基于声参量的金属材料辨识方法

1、基于声参量的金属材料辨识方法超声波作用下金属材料对其响应与材料内部微或金属制造用价格较低廉的金属替代品，取代价观结构密切相关1- 3 ，超声波在不同金属材料中传播格较高的原物料，谋取暴利，或是偷工减料，制造出时 ， 引起的声波能量损失和传播速度等会与该材料的 不符合国际规格或规范的金属制品，造成重大损失特性有关，不同的金属材料对应的声参量是不同的 . 或安全事故. 因此， 金属材料的辨识分析越来越重要 .通过测试在金属中传播的超声波声参量，就可对金金属的辨识分析是识别金属种类的重要手段，传统属材料进行辨识（鉴别或防伪）. 由于全球资源逐渐 的金属材料的辨识方法有物理法和化学法，其中物减少，近年

2、来原物料价格一路攀升，有些原料供应商理辨识是针对金属的宏观物理特征及金属在物理过程中表现出的微观特征进行的，常用的方法有感官 辨识、断口辨识和火花辨识等.由于物理辨识方法简 便易行、现场性好，分析精度可从定性到半定量，对于一般常用金属材料，此方法已能满足要求，但存在一定的局限性，例如：断口辨识和火花辨识方法是 有 损的.化学辨识是根据化学反应来分析金属的组 成成 分来辨识是何种金属，化学成分分析方法有滴 定分 析方法、重量分析法和容量分析法 4 等.化学辨识方 法较复杂且有损.超声波与不同材料（对应的显 微结 构不同）相互作用，引起的声波能量损失和传播速度（声衰减系数与声速）的变化是不同的，并

3、且窄 脉 冲在不同材料中传播遇底面反射后，各个谐波的变化造成的频谱的变化（引起峰值频率与带宽会不同）也会有所不同，从而提供了可以判断材料内部性质的信息.所以，根据超声波与不同材料相互作用后的不同的声参量，对其测量后就可作为辨识金属材料的依据.本文以3种不同的金属材料（其中同种材料采用有不同的热处理条件） 为例，测试并计算这些材料 的 声速、声衰减系数、一次底面回波的幅度谱、功率谱的峰值频率及带宽，探讨辨识金属材料的方法.某些从颜色、密度等无法区分的金属材料，利用本文的 方 法就可迅速辨识.1金属材料声参量的提取及计算由于不同材质和材料微结构的变化都可能对超 声波的传播特性产生影响，使得超声波在

4、固体中的传播机理较为复杂5 6.外部条件相同时，超声波通 过不 同材料，接收到的底面回波将会携带有该材料 固有 的特征信息，因此材料不同，回波将不同 .根据 此原 理，利用一次和二次底面回波测得不同材料的 声参 量，比较分析后就可用于金属材料的辨识 .当然，采量、密度）有关，是表征介质声学特性的重要参数.通常用脉冲反射法对声速进行测量，只需知道声程L和传播时间T ,由公式V = L/T就能得到声速. 利 用脉冲反射法测声速时，声速计算公式如下： 2 dic式中d为被测样品的厚度，i为一次底面回波 到二次底面回波间的时间，c为超声波在被 测样品中的传播速度.1.2 声衰减系数超声波在材料中传播后

5、声衰减会发生变化.研究表明相对较小的衰减变化通常与显微结构特性的显1者变化相关.当平面严波在金属中传播时，不计 严束 扩展，其声压衰减规律为 > =九6 '式中九为 起始 声压，为超声波传播一段距离 I处的声压，a为衰减 系数.若测量时探头入射声能相同，耦合条件也相同，因回波高度与回波声压成正比，根据声压衰减规律有口式中d为被测样品的厚度，Ai、Az分别为试样一次 与 二次底面回波高度.1.3 幅度谱（_次底面回波的）中峰值频率及带宽超声波的高频（短波长）部分在材料中传播时，碰到用不同频率的超声探头，保持其他条件一致， 一材料进行测量，所测得的材料的声参量也会 不同.文献7 在用

