基于聲參量的金屬材料辨識方法

1、基于聲參量的金屬材料辨識方法超聲波作用下金屬材料對其響應與材料內部微或金屬制造用價格較低廉的金屬替代品，取代價觀結構密切相關1- 3 ，超聲波在不同金屬材料中傳播格較高的原物料，謀取暴利，或是偷工減料，制造出時 ， 引起的聲波能量損失和傳播速度等會與該材料的 不符合國際規(guī)格或規(guī)范的金屬制品，造成重大損失特性有關，不同的金屬材料對應的聲參量是不同的 . 或安全事故. 因此， 金屬材料的辨識分析越來越重要 .通過測試在金屬中傳播的超聲波聲參量，就可對金金屬的辨識分析是識別金屬種類的重要手段，傳統(tǒng)屬材料進行辨識（鑒別或防偽）. 由于全球資源逐漸 的金屬材料的辨識方法有物理法和化學法，其中物減少，近年

2、來原物料價格一路攀升，有些原料供應商理辨識是針對金屬的宏觀物理特征及金屬在物理過程中表現(xiàn)出的微觀特征進行的，常用的方法有感官 辨識、斷口辨識和火花辨識等.由于物理辨識方法簡 便易行、現(xiàn)場性好，分析精度可從定性到半定量，對于一般常用金屬材料，此方法已能滿足要求，但存在一定的局限性，例如：斷口辨識和火花辨識方法是 有 損的.化學辨識是根據(jù)化學反應來分析金屬的組 成成 分來辨識是何種金屬，化學成分分析方法有滴 定分 析方法、重量分析法和容量分析法 4 等.化學辨識方 法較復雜且有損.超聲波與不同材料（對應的顯 微結 構不同）相互作用，引起的聲波能量損失和傳播速度（聲衰減系數(shù)與聲速）的變化是不同的，并

3、且窄 脈 沖在不同材料中傳播遇底面反射后，各個諧波的變化造成的頻譜的變化（引起峰值頻率與帶寬會不同）也會有所不同，從而提供了可以判斷材料內部性質的信息.所以，根據(jù)超聲波與不同材料相互作用后的不同的聲參量，對其測量后就可作為辨識金屬材料的依據(jù).本文以3種不同的金屬材料（其中同種材料采用有不同的熱處理條件） 為例，測試并計算這些材料 的 聲速、聲衰減系數(shù)、一次底面回波的幅度譜、功率譜的峰值頻率及帶寬，探討辨識金屬材料的方法.某些從顏色、密度等無法區(qū)分的金屬材料，利用本文的 方 法就可迅速辨識.1金屬材料聲參量的提取及計算由于不同材質和材料微結構的變化都可能對超 聲波的傳播特性產(chǎn)生影響，使得超聲波在

4、固體中的傳播機理較為復雜5 6.外部條件相同時，超聲波通 過不 同材料，接收到的底面回波將會攜帶有該材料 固有 的特征信息，因此材料不同，回波將不同 .根據(jù) 此原 理，利用一次和二次底面回波測得不同材料的 聲參 量，比較分析后就可用于金屬材料的辨識 .當然，采量、密度）有關，是表征介質聲學特性的重要參數(shù).通常用脈沖反射法對聲速進行測量，只需知道聲程L和傳播時間T ,由公式V = L/T就能得到聲速. 利 用脈沖反射法測聲速時，聲速計算公式如下： 2 dic式中d為被測樣品的厚度，i為一次底面回波 到二次底面回波間的時間，c為超聲波在被 測樣品中的傳播速度.1.2 聲衰減系數(shù)超聲波在材料中傳播后

5、聲衰減會發(fā)生變化.研究表明相對較小的衰減變化通常與顯微結構特性的顯1者變化相關.當平面嚴波在金屬中傳播時，不計 嚴束 擴展，其聲壓衰減規(guī)律為 > =九6 '式中九為 起始 聲壓，為超聲波傳播一段距離 I處的聲壓，a為衰減 系數(shù).若測量時探頭入射聲能相同，耦合條件也相同，因回波高度與回波聲壓成正比，根據(jù)聲壓衰減規(guī)律有口式中d為被測樣品的厚度，Ai、Az分別為試樣一次 與 二次底面回波高度.1.3 幅度譜（_次底面回波的）中峰值頻率及帶寬超聲波的高頻（短波長）部分在材料中傳播時，碰到用不同頻率的超聲探頭，保持其他條件一致， 一材料進行測量，所測得的材料的聲參量也會 不同.文獻7 在用

