基于超聲衰減譜的金屬材料無損辨識(shí)

劉小榮，賀西平，崔 東，盧 康，賀升平，尼 濤

（（1.陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院 陜西省超聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710119；2.寶雞高新技術(shù)研究所，寶雞721013）

在工業(yè)生產(chǎn)中，由于全球資源的減少會(huì)導(dǎo)致貴重金屬價(jià)格逐漸攀升，一些不法企業(yè)可能會(huì)采用合金或其他欺詐手段替代貴重金屬以降低產(chǎn)品成本，如果沒有先進(jìn)的科學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行辨識(shí)，則會(huì)給生產(chǎn)和生活帶來嚴(yán)重的損失。國內(nèi)外用于辨識(shí)金屬材料的傳統(tǒng)方法可分為化學(xué)和物理方法，化學(xué)方法有成份分析法、滴定分析法和容量分析法等；物理方法有感官辨識(shí)、斷口辨識(shí)和火花辨識(shí)等，這些方法辨識(shí)精度有限且多為有損辨識(shí)。近年來，超聲技術(shù)已成為材料無損檢測和微觀結(jié)構(gòu)特征分析的一種重要方法［1－6］。

在介質(zhì)中，聲波能量隨著其傳播距離的增加會(huì)逐漸衰減，其中散射衰減受傳播介質(zhì)的物理性質(zhì)影響很大，其與金屬材料的孔隙率、晶粒形狀及尺寸大小等微觀因素密切相關(guān)［7－9］。背向散射衰減信號(hào)分析是用超聲波來評(píng)價(jià)材料晶粒尺寸的主要技術(shù)手段之一。已有人利用超聲速度法［10］、超聲幅度譜法［11－13］、頻譜分析 法［14－15］對(duì) 金 屬 晶 粒 的 尺 寸 做 了測試和評(píng)價(jià)。利用超聲背向散射法對(duì)骨質(zhì)狀況及骨質(zhì)疏松進(jìn)行診斷評(píng)價(jià)，得到超聲背向散射相關(guān)參量與骨密度具有較高的相關(guān)性［16］。獲取材料的散射衰減信號(hào)，能直觀反映材料的不同特征信息［17－18］，可作為辨識(shí)不同金屬材料的有效依據(jù)。利用超聲衰減譜對(duì)金屬材料進(jìn)行無損辨識(shí)，基于背向散射信號(hào)的頻域分析，嘗試對(duì)金屬材料進(jìn)行無損辨識(shí)。例如對(duì)真假相混、外觀相同的金屬材料、貴重文物，或構(gòu)成某產(chǎn)品中的金屬材料部件，在不破壞原始材料的條件下，準(zhǔn)確、無損地辨識(shí)出真材料。獲取超聲波在材料內(nèi)部的局域背向散射信號(hào)f（t）散射信號(hào)幅度值關(guān)于時(shí)間的函數(shù)），計(jì)算得到衰減譜F（ω），利用閾值和衰減譜相關(guān)系數(shù)（兩種材料的衰減譜Fa（ω）與Fb（ω）的相關(guān)系數(shù)，下文通稱為衰減譜相關(guān)系數(shù)）的計(jì)算可以無損辨識(shí)金屬材料。將衰減譜F（ω）作為材料的防偽信息，可有效辨識(shí)不同金屬材料，這種方法不破壞原始材料，簡單、快捷、直接，可達(dá)到無損防偽辨識(shí)的目的，特別可用于貴重金屬材料、金屬文物等的防偽識(shí)別。

1 試驗(yàn)裝置及背向散射信號(hào)的獲取

試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。Panametrics－NDT 5077PR 超聲脈沖發(fā)射儀／接收儀的脈沖重復(fù)頻率（PRF）為100 Hz。E 為收發(fā)一體式探頭，頻率（Transducer Frequency）為10 MHz。Tektronix＿DPO5034B示波器累計(jì)采樣5 000次作為一次均值信號(hào)輸出并保存，再送入計(jì)算機(jī)，利用MATLAB編好的程序進(jìn)行信號(hào)分析及相關(guān)計(jì)算。采樣速率為500 MS·s－1，耦合劑為水。試驗(yàn)過程中嚴(yán)格保證試驗(yàn)條件相同。選用形狀相同的兩組金屬材料，分別為成份相近的三種金屬材料不銹鋼1Cr17Ni2（4＃）、2Cr13（5＃）、3Cr13（6＃）和成份相差較大的三種金屬304 不 銹 鋼（1＃）、420 不 銹 鋼（2＃）、鋁 合 金2A13（3＃）。為了能獲取比較穩(wěn)定的局域背向散射信號(hào)，待測試的材料厚度最好不小于2.5mm。

