基于声参量的金材料辨识方法.docVIP

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 观结构密切相关[1- 3 ]，超声波在不同金属材料中传播 时，引起的声波能量损失和传播速度等会与该材料 的特性有关，不同的金属材料对应的声参量是不同 的.通过测试在金属中传播的超声波声参量，就可对 金属材料进行辨识（鉴别或防伪）.由于全球资源逐 渐减少，近年来原物料价格一路攀升，有些原料供应 商或金属制造商用价格较低廉的金属替代品，取代 价格较高的原物料，谋取暴利，或是偷工减料，制造 出不符合国际规格或规范的金属制品，造成重大损 失或安全事故.因此，金属材料的辨识分析越来越重 要.金属的辨识分析是识别金属种类的重要手段，传 统的金属材料的辨识方法有物理法和化学法，其中 物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，采用不同频率的超声探头，保持其他条件一致， 对同一材料进行测量，所测得的材料的声参量也会 有所不同.文献[7 ]在用超声波检测水煤浆浓度时， 不同频率的超声探头得到不同的声学参量与水煤浆 浓度的关系，这对金属材料也是适用的. 1. 1 声速 超声波声速与传声介质的特性及状态（弹性模 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： 2d i 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. .2声衰减系数 超声波在材料中传播后声衰减会发生变化.研 究表明相对较小的衰减变化通常与显微结构特性的 显著变化相关.当平面声波在金属中传播时，不计 声束扩展，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[] 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)与材料的特性有 关[1°].不同材料所对应的这两个量也会有所不同， 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. .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