6、超聲波檢測水煤漿濃度時, 頻率的超聲探頭得到不同的聲學參量與水煤漿對同 有所 不同 濃度超聲波聲速與傳聲介質的特性及狀態(tài)（彈性模time domain (a) and frequency domain (b)晶粒后被吸收或散射，未能沿探頭方向反射回來，造成相應高頻部分的頻率響應有明顯的衰減，低頻部分則衰減較少. 對材料底面反射波的頻譜進行分析，可用于研究材料的有關特性 . 從實驗中獲得的超聲回波信號中選取一次底面回波，經(jīng)傅里葉變換得到其頻譜，其中的峰值頻率( Peak Frequency，PF)及帶寬(Band Width, BW)W材料的特性有關1°.不同材料所對應的這兩個量也會有

7、所不同，由此可用于無損辨識金屬材料. 對一次底面回波信號進行處理，測量峰值頻率及帶寬的過程如圖1 所示 .1.4 功率譜（_次底面回波的）中峰值頻率及帶寬其計算與幅度譜中相同，只是把其中一次底面回波的傅里葉變換變?yōu)樽怨β首V變換后，計算出自功率譜中一次底面回波的峰值頻率及帶寬2測試本文以不銹鐵、不銹鋼和鋁合金這3種性能相 近的材料（同種材料采用不同熱處理條件）為例，對這些金屬材料的聲參量分別進行提取和計算 ，分析后 發(fā)現(xiàn)不同金屬的材料，以及相同金屬但不同熱處理溫度下的材料對應的聲參量不同 .1.1 測試樣品測試中使用的樣品及樣品尺寸、熱處理條件如表1所示波形圖（以其中一次測試為例）分別如圖3和圖

8、4所示.of experiment device圖2測試裝置示意圖Fig. 2 The schematic產(chǎn)上描計算機表1實驗樣品的物理參數(shù)Tab. 1 The physical parameters of experimental samples編號材料熱處理余件 *尺、（長 X竟 X圖）/mm1H-1-不銹鐵800 C 260 C/h 個 6h5 0X 5 0X2 51H-2不銹鐵900 C 260 C/h 個 6h5 0X50X251H-3不銹鐵常溫5 0X50X252H-4304不銹鋼850 C 260 C/h 個 6h5 0X50X252H-5304不銹鋼950 C 260 C/h

9、個 6h5 0X50X252H-6304不銹鋼常溫5 0X50X303H-7鋁合金2八13300 C 150 C/M6h5 0X50X253H-8鋁合金2 K 13350 C 150 C/M6h5 0X50X303H-9鋁合金2八13400 C 150 C/h 個 6h5 0X50X303H-10鋁合金2八13450 C 150 C/h 個 6h5 0X50X303H-11鋁合金2八13常溫5 0X50X30*熱處理條件，800 C|260 C/h | |6 h代表的是以每小時260 C對材料進行升溫處理，溫度升到800 C時保溫6小時，自然冷卻.2 . 2測試流程用脈沖發(fā)射接收儀發(fā)射脈沖，激

10、勵發(fā)射探頭（接 收/發(fā)射縱波直探頭，窄脈沖，脈沖寬度約為500? 600 ns）,經(jīng)樣品底部反射后又被探頭接收，數(shù)字示 波器進行采樣并送入計算機中進行處理，計算出有關的聲參量.圖2為測試裝置示意圖.超聲脈沖發(fā)射 接受 儀是美國泛美公司生產(chǎn)，型號為 Model 5077PR它是一種寬帶方波脈沖發(fā)射接收儀 ，帶寬為 35 MHz.數(shù)字示波器為普源 RIGOL DS1052E.本文采用探頭頻率分別為 2.25 MHz,5 MHz、7. 5 MH極10 MHz的脈沖-反射模式.3 發(fā)射及接收信號實驗測試過程中的發(fā)射與接收信號的時域和頻 域a1.2a24681012141618頻率 /XI 0 _5 M

11、Hz b圖 4 時域 U)與頻域(b)的接收信號 Fig. 4 The received signal of time domain (a) and frequency domain(b)3數(shù)據(jù)處理3.1 測試數(shù)據(jù)對每個樣品每次存 6組數(shù)據(jù)，每組測試 8次，即 每個樣品實測48組數(shù)據(jù)，平均后at算其聲參量.根據(jù) 這些數(shù)據(jù)，可計算得到各樣品在各探頭頻率下的聲 速、聲衰減系數(shù)、一次底面回波的幅度譜、功率譜的峰 值頻率及帶寬的平均值.表2中列出探頭頻率分別為5 MHz時3種材料的聲速、 2. 25 MHz時的一次底 面回波的帶寬（幅度譜中），.5 MHz寸的衰減系數(shù)及 一 次底面回波的峰值頻率（幅度

