基于超声衰减谱的金属材料无损辨识

刘小荣，贺西平，崔 东，卢 康，贺升平，尼 涛

（（1.陕西师范大学 物理学与信息技术学院 陕西省超声重点实验室，西安710119；2.宝鸡高新技术研究所，宝鸡721013）

在工业生产中，由于全球资源的减少会导致贵重金属价格逐渐攀升，一些不法企业可能会采用合金或其他欺诈手段替代贵重金属以降低产品成本，如果没有先进的科学方法对其进行辨识，则会给生产和生活带来严重的损失。国内外用于辨识金属材料的传统方法可分为化学和物理方法，化学方法有成份分析法、滴定分析法和容量分析法等；物理方法有感官辨识、断口辨识和火花辨识等，这些方法辨识精度有限且多为有损辨识。近年来，超声技术已成为材料无损检测和微观结构特征分析的一种重要方法［1－6］。

在介质中，声波能量随着其传播距离的增加会逐渐衰减，其中散射衰减受传播介质的物理性质影响很大，其与金属材料的孔隙率、晶粒形状及尺寸大小等微观因素密切相关［7－9］。背向散射衰减信号分析是用超声波来评价材料晶粒尺寸的主要技术手段之一。已有人利用超声速度法［10］、超声幅度谱法［11－13］、频谱分析 法［14－15］对 金 属 晶 粒 的 尺 寸 做 了测试和评价。利用超声背向散射法对骨质状况及骨质疏松进行诊断评价，得到超声背向散射相关参量与骨密度具有较高的相关性［16］。获取材料的散射衰减信号，能直观反映材料的不同特征信息［17－18］，可作为辨识不同金属材料的有效依据。利用超声衰减谱对金属材料进行无损辨识，基于背向散射信号的频域分析，尝试对金属材料进行无损辨识。例如对真假相混、外观相同的金属材料、贵重文物，或构成某产品中的金属材料部件，在不破坏原始材料的条件下，准确、无损地辨识出真材料。获取超声波在材料内部的局域背向散射信号f（t）散射信号幅度值关于时间的函数），计算得到衰减谱F（ω），利用阈值和衰减谱相关系数（两种材料的衰减谱Fa（ω）与Fb（ω）的相关系数，下文通称为衰减谱相关系数）的计算可以无损辨识金属材料。将衰减谱F（ω）作为材料的防伪信息，可有效辨识不同金属材料，这种方法不破坏原始材料，简单、快捷、直接，可达到无损防伪辨识的目的，特别可用于贵重金属材料、金属文物等的防伪识别。

1 试验装置及背向散射信号的获取

试验装置结构如图1所示。Panametrics－NDT 5077PR 超声脉冲发射仪／接收仪的脉冲重复频率（PRF）为100 Hz。E 为收发一体式探头，频率（Transducer Frequency）为10 MHz。Tektronix＿DPO5034B示波器累计采样5 000次作为一次均值信号输出并保存，再送入计算机，利用MATLAB编好的程序进行信号分析及相关计算。采样速率为500 MS·s－1，耦合剂为水。试验过程中严格保证试验条件相同。选用形状相同的两组金属材料，分别为成份相近的三种金属材料不锈钢1Cr17Ni2（4＃）、2Cr13（5＃）、3Cr13（6＃）和成份相差较大的三种金属304 不 锈 钢（1＃）、420 不 锈 钢（2＃）、铝 合 金2A13（3＃）。为了能获取比较稳定的局域背向散射信号，待测试的材料厚度最好不小于2.5mm。

图1 测试装置结构

以金属材料1Cr17Ni2 为例，试验采集超声波在材料中的回波波形如图2所示。提取始波与一次底面回波间的背向散射信号如图3（a）所示，其对应的局域背向散射信号如图3（b）所示。

图2 声波在金属材料1Cr17Ni2中的回波波形

图3 金属材料1Cr17Ni2中声波的背向散射信号及其局域信号

2 衰减谱相关系数

已知的金属材料称为标准材料，以上述金属材料1Cr17Ni2为例，获取标准材料始波与一次回波间的背向散射信号f（t），截取材料内部一段时域局域背向散射信号，并两等份为f1（t）和f2（t），如图4所示。再傅里叶变换得到幅度谱F1（ω）和F2（ω），对应幅度谱分别如图5（a）和（b）所示。相邻两段信号的幅度谱的比值可以反映材料的衰减特性［19］，材料的衰减谱可表示为：