圖1 測試裝置結(jié)構(gòu)

以金屬材料1Cr17Ni2 為例，試驗(yàn)采集超聲波在材料中的回波波形如圖2所示。提取始波與一次底面回波間的背向散射信號(hào)如圖3（a）所示，其對(duì)應(yīng)的局域背向散射信號(hào)如圖3（b）所示。

圖2 聲波在金屬材料1Cr17Ni2中的回波波形

圖3 金屬材料1Cr17Ni2中聲波的背向散射信號(hào)及其局域信號(hào)

2 衰減譜相關(guān)系數(shù)

已知的金屬材料稱為標(biāo)準(zhǔn)材料，以上述金屬材料1Cr17Ni2為例，獲取標(biāo)準(zhǔn)材料始波與一次回波間的背向散射信號(hào)f（t），截取材料內(nèi)部一段時(shí)域局域背向散射信號(hào)，并兩等份為f1（t）和f2（t），如圖4所示。再傅里葉變換得到幅度譜F1（ω）和F2（ω），對(duì)應(yīng)幅度譜分別如圖5（a）和（b）所示。相鄰兩段信號(hào)的幅度譜的比值可以反映材料的衰減特性［19］，材料的衰減譜可表示為：

圖4 金屬材料1Cr17Ni2兩相鄰等份的散射信號(hào)

圖5 金屬材料1Cr17Ni2在頻域中的幅度譜

圖6 金屬材料1Cr17Ni2的衰減譜

通過計(jì)算得到的衰減譜F（ω）如圖6所示。對(duì)各材料在同一局域的背向散射信號(hào)的相關(guān)性分析表明，相同材料在同一局域的衰減譜有高度的相關(guān)性。把未知的金屬材料稱為待辨識(shí)材料，以計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)材料衰減譜F（ω）和待辨識(shí)材料衰減譜Fk（ω）的相關(guān)系數(shù)為例（這里k表示第k個(gè)待辨識(shí)材料。為了使標(biāo)準(zhǔn)材料的衰減譜比較穩(wěn)定，F(xiàn)（ω）取標(biāo)準(zhǔn)材料的多次測試衰減譜的均值），F(xiàn)（ω）與Fk（ω）的相關(guān)系數(shù)表達(dá)式可表示為：

式中：n為衰減譜數(shù)據(jù)的點(diǎn)個(gè)數(shù)。

3 金屬材料的辨識(shí)

在試驗(yàn)中，獲取材料局域背向散射信號(hào)f（t），計(jì)算衰減譜F（ω）作為該材料的防偽信息，具體流程如圖7所示。

圖7 獲取防偽信息的流程圖

標(biāo)準(zhǔn)材料的衰減譜F（ω）與標(biāo)準(zhǔn)材料各次測試的衰減譜相關(guān)系數(shù)變化范圍為rmin～rmax，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)材料的衰減譜相關(guān)系數(shù)為：

試驗(yàn)辨識(shí)的閾值為：

標(biāo)準(zhǔn)材料的衰減譜F（ω）與待辨識(shí)材料的衰減譜的相關(guān)系數(shù)為rk，若不大于Δ（計(jì)算閾值），則認(rèn)為這兩種材料為相同材料，否則為相異材料。辨識(shí)流程如圖8所示。

圖8 辨識(shí)流程圖

3.1 成份相差較大金屬材料的辨識(shí)

3.1.1 衰減譜相關(guān)系數(shù)r和閾值Δ

試驗(yàn)中，以1＃金屬304不銹鋼作為標(biāo)準(zhǔn)材料，6次采集局域背向散射信號(hào)f（t），計(jì)算衰減譜F（ω）并留作該材料的防偽信息。衰減譜F（ω）分別與各次測試衰減譜的相關(guān)系數(shù)分別為0.858 5，0.881 5，0.870 6，0.856 0，0.868 3，0.865 8，標(biāo)準(zhǔn)材料的衰減譜相關(guān)系數(shù)r為0.868 7，閾值Δ為0.012 7。