12、譜中），5 MHz以及10 MHz時材料的衰減系數(shù)的部分聲參量值表2不同頻率下 3種材料的部分聲參量Tab. 2Theacoustic parameters of threekinds ofmaterials withdifferentfrequencies太材料不銹鐵304不銹鐵鋁自金2八131H-11H-21H-32H-42H-52H-63H-73H-83H-93H-103H-11熱處埋條件/ C800900258509502530035040045025厚度/mm25253025253025302530305 MHz時聲速/6 0275 9986 0365 7685 77257576 2

13、916 3436 3246 3416 394_-1(m ? s )不確定度3 8840 0002 8093 4493 08500000 0005 5900 4876 6243 517I. 25 MHz時幅度譜中 帶寬/MHz0 7430 7350 7330 7200 71807150 5800 5780 6000 5830 578不確定度0 0070 0090 0100 0000 00700090 0000 0170 0110 0070 0071 7651 5011 7011.9781 88117052 8792 0362 3952 5272 1687. 5 MHz時衰減系數(shù) /(dB. cm

14、 -1)不確定度0 0160 0170 0300 0470 05600780 1430 1290 1210 1470 1906 3706 5556 4656 4286 43864556 0106 0936 0936 1055 9005 MHz時幅度譜中峰值頻率/MHz不確定度0 0550 0320 0410 0450 02700680 0530 0380 0300 0480 1135 MHz時衰減系數(shù)/(dB. cm -1)1 9941 7531 6692 1221 97217853 2132 7293 1662 4523 174不確定度0 0300 0140 0300 0140 013002

15、50 2260 1780 1470 1320 24410 MHz時衰減系1 1030 7861 2741 3211 29812522 1272 1611 8322 5981 238數(shù)/(dB ? cm-1)不確定度0 0730 0300 0600 0100 04400250 0920 4440 3520 1200 0603.2不確定度采用A類不確定度評定，即對觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的方法來評定標準不確定度，以表征標準偏差 .評定 的基本方法是貝塞爾法.當在對被測量 z進行重復性的 n次獨立觀測的條件下，若得到的測量結果分別為A,人，#次測量的平均值為 琦可得其中某一 次測量值的 標準偏差及不確定

16、度的A類分量為11S = Sx=/全（'xtxY .株n-1 f 1利用上式可計算出上述測試數(shù)據(jù)的不確定度, 表2中所示，各聲參量對應的不確定度的范圍依 次為 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材料特征聲參量的分析及討論根據(jù)表2中所給出的測試數(shù)據(jù)，可得到這 3種材 料相應聲參量的分布范圍，如圖5?圖7所示.圖 中方塊下的數(shù)字，如 5 757? 5 772 m/s 表示不銹鋼在該頻率下測得

17、的聲速范圍，下圖含義相同.圖6（b）中，不銹鐵與不銹鋼方塊表示的是兩者幅度譜中峰值頻率的重疊部分，下圖含義相同.-不鎊鋼5757 5772不銹鐵59986036鋁合金62916394 m/sFig. 5鋁合金圖5探頭頻率為 5 MHz時3種材料嚴速分布氾圍The distribution range of sound velocity of threekinds of materials with 5 MHz不銹鋼不鎊鐵0.5780.6000.743 MHz0.7150.7200.733a探頭頻率為2.25 MHz時材料的一次底面回波的帶寬（幅度譜中）分布范圍不銹帙與不捂蝌6.1056.370

18、6.4286.455-35； b探頭頻率為7.5 MHz時材料一次底面回波的峰值頻率（幅度譜中）分布范圍圖6兩種頻率下材料一次底面回波的帶寬 （幅度譜中） （a）和峰值頻率 （b）分布范圍 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不銹鐵不銹鐵1.785不銹鐵 與不銹 1.705可.765不銹鐵與不銹鋼不

19、銹鋼不銹鋼鋁合金1.994不銹鐵與悟合金不銹族1.9782.036a探頭頻率為2.879 dB/cm2.122b探頭頻率為1.238 1.252 1.2741.3217.5 MHz時材料衰減系數(shù)分布范圍鋁合金2.4523.213 dB/cm5 MHz時材料衰減系數(shù)分布范圍不希鋼與常合金相合金c探頭頻率為10 MHz時材料衰減系數(shù)分布范圍圖7不同頻率下材料衰減系數(shù)分布范圍 Fig. 7 The distribution range of sound attenuation coefficientof materials with differentfrequencies假如這3種材料混在一起而無