图4 金属材料1Cr17Ni2两相邻等份的散射信号

图5 金属材料1Cr17Ni2在频域中的幅度谱

图6 金属材料1Cr17Ni2的衰减谱

通过计算得到的衰减谱F（ω）如图6所示。对各材料在同一局域的背向散射信号的相关性分析表明，相同材料在同一局域的衰减谱有高度的相关性。把未知的金属材料称为待辨识材料，以计算标准材料衰减谱F（ω）和待辨识材料衰减谱Fk（ω）的相关系数为例（这里k表示第k个待辨识材料。为了使标准材料的衰减谱比较稳定，F（ω）取标准材料的多次测试衰减谱的均值），F（ω）与Fk（ω）的相关系数表达式可表示为：

式中：n为衰减谱数据的点个数。

3 金属材料的辨识

在试验中，获取材料局域背向散射信号f（t），计算衰减谱F（ω）作为该材料的防伪信息，具体流程如图7所示。

图7 获取防伪信息的流程图

标准材料的衰减谱F（ω）与标准材料各次测试的衰减谱相关系数变化范围为rmin～rmax，规定标准材料的衰减谱相关系数为：

试验辨识的阈值为：

标准材料的衰减谱F（ω）与待辨识材料的衰减谱的相关系数为rk，若不大于Δ（计算阈值），则认为这两种材料为相同材料，否则为相异材料。辨识流程如图8所示。

图8 辨识流程图

3.1 成份相差较大金属材料的辨识

3.1.1 衰减谱相关系数r和阈值Δ

试验中，以1＃金属304不锈钢作为标准材料，6次采集局域背向散射信号f（t），计算衰减谱F（ω）并留作该材料的防伪信息。衰减谱F（ω）分别与各次测试衰减谱的相关系数分别为0.858 5，0.881 5，0.870 6，0.856 0，0.868 3，0.865 8，标准材料的衰减谱相关系数r为0.868 7，阈值Δ为0.012 7。

3.1.2 衰减谱相关系数rk

将三种成份相差较大的原始金属材料（包含标准材料304不锈钢）相混，作为待辨识材料。试验要辨识出1＃标准材料304不锈钢，先分别获取各待辨识材料的相同局域背向散射信号f（t），再分别计算衰减谱Fk（ω），其中k＝1，2，3。然后计算Fk（ω）与保留的标准材料的防伪信息衰减谱F（ω）的衰减谱相关系数rk为：304不锈钢为0.862 1；420不锈钢为0.577 6；铝合金2A13为0.441 5。

3.1.3 辨识

各待辨识材料与标准材料的衰减谱相关系数的比较及辨识结果如表1 所示。当大于Δ时，为异种材料（非1＃材料）不大于Δ时为同种材料（1＃材料）。

表1 1＃，2＃，3＃材料的辨识结果

3.2 成份相近金属材料的辨识

同上述试验原理，对成份相差较近的三种原始金属材料辨识。

3.2.1 衰减谱相关系数r、阈值Δ

以6＃金属材料3Cr13作为标准材料，六次采集局域背向散射信号f（t），并计算衰减谱F（ω）留作金属材料3Cr13的防伪信息。衰减谱F（ω）分别与各次测试衰减谱的相关系数分别为0.881 0，0.892 4，0.915 2，0.891 3，0.902 8，0.883 1，标准材料的衰减谱相关系数r为0.898 1，阈值Δ为0.017 1。

3.2.2 衰减谱相关系数rk

在三种成份相近的材料（包含标准材料）中，试验要辨识出6＃材料。获取各待辨识材料的局域背向散射信号f（t），分别计算衰减谱Fk（ω）与保留的标准材料的防伪信息衰减谱F（ω）的相关系数rk分别为：1Cr17Ni2为0.624 3；2Cr13为0.535 3；3Cr13为0.891 2。