6、超声波检测水煤浆浓度时, 频率的超声探头得到不同的声学参量与水煤浆对同 有所 不同 浓度超声波声速与传声介质的特性及状态（弹性模time domain (a) and frequency domain (b)晶粒后被吸收或散射，未能沿探头方向反射回来，造成相应高频部分的频率响应有明显的衰减，低频部分则衰减较少. 对材料底面反射波的频谱进行分析，可用于研究材料的有关特性 . 从实验中获得的超声回波信号中选取一次底面回波，经傅里叶变换得到其频谱，其中的峰值频率( Peak Frequency，PF)及带宽(Band Width, BW)W材料的特性有关1°.不同材料所对应的这两个量也会有

7、所不同，由此可用于无损辨识金属材料. 对一次底面回波信号进行处理，测量峰值频率及带宽的过程如图1 所示 .1.4 功率谱（_次底面回波的）中峰值频率及带宽其计算与幅度谱中相同，只是把其中一次底面回波的傅里叶变换变为自功率谱变换后，计算出自功率谱中一次底面回波的峰值频率及带宽2测试本文以不锈铁、不锈钢和铝合金这3种性能相 近的材料（同种材料采用不同热处理条件）为例，对这些金属材料的声参量分别进行提取和计算 ，分析后 发现不同金属的材料，以及相同金属但不同热处理温度下的材料对应的声参量不同 .1.1 测试样品测试中使用的样品及样品尺寸、热处理条件如表1所示波形图（以其中一次测试为例）分别如图3和图

8、4所示.of experiment device图2测试装置示意图Fig. 2 The schematic产上描计算机表1实验样品的物理参数Tab. 1 The physical parameters of experimental samples编号材料热处理余件 *尺、（长 X竟 X图）/mm1H-1-不锈铁800 C 260 C/h 个 6h5 0X 5 0X2 51H-2不锈铁900 C 260 C/h 个 6h5 0X50X251H-3不锈铁常温5 0X50X252H-4304不锈钢850 C 260 C/h 个 6h5 0X50X252H-5304不锈钢950 C 260 C/h

9、个 6h5 0X50X252H-6304不锈钢常温5 0X50X303H-7铝合金2八13300 C 150 C/M6h5 0X50X253H-8铝合金2 K 13350 C 150 C/M6h5 0X50X303H-9铝合金2八13400 C 150 C/h 个 6h5 0X50X303H-10铝合金2八13450 C 150 C/h 个 6h5 0X50X303H-11铝合金2八13常温5 0X50X30*热处理条件，800 C|260 C/h | |6 h代表的是以每小时260 C对材料进行升温处理，温度升到800 C时保温6小时，自然冷却.2 . 2测试流程用脉冲发射接收仪发射脉冲，激

10、励发射探头（接 收/发射纵波直探头，窄脉冲，脉冲宽度约为500? 600 ns）,经样品底部反射后又被探头接收，数字示 波器进行采样并送入计算机中进行处理，计算出有关的声参量.图2为测试装置示意图.超声脉冲发射 接受 仪是美国泛美公司生产，型号为 Model 5077PR它是一种宽带方波脉冲发射接收仪 ，带宽为 35 MHz.数字示波器为普源 RIGOL DS1052E.本文采用探头频率分别为 2.25 MHz,5 MHz、7. 5 MH极10 MHz的脉冲-反射模式.3 发射及接收信号实验测试过程中的发射与接收信号的时域和频 域a1.2a24681012141618频率 /XI 0 _5 M

11、Hz b图 4 时域 U)与频域(b)的接收信号 Fig. 4 The received signal of time domain (a) and frequency domain(b)3数据处理3.1 测试数据对每个样品每次存 6组数据，每组测试 8次，即 每个样品实测48组数据，平均后at算其声参量.根据 这些数据，可计算得到各样品在各探头频率下的声 速、声衰减系数、一次底面回波的幅度谱、功率谱的峰 值频率及带宽的平均值.表2中列出探头频率分别为5 MHz时3种材料的声速、 2. 25 MHz时的一次底 面回波的带宽（幅度谱中），.5 MHz寸的衰减系数及 一 次底面回波的峰值频率（幅度

12、谱中），5 MHz以及10 MHz时材料的衰减系数的部分声参量值表2不同频率下 3种材料的部分声参量Tab. 2Theacoustic parameters of threekinds ofmaterials withdifferentfrequencies太材料不锈铁304不锈铁铝自金2八131H-11H-21H-32H-42H-52H-63H-73H-83H-93H-103H-11热处埋条件/ C800900258509502530035040045025厚度/mm25253025253025302530305 MHz时声速/6 0275 9986 0365 7685 77257576 2