20、法進行區(qū)分，如 果屬材料.下面以這3種材料為例進行說明.分（如圖5和圖6a）時，可直接辨識出材料,我們事先測試取得以上這些材料的聲參量，就可以進行 當測出材料的聲參量分布范圍沒有兩兩或三者重疊部辨識，并可以將這種方法應用于辨識其他金稱為直接辨識方法. 若聲參量的分布范圍有兩兩或三者重疊部分，不能直接辨識時（如圖 7），需要同一頻率的幾種聲參量或不同頻率的同一聲參量相結合，才能將材料辨識出來，稱為間接辨識方法.1.1 直接辨識由圖 6 可看出，聲速的分布范圍為5 757 ? 5772、 998? 6 036 及 6 291 ? 6 394 m/s 的材料分別為不銹鋼、不銹鐵及鋁合金，圖中沒有兩兩

21、或三者的重疊部分，這說明5 MHz 頻率下聲速法可清楚地直接辨識開這3 種材料（例如，對混在一起的這些樣品，測出某樣品的聲速為6 024 m/s,即可確定為不 銹鐵 . 以下同理） .同理，圖6a表明，2.25 MH瀕率下幅度譜（一次底面回波）中的帶寬分布可直接辨識出這3 種 材料1.2 間接辨識以文中所給的任意一頻率下衰減系數(shù)測試法為 例 ， 對測得的不同材料衰減系數(shù)進行分析，表明不同 材料對應的衰減系數(shù)有相互重疊的部分， 對于不重疊部分我們可以直接辨識材料，對于有重疊的部分，不論是有兩兩重疊還是有三者重疊的部分，再可結合同一頻率下不同聲學參量或不同頻率下的同一聲參量來進行辨識區(qū)分等. 這里

22、給出對聲參量有重疊部分進行辨識的兩個實例例 1 同一頻率（以7.5 MHz 為例）下不同聲參量相結合的辨識方法第 一 步 由 圖 7a 可知，衰減系數(shù)（單位：dB/cm） 的分布范圍為1. 501 ? 1. 705 （1H-2 、 1H-3 同為不銹鐵）、.765 ? 1. 978（2H-4、 2H-5 同為不銹鋼）以及 2. 036 ? 2. 879（3H-7 ? 3H-11 都為鋁合金）的部分沒有重疊部分，說明此范圍內的材料可以直接辨識開來；對于衰減系數(shù)的分布范圍為1. 705 ? 1.765的材料有重疊部分，即編號為1H-1（不銹鐵）、為2H-6（不銹鋼），不能區(qū)分開來.此時，可結合幅度

23、 譜 （一次底面回波）中的峰值頻率來辨識， 見第二步（ 例如，對混在一起的這些樣品，測出衰減系數(shù)為1. 600dB/cm的應是不銹鐵，為1. 800 dB/cm的應是不銹鋼等，為 1.755 dB/cm 則有可能是不銹鐵或不銹鋼，不能立即辨識，需要采用下一步方法進一步辨識 . 以下同理 ） .第 二 步 由 圖 6b 可知，材料編號為1H-1（ 不銹鐵）及2H-6（不銹鋼）的峰值頻率的分布范圍分別為6.370? 6. 428 MHz 及 6. 428 ? 6. 455 MHz, 沒有重 疊部分，可用來進行辨識.至此，辨識完畢.例 2 不同頻率下同一聲參量（以衰減系數(shù)測量為例 ） 相結合的辨識方

24、法第一步圖7b表示探頭頻率為 5 MHZ寸，衰減系數(shù)的分布范圍為1. 669? 1. 785 dB/c m（1H-2、1H-3同為不鎊鐵）、 .994 ? 2. 122 dB/cm（2H -4 不 鎊鋼）以及 2. 4 52? 3. 213 dB /c m（3H- 7? 3H- 11 同 為鋁合 金）的部分沒有重疊部分，表明此范圍內的材料都能辨識開來. 對于衰減系數(shù)的分布范圍為1. 7 8 5?1. 994 dB /c m 的 材 料 有 重 疊 部 分 ， 即 編 號 依 次 為 1H-1（不銹鐵）、2H 5及2H6（同為不銹鋼）的材 料， 可再用 7. 5 MHz 頻率探頭測得的衰減系數(shù)來辨識，見第二步.第二步圖7a表示探頭頻率為 7. 5 MHZ寸，衰減系數(shù)的分布范圍為1.765 ? 1.9 78 dB/c m（2H-5 不銹鋼）的部分沒有重疊部分，此范圍內的材料可以辨識 . 對于還不能辨識的有重疊部分的編號為1H- 1 （ 不銹鐵）及2H>6（不銹鋼）的材料，再可用 10MHz頻率 的探頭測得的衰減系數(shù)來辨識，見第三步.第 三步圖7c表示探頭頻率為10 MHZ寸，衰 減系數(shù)的分布范圍為0. 786 ? 1. 2