3.2.3 辨识

表2 4＃，5＃，6＃材料的辨识结果

4 结论

超声波在材料中传播会发生散射衰减和吸收衰减，对于金属材料，主要是散射衰减。散射信号携带有金属材料的微观结构特征信息，使得不同金属材料均有独特的背向散射信号。试验获取两组金属材料的局域背向散射信号并做了相关研究。结果表明，不同种类金属材料304 不锈钢、420不锈钢、铝合金2A13的衰减谱之间差异比较大，而同一类金属材料1Cr17Ni2、2Cr13、3Cr13的衰减谱之间也有一定差异。因此，获取金属材料的散射信号就相当于得到了该金属材料独特的微观结构信息，再对该散射信号进行相关分析，可用于辨识不同金属材料。

以形状相同的两组金属材料304 不锈钢、420不锈钢、铝合金2A13和1Cr17Ni2、2Cr13、3Cr13为例，在不破坏金属材料的条件下，提取10MHz的高频超声波在材料内部的局域背向散射信号f（t），对其衰减谱F（ω）做了相关分析。两种金属材料的衰减谱相关系数满足不大于Δ时，可视为同一材料，否则为相异材料；将衰减谱F（ω）作为金属材料的防伪信息，利用衰减谱相关系数的计算方法可辨识金属材料。这种方法不破坏原始材料，并且有简单、快捷、直接辨识等优点，为无损辨识金属材料提供了一种新的方法。

［1］ 沈功田，李丽菲，王珊珊，等.铸铁设备无损检测技术进展［J］.无损检测，2011，32（1）：62－68.

［2］ LI X D，SONG Y F，LIU F，et al.Evaluation of mean grain size using the multi－scale ultrasonic attenuation coefficient［J］.NDT and E International，2015，72：25－32.

［3］ 许金才.国内外超声检测标准关于对比试块声学性能规定的比较［J］.无损检测，2014，36（8）：71－75.

［4］ SHI S，LIU Z G，SUN J T，ZHANG M，et al.Study of errors in ultrasonic heat meter measurements caused by impurities of water based on ultrasonic attenuation［J］.Journal of Hydrodynamics，2015，27（1）：141－149.

［5］ 王少军，俞厚德，钱耀洲，等.基于超声散射法的微小缺陷及近表面缺陷的检测［J］.无损检测，2014，36（1）：49－53.

［6］ MAO J， LI M X， WANG X M.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.

［7］ 龙会国，邓宏平，何朋飞，等.锅炉水冷壁管沉积物下腐蚀损伤特征及其超声检测［J］.无损检测，2014，36（6）：19－23.

[8] 李继承,林莉,赵扬,等.HIPIB 辐照前后Cr2O3陶瓷涂层超声衰减特性研究[J].无损检测,2007,29(10):580-583.

[9] 田彦平,贺西平,张宏普,等.基于声参量的金属材料辨识方法[J].陕西师范大学学报:自然科学版,2014,42(3):34-40.

[10] BADIDIBA,LEBAILIS,NCHAALAA.Grainsize influenceonultrasonicvelocitiesandattenuation[J].NDT&EInternational,2003,36(1):1-5.

[11] SMAIL H,SARPÜN M,SELAMIK.Meangrain size determination in marbles by ultrasonic first backwallecho height measurements[J].NDT&E International,2006,9(1):82-86.

[12] 侯怀书,苏明旭,蔡小舒.基于超声衰减谱的纳米颗粒粒度分布测量研究[J].声学学报,2010,35(5):508-514.

[13] 施克仁.无损检测新技术[M].北京:清华大学出版社,2007.

[14] KAWASHIMA K.Ultrasonicnondestructivecharacterization of material[J].Proceeding of Japan Society MechanicalEngineeringA,2001,67:370-377.

[15] 张洪达,马世伟.Cr-Mo钢平均晶粒尺寸的超声无损评价[J].上海大学学报:自然科学版,2006,2(12):164-165.

[16] 他得安,王威琪.超声背散射法评价松质骨状况的研究[J].应用声学,2013,32(3):199-204.

[17] 美国无损检测学会.美国无损检测手册.超声卷:上册[M].北京:世界图书出版社,1996:593-594,615.

[18] 袁光华,常楠,周路生,等.不锈钢管道对接焊缝焊接热裂纹超声波检测技术[J].无损检测,2013,35(12):1-4.

[19] 贺西平,田彦平,张宏普.超声无损评价金属材料晶粒尺寸的研究[J],声学技术,2013,32(6):445-451.