13、916 3436 3246 3416 394_-1(m ? s )不确定度3 8840 0002 8093 4493 08500000 0005 5900 4876 6243 517I. 25 MHz时幅度谱中 带宽/MHz0 7430 7350 7330 7200 71807150 5800 5780 6000 5830 578不确定度0 0070 0090 0100 0000 00700090 0000 0170 0110 0070 0071 7651 5011 7011.9781 88117052 8792 0362 3952 5272 1687. 5 MHz时衰减系数 /(dB. cm

14、 -1)不确定度0 0160 0170 0300 0470 05600780 1430 1290 1210 1470 1906 3706 5556 4656 4286 43864556 0106 0936 0936 1055 9005 MHz时幅度谱中峰值频率/MHz不确定度0 0550 0320 0410 0450 02700680 0530 0380 0300 0480 1135 MHz时衰减系数/(dB. cm -1)1 9941 7531 6692 1221 97217853 2132 7293 1662 4523 174不确定度0 0300 0140 0300 0140 013002

15、50 2260 1780 1470 1320 24410 MHz时衰减系1 1030 7861 2741 3211 29812522 1272 1611 8322 5981 238数/(dB ? cm-1)不确定度0 0730 0300 0600 0100 04400250 0920 4440 3520 1200 0603.2不确定度采用A类不确定度评定，即对观测数据进行统计分析的方法来评定标准不确定度，以表征标准偏差 .评定 的基本方法是贝塞尔法.当在对被测量 z进行重复性的 n次独立观测的条件下，若得到的测量结果分别为A,人，#次测量的平均值为 琦可得其中某一 次测量值的 标准偏差及不确定

16、度的A类分量为11S = Sx=/全（'xtxY .株n-1 f 1利用上式可计算出上述测试数据的不确定度, 表2中所示，各声参量对应的不确定度的范围依 次为 0? 6. 624 m/s、0? 0. 017 MHz、0. 016 ? 0.190 dB/cm、0. 027 ? 0. 113 MHz、0. 013 ? 0. 244 dB/cm 以 及 0. 010 ? 0. 444 dB/cm.4材料特征声参量的分析及讨论根据表2中所给出的测试数据，可得到这 3种材 料相应声参量的分布范围，如图5?图7所示.图 中方块下的数字，如 5 757? 5 772 m/s 表示不锈钢在该频率下测得

17、的声速范围，下图含义相同.图6（b）中，不锈铁与不锈钢方块表示的是两者幅度谱中峰值频率的重叠部分，下图含义相同.-不镑钢5757 5772不锈铁59986036铝合金62916394 m/sFig. 5铝合金图5探头频率为 5 MHz时3种材料严速分布氾围The distribution range of sound velocity of threekinds of materials with 5 MHz不锈钢不镑铁0.5780.6000.743 MHz0.7150.7200.733a探头频率为2.25 MHz时材料的一次底面回波的带宽（幅度谱中）分布范围不锈帙与不捂蝌6.1056.370

18、6.4286.455-35； b探头频率为7.5 MHz时材料一次底面回波的峰值频率（幅度谱中）分布范围图6两种频率下材料一次底面回波的带宽 （幅度谱中） （a）和峰值频率 （b）分布范围 Fig. 6 The distribution range of bandwidth （a） or peak frequency(b) of the first bottom echo of amplitude spectrum of materials with two different frequencies1.5011.669不锈铁不锈铁1.785不锈铁 与不锈 1.705可.765不锈铁与不锈钢不

19、锈钢不锈钢铝合金1.994不锈铁与悟合金不锈族1.9782.036a探头频率为2.879 dB/cm2.122b探头频率为1.238 1.252 1.2741.3217.5 MHz时材料衰减系数分布范围铝合金2.4523.213 dB/cm5 MHz时材料衰减系数分布范围不希钢与常合金相合金c探头频率为10 MHz时材料衰减系数分布范围图7不同频率下材料衰减系数分布范围 Fig. 7 The distribution range of sound attenuation coefficientof materials with differentfrequencies假如这3种材料混在一起而无