3.1.2 衰減譜相關(guān)系數(shù)rk

將三種成份相差較大的原始金屬材料（包含標(biāo)準(zhǔn)材料304不銹鋼）相混，作為待辨識(shí)材料。試驗(yàn)要辨識(shí)出1＃標(biāo)準(zhǔn)材料304不銹鋼，先分別獲取各待辨識(shí)材料的相同局域背向散射信號(hào)f（t），再分別計(jì)算衰減譜Fk（ω），其中k＝1，2，3。然后計(jì)算Fk（ω）與保留的標(biāo)準(zhǔn)材料的防偽信息衰減譜F（ω）的衰減譜相關(guān)系數(shù)rk為：304不銹鋼為0.862 1；420不銹鋼為0.577 6；鋁合金2A13為0.441 5。

3.1.3 辨識(shí)

各待辨識(shí)材料與標(biāo)準(zhǔn)材料的衰減譜相關(guān)系數(shù)的比較及辨識(shí)結(jié)果如表1 所示。當(dāng)大于Δ時(shí)，為異種材料（非1＃材料）不大于Δ時(shí)為同種材料（1＃材料）。

表1 1＃，2＃，3＃材料的辨識(shí)結(jié)果

3.2 成份相近金屬材料的辨識(shí)

同上述試驗(yàn)原理，對(duì)成份相差較近的三種原始金屬材料辨識(shí)。

3.2.1 衰減譜相關(guān)系數(shù)r、閾值Δ

以6＃金屬材料3Cr13作為標(biāo)準(zhǔn)材料，六次采集局域背向散射信號(hào)f（t），并計(jì)算衰減譜F（ω）留作金屬材料3Cr13的防偽信息。衰減譜F（ω）分別與各次測試衰減譜的相關(guān)系數(shù)分別為0.881 0，0.892 4，0.915 2，0.891 3，0.902 8，0.883 1，標(biāo)準(zhǔn)材料的衰減譜相關(guān)系數(shù)r為0.898 1，閾值Δ為0.017 1。

3.2.2 衰減譜相關(guān)系數(shù)rk

在三種成份相近的材料（包含標(biāo)準(zhǔn)材料）中，試驗(yàn)要辨識(shí)出6＃材料。獲取各待辨識(shí)材料的局域背向散射信號(hào)f（t），分別計(jì)算衰減譜Fk（ω）與保留的標(biāo)準(zhǔn)材料的防偽信息衰減譜F（ω）的相關(guān)系數(shù)rk分別為：1Cr17Ni2為0.624 3；2Cr13為0.535 3；3Cr13為0.891 2。

3.2.3 辨識(shí)

表2 4＃，5＃，6＃材料的辨識(shí)結(jié)果

4 結(jié)論

超聲波在材料中傳播會(huì)發(fā)生散射衰減和吸收衰減，對(duì)于金屬材料，主要是散射衰減。散射信號(hào)攜帶有金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)特征信息，使得不同金屬材料均有獨(dú)特的背向散射信號(hào)。試驗(yàn)獲取兩組金屬材料的局域背向散射信號(hào)并做了相關(guān)研究。結(jié)果表明，不同種類金屬材料304 不銹鋼、420不銹鋼、鋁合金2A13的衰減譜之間差異比較大，而同一類金屬材料1Cr17Ni2、2Cr13、3Cr13的衰減譜之間也有一定差異。因此，獲取金屬材料的散射信號(hào)就相當(dāng)于得到了該金屬材料獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)信息，再對(duì)該散射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，可用于辨識(shí)不同金屬材料。

以形狀相同的兩組金屬材料304 不銹鋼、420不銹鋼、鋁合金2A13和1Cr17Ni2、2Cr13、3Cr13為例，在不破壞金屬材料的條件下，提取10MHz的高頻超聲波在材料內(nèi)部的局域背向散射信號(hào)f（t），對(duì)其衰減譜F（ω）做了相關(guān)分析。兩種金屬材料的衰減譜相關(guān)系數(shù)滿足不大于Δ時(shí)，可視為同一材料，否則為相異材料；將衰減譜F（ω）作為金屬材料的防偽信息，利用衰減譜相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方法可辨識(shí)金屬材料。這種方法不破壞原始材料，并且有簡單、快捷、直接辨識(shí)等優(yōu)點(diǎn)，為無損辨識(shí)金屬材料提供了一種新的方法。

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