｜－｜≤Δ，則認為這兩種試樣為相同材料，否則為相異材料.各試樣與標準試樣的衰減相關系數(shù)及辨識結(jié)果如表3所示.實驗證明，＞Δ時，為異種試樣（非1＃ 和2＃ 試樣），≤Δ時為同種試樣（3＃試樣）.

表2 各試樣間的衰減相關系數(shù)Tab.2 The calculated attenuation correlation coefficients of the standard samples

表3 辨識結(jié)果Tab.3 Identification results

4 結(jié)論

超聲波在材料中傳播，一方面由于阻尼、黏滯等因素將損耗一部分能量而轉(zhuǎn)換為熱能，另一方面，由于晶粒邊界取向的雜亂無章將引起散射損耗.多晶材料中，散射引起的衰減是主要因素.散射衰減與晶粒尺寸、形狀、取向等微觀結(jié)構(gòu)因素密切相關.本文取得了試樣的散射信號，就意味著得到試樣的微觀結(jié)構(gòu)信息，而每種材料的微觀結(jié)構(gòu)是獨特的，因此，可以利用攜帶材料微觀結(jié)構(gòu)信息的背向散射信號來防偽辨識材料.

本文以3種性能相近的金屬材料為例，提取了10MHz的高頻超聲波在材料內(nèi)部的背向散射信號，經(jīng)過變換計算得到材料的衰減系數(shù)譜.同種材料的衰減相關系數(shù)大，異種材料的衰減相關系數(shù)小.實驗和計算結(jié)果表明，本文提出的方法可以快速實現(xiàn)金屬防偽辨識，且對試樣沒有任何破壞，屬綠色無損的防偽辨識技術(shù).

［1］李明軒，王小民，安志武.粘接界面特性的超聲檢測與評價［J］.應用聲學，2013，32（3）:190-197.

［2］師芳芳，汪承灝，張碧星，等.時間反轉(zhuǎn)和逆時偏移混合法用于層狀介質(zhì)中目標的聲學檢測和定位［J］.聲學學報，2013，38（6）:639-647.

［3］沈建中.無損檢測的幾個熱點問題和技術(shù)［J］.無損檢測，2005，27（1）:24-26，46.

［4］Mao Jie，Li Mingxuan，Wang Xiaomin.Thickness determination for a two-Layered composite of a film and a plate by low-frequency ultrasound［J］.Chinese Physics Letter，2007，24（3）:755-758.

［5］Badidi B A，Lebaili S，Benchaala A.Grain size influence on ultrasonic velocities and attenuation［J］.Nondestructive Testing and Evaluation International，2003，36（1）:1-5.

［6］Degtyar A D.New method for determination of applied and residual stresses in anisotropy materials from ultrasonic velocity measurement［J］.Materials Evaluation，1997，55（10）:1162-1168.

［7］Ismail H.Mean grain size determination in marbles by ultrasonic first back-wall echo height measurements［J］.Nondestructive Testing and Evaluation International，2006，39:82-86.

［8］林莉，李喜孟.超聲波頻譜分析技術(shù)及其應用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:129.

［9］施克仁.無損檢測新技術(shù)［M］.北京:清華大學出版社，2007:115.

［10］Kawashima K.Ultrasonic nondestructive characterization of material［C］∥Proceeding of Japan Society Mechanical Engineering A.Hamamatsu:Shizuoka，2001:370-377.

［11］張洪達，馬世偉.Cr-Mo鋼平均晶粒尺寸的超聲無損評價［J］.上海大學學報:自然科學版，2006，2（12）:164-165.

［12］Lobkis O I，Rokhlin S I.Characterization of polycrystals with elongated duplex microstructure by inversion of ultrasonic backscattering data［J］.Applied Physics Letters，2010，96（16）:1-3.

［13］Liu Chengcheng，Han Haijie，Ta Dean，et al.Effect of selected signals of interest on ultrasonic backscattering measurement in cancellous bones［J］.Science China:Physics Mechanics ＆ Astronomy，2013，56（7）:1310-1316

［14］Li J，Yang L，Rokhlin S I.Effect of texture and grain shape on ultrasonic backscattering in polycrystals［J］.Ultrasonics，2014，54（7）:1789-1803.

［15］Yang L，Li J，Rokhlin S I.Ultrasonic scattering in polycrystals with orientation clusters of orthorhombic crystallites［J］. Wave Motion，2013，50 （8）:1283-1302.

［16］Thompson R B，Margetan F J，Haldipur P，et al.Scattering of elastic waves in simple and complex polycrystals［J］.Wave Motion，2008，45:655-674.

［17］Hualong Du，Turner Joseph A.Ultrasonic attenuation in pearlitic steel［J］.Ultrasonics，2013，54（3）:882-887.

［18］田彥平，賀西平，張宏普，等.基于聲參量的金屬材料辨識方法［J］.陜西師范大學報:自然科學版，2014，42（3）:34-40.

［19］Yang L，Turner J A，Li Z.Ultrasonic characterization of microstructure evolution during processing［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2007，121（1）:50-59.

［20］Yang L，Li J，Lobkis O I，et al.Ultrasonic propagation and scattering in duplex microstructures with application to titanium alloys［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，2012，31（3）:270-83.

［21］賀西平，田彥平，張宏普.超聲無損評價金屬材料晶粒尺寸的研究［J］.聲學技術(shù)，2013，32（6）:445-451.