基于超聲衰減譜的金屬材料無損辨識

劉小榮，賀西平，崔 東，盧 康，賀升平，尼 濤

（（1.陜西師范大學 物理學與信息技術學院 陜西省超聲重點實驗室，西安710119；2.寶雞高新技術研究所，寶雞721013）

在工業生產中，由于全球資源的減少會導致貴重金屬價格逐漸攀升，一些不法企業可能會采用合金或其他欺詐手段替代貴重金屬以降低產品成本，如果沒有先進的科學方法對其進行辨識，則會給生產和生活帶來嚴重的損失。國內外用于辨識金屬材料的傳統方法可分為化學和物理方法，化學方法有成份分析法、滴定分析法和容量分析法等；物理方法有感官辨識、斷口辨識和火花辨識等，這些方法辨識精度有限且多為有損辨識。近年來，超聲技術已成為材料無損檢測和微觀結構特征分析的一種重要方法［1－6］。

在介質中，聲波能量隨著其傳播距離的增加會逐漸衰減，其中散射衰減受傳播介質的物理性質影響很大，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［7－9］。背向散射衰減信號分析是用超聲波來評價材料晶粒尺寸的主要技術手段之一。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 金 屬 晶 粒 的 尺 寸 做 了測試和評價。利用超聲背向散射法對骨質狀況及骨質疏松進行診斷評價，得到超聲背向散射相關參量與骨密度具有較高的相關性［16］。獲取材料的散射衰減信號，能直觀反映材料的不同特征信息［17－18］，可作為辨識不同金屬材料的有效依據。利用超聲衰減譜對金屬材料進行無損辨識，基于背向散射信號的頻域分析，嘗試對金屬材料進行無損辨識。例如對真假相混、外觀相同的金屬材料、貴重文物，或構成某產品中的金屬材料部件，在不破壞原始材料的條件下，準確、無損地辨識出真材料。獲取超聲波在材料內部的局域背向散射信號f（t）散射信號幅度值關于時間的函數），計算得到衰減譜F（ω），利用閾值和衰減譜相關系數（兩種材料的衰減譜Fa（ω）與Fb（ω）的相關系數，下文通稱為衰減譜相關系數）的計算可以無損辨識金屬材料。將衰減譜F（ω）作為材料的防偽信息，可有效辨識不同金屬材料，這種方法不破壞原始材料，簡單、快捷、直接，可達到無損防偽辨識的目的，特別可用于貴重金屬材料、金屬文物等的防偽識別。

1 試驗裝置及背向散射信號的獲取

試驗裝置結構如圖1所示。Panametrics－NDT 5077PR 超聲脈沖發射儀／接收儀的脈沖重復頻率（PRF）為100 Hz。E 為收發一體式探頭，頻率（Transducer Frequency）為10 MHz。Tektronix＿DPO5034B示波器累計采樣5 000次作為一次均值信號輸出并保存，再送入計算機，利用MATLAB編好的程序進行信號分析及相關計算。采樣速率為500 MS·s－1，耦合劑為水。試驗過程中嚴格保證試驗條件相同。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＃）。為了能獲取比較穩定的局域背向散射信號，待測試的材料厚度最好不小于2.5mm。

圖1 測試裝置結構

以金屬材料1Cr17Ni2 為例，試驗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如圖3（a）所示，其對應的局域背向散射信號如圖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及其局域信號

2 衰減譜相關系數

已知的金屬材料稱為標準材料，以上述金屬材料1Cr17Ni2為例，獲取標準材料始波與一次回波間的背向散射信號f（t），截取材料內部一段時域局域背向散射信號，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），對應幅度譜分別如圖5（a）和（b）所示。相鄰兩段信號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

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

通過計算得到的衰減譜F（ω）如圖6所示。對各材料在同一局域的背向散射信號的相關性分析表明，相同材料在同一局域的衰減譜有高度的相關性。把未知的金屬材料稱為待辨識材料，以計算標準材料衰減譜F（ω）和待辨識材料衰減譜Fk（ω）的相關系數為例（這里k表示第k個待辨識材料。為了使標準材料的衰減譜比較穩定，F（ω）取標準材料的多次測試衰減譜的均值），F（ω）與Fk（ω）的相關系數表達式可表示為：

式中：n為衰減譜數據的點個數。

3 金屬材料的辨識

在試驗中，獲取材料局域背向散射信號f（t），計算衰減譜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

標準材料的衰減譜F（ω）與標準材料各次測試的衰減譜相關系數變化范圍為rmin～rmax，規定標準材料的衰減譜相關系數為：

試驗辨識的閾值為：

標準材料的衰減譜F（ω）與待辨識材料的衰減譜的相關系數為rk，若不大于Δ（計算閾值），則認為這兩種材料為相同材料，否則為相異材料。辨識流程如圖8所示。

圖8 辨識流程圖

3.1 成份相差較大金屬材料的辨識

3.1.1 衰減譜相關系數r和閾值Δ

試驗中，以1＃金屬304不銹鋼作為標準材料，6次采集局域背向散射信號f（t），計算衰減譜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系數分別為0.858 5，0.881 5，0.870 6，0.856 0，0.868 3，0.865 8，標準材料的衰減譜相關系數r為0.868 7，閾值Δ為0.012 7。

3.1.2 衰減譜相關系數rk

將三種成份相差較大的原始金屬材料（包含標準材料304不銹鋼）相混，作為待辨識材料。試驗要辨識出1＃標準材料304不銹鋼，先分別獲取各待辨識材料的相同局域背向散射信號f（t），再分別計算衰減譜Fk（ω），其中k＝1，2，3。然后計算Fk（ω）與保留的標準材料的防偽信息衰減譜F（ω）的衰減譜相關系數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

各待辨識材料與標準材料的衰減譜相關系數的比較及辨識結果如表1 所示。當大于Δ時，為異種材料（非1＃材料）不大于Δ時為同種材料（1＃材料）。

表1 1＃，2＃，3＃材料的辨識結果

3.2 成份相近金屬材料的辨識

同上述試驗原理，對成份相差較近的三種原始金屬材料辨識。

3.2.1 衰減譜相關系數r、閾值Δ

以6＃金屬材料3Cr13作為標準材料，六次采集局域背向散射信號f（t），并計算衰減譜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系數分別為0.881 0，0.892 4，0.915 2，0.891 3，0.902 8，0.883 1，標準材料的衰減譜相關系數r為0.898 1，閾值Δ為0.017 1。

3.2.2 衰減譜相關系數rk

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

3.2.3 辨識

表2 4＃，5＃，6＃材料的辨識結果

4 結論

超聲波在材料中傳播會發生散射衰減和吸收衰減，對于金屬材料，主要是散射衰減。散射信號攜帶有金屬材料的微觀結構特征信息，使得不同金屬材料均有獨特的背向散射信號。試驗獲取兩組金屬材料的局域背向散射信號并做了相關研究。結果表明，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就相當于得到了該金屬材料獨特的微觀結構信息，再對該散射信號進行相關分析，可用于辨識不同金屬材料。

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部的局域背向散射信號f（t），對其衰減譜F（ω）做了相關分析。兩種金屬材料的衰減譜相關系數滿足不大于Δ時，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，利用衰減譜相關系數的計算方法可辨識金屬材料。這種方法不破壞原始材料，并且有簡單、快捷、直接辨識等優點，為無損辨識金屬材料提供了一種新的方法。

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