20、法进行区分，如 果属材料.下面以这3种材料为例进行说明.分（如图5和图6a）时，可直接辨识出材料,我们事先测试取得以上这些材料的声参量，就可以进行 当测出材料的声参量分布范围没有两两或三者重叠部辨识，并可以将这种方法应用于辨识其他金称为直接辨识方法. 若声参量的分布范围有两两或三者重叠部分，不能直接辨识时（如图 7），需要同一频率的几种声参量或不同频率的同一声参量相结合，才能将材料辨识出来，称为间接辨识方法.1.1 直接辨识由图 6 可看出，声速的分布范围为5 757 ? 5772、 998? 6 036 及 6 291 ? 6 394 m/s 的材料分别为不锈钢、不锈铁及铝合金，图中没有两两

21、或三者的重叠部分，这说明5 MHz 频率下声速法可清楚地直接辨识开这3 种材料（例如，对混在一起的这些样品，测出某样品的声速为6 024 m/s,即可确定为不 锈铁 . 以下同理） .同理，图6a表明，2.25 MH濒率下幅度谱（一次底面回波）中的带宽分布可直接辨识出这3 种 材料1.2 间接辨识以文中所给的任意一频率下衰减系数测试法为 例 ， 对测得的不同材料衰减系数进行分析，表明不同 材料对应的衰减系数有相互重叠的部分， 对于不重叠部分我们可以直接辨识材料，对于有重叠的部分，不论是有两两重叠还是有三者重叠的部分，再可结合同一频率下不同声学参量或不同频率下的同一声参量来进行辨识区分等. 这里

22、给出对声参量有重叠部分进行辨识的两个实例例 1 同一频率（以7.5 MHz 为例）下不同声参量相结合的辨识方法第 一 步 由 图 7a 可知，衰减系数（单位：dB/cm） 的分布范围为1. 501 ? 1. 705 （1H-2 、 1H-3 同为不锈铁）、.765 ? 1. 978（2H-4、 2H-5 同为不锈钢）以及 2. 036 ? 2. 879（3H-7 ? 3H-11 都为铝合金）的部分没有重叠部分，说明此范围内的材料可以直接辨识开来；对于衰减系数的分布范围为1. 705 ? 1.765的材料有重叠部分，即编号为1H-1（不锈铁）、为2H-6（不锈钢），不能区分开来.此时，可结合幅度

23、 谱 （一次底面回波）中的峰值频率来辨识， 见第二步（ 例如，对混在一起的这些样品，测出衰减系数为1. 600dB/cm的应是不锈铁，为1. 800 dB/cm的应是不锈钢等，为 1.755 dB/cm 则有可能是不锈铁或不锈钢，不能立即辨识，需要采用下一步方法进一步辨识 . 以下同理 ） .第 二 步 由 图 6b 可知，材料编号为1H-1（ 不锈铁）及2H-6（不锈钢）的峰值频率的分布范围分别为6.370? 6. 428 MHz 及 6. 428 ? 6. 455 MHz, 没有重 叠部分，可用来进行辨识.至此，辨识完毕.例 2 不同频率下同一声参量（以衰减系数测量为例 ） 相结合的辨识方

24、法第一步图7b表示探头频率为 5 MHZ寸，衰减系数的分布范围为1. 669? 1. 785 dB/c m（1H-2、1H-3同为不镑铁）、 .994 ? 2. 122 dB/cm（2H -4 不 镑钢）以及 2. 4 52? 3. 213 dB /c m（3H- 7? 3H- 11 同 为铝合 金）的部分没有重叠部分，表明此范围内的材料都能辨识开来. 对于衰减系数的分布范围为1. 7 8 5?1. 994 dB /c m 的 材 料 有 重 叠 部 分 ， 即 编 号 依 次 为 1H-1（不锈铁）、2H 5及2H6（同为不锈钢）的材 料， 可再用 7. 5 MHz 频率探头测得的衰减系数来辨识，见第二步.第二步图7a表示探头频率为 7. 5 MHZ寸，衰减系数的分布范围为1.765 ? 1.9 78 dB/c m（2H-5 不锈钢）的部分没有重叠部分，此范围内的材料可以辨识 . 对于还不能辨识的有重叠部分的编号为1H- 1 （ 不锈铁）及2H>6（不锈钢）的材料，再可用 10MHz频率 的探头测得的衰减系数来辨识，见第三步.第 三步图7c表示探头频率为10 MHZ寸，衰 减系数的分布范围为0. 786 ? 1. 2