賀西平，劉小榮，張宏普，賀升平，崔 東

（1陜西師范大學(xué) 物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西省超聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710119；2陜西省寶雞市150信箱11號(hào)，陜西 寶雞 721013）

金屬材料的防偽辨識(shí)技術(shù)具有廣闊而十分重要的應(yīng)用前景.工業(yè)生產(chǎn)中，由于全球資源逐漸減少導(dǎo)致貴重金屬價(jià)格不斷攀升，不法企業(yè)可能會(huì)采用合金或其他欺詐手段替代貴金屬降低產(chǎn)品成本，以次充好，若無科學(xué)手段對其防偽辨識(shí)則會(huì)給生產(chǎn)和生活帶來重大損失.在金屬貴重文物防偽辨識(shí)、軍事裝備等諸多的重大實(shí)際應(yīng)用中，尤其需要具備極高分辨能力的金屬防偽辨識(shí)技術(shù).

傳統(tǒng)的金屬材料鑒別方法有物理法和化學(xué)法.物理方法有感官辨識(shí)、斷口辨識(shí)和火花辨識(shí)等.化學(xué)方法有成分分析方法、滴定分析方法、重量分析法和容量分析法等.這些方法大多為有損檢測，能夠辨識(shí)的范圍有限，有的方法還會(huì)產(chǎn)生污染物，不宜推廣.由于超聲無損檢測方法是非破壞性的，并具有直接、快速、適用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此受到人們的重視［1－4］.前人利用超聲速度法［5－6］、超聲衰減法［7－9］、頻譜分析法［10－11］對金屬晶粒尺寸做了測試和評價(jià).衰減測量與散射測量是超聲波用來無損評價(jià)材料晶粒尺寸的兩個(gè)主要技術(shù)手段，其中衰減測量已相當(dāng)成熟，而散射測量近年才剛剛起步.隨著獲得的有效數(shù)據(jù)的增多及計(jì)算機(jī)處理能力的增強(qiáng)，散射測量技術(shù)已成為一種趨勢［12－13］.

超聲波在多晶介質(zhì)中傳播，由于晶粒各向異性且排列取向的無規(guī)律性，會(huì)在晶粒邊界發(fā)生散射.利用超聲散射來研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，對研究者來說是個(gè)挑戰(zhàn)，需要有穩(wěn)健的散射模型.近年來，通過研究已經(jīng)建立了一些試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?4－17］.超聲波在金屬多晶材料中傳播，因材料而異，產(chǎn)生的散射信號(hào)與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān).利用這個(gè)特性，文獻(xiàn)［18］基于金屬材料呈現(xiàn)出的不同聲參量特性，對金屬材料進(jìn)行了間接和直接辨識(shí).

本文對3種不同的金屬材料，提取10MHz的高頻超聲波在材料內(nèi)部的背向散射信號(hào)，平滑處理并截取材料一定深度處相鄰兩段間的時(shí)域信號(hào)，傅里葉變換后得到相應(yīng)的幅度譜和材料的衰減系數(shù)譜，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和分析.提供一種可以快速進(jìn)行金屬材料的防偽辨識(shí)的方法，也易于以后實(shí)現(xiàn)在線檢測.

1 試驗(yàn)裝置及散射信號(hào)的獲取

試 驗(yàn) 裝 置 如 圖 1 所 示.Panametrics-NDT 5077PR超聲脈沖發(fā)射/接收儀施加脈沖信號(hào)于發(fā)/收探頭，該探頭中心頻率為10MHz，發(fā)射超聲波脈沖在金屬試樣中傳播，遇到金屬晶粒會(huì)產(chǎn)生背向散射，聲波傳到其底面后產(chǎn)生回波，背向散射波和回波都會(huì)被探頭接收到.發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率（PRF）為100Hz.Tektronix-DPO5034B示波器對探頭接收到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣速率為2.5GS/s.探頭與試樣之間的耦合劑為甘油.3種金屬試樣分別為304不銹鋼、鋁2A12和420不銹鐵，外形均為圓柱體，厚度為15mm，直徑為47.1mm.試樣編號(hào)如表1所示.試驗(yàn)中示波器每次采樣5 000次作為平均值，后送入計(jì)算機(jī)中，利用編制好的程序進(jìn)行信息處理.試驗(yàn)中采用自己研制的探頭固定器固定探頭，保證探頭每次在同一個(gè)位置取得試樣的散射信號(hào)，嚴(yán)格保證耦合條件相同.

圖1 采集試樣的背向散射信號(hào)Fig.1 The schematic of backscatter signal acquisition

表1 試驗(yàn)樣表Tab.1 The tested metal samples

示波器中采集到試樣回波信號(hào)的時(shí)域波形如圖2a所示.位于始波和第一次底面回波及其他各回波之間的草狀信號(hào)即為散射波.取始波與第一次底面回波之間的散射信號(hào)作為研究對象，如圖2b所示，該信號(hào)是由不同深度處試樣內(nèi)部的晶粒散射所致［19－20］.

圖2 試樣的回波信號(hào)（a）和背向散射信號(hào)（b）Fig.2 The echo signal of the samples（a）and back scattering signal（b）

2 衰減系數(shù)譜

截取試樣一定深度處的局域散射信號(hào)f（t），其時(shí)域?qū)挾葹門，如圖3所示.對f（t）進(jìn)行N等份，每份為f（ti），其中0≤i≤N，如圖4所示，取其中相鄰的兩等份i和i＋1段，加漢寧窗后進(jìn)行FFT變換，得到對應(yīng)的幅度譜，記為｜Fi（jω）｜和｜Fi＋1（jω）｜.滿足關(guān)系式［21］

圖3 局域散射信號(hào)（a）及其局部放大圖（b）Fig.3 The local backscatter signal（a）and a part of such signal（b）

式中αi（ω）為衰減系數(shù)，Δd＝cT/N，c為超聲波在試樣中的傳播速度.由式（1）求得衰減系數(shù)為

3＃試樣對應(yīng)頻域中的衰減系數(shù)譜如圖5所示.同理可以得出1＃和2＃試樣頻域中的衰減系數(shù)譜.

圖4 兩相鄰等份的散射信號(hào)Fig.4 The backscatter signals of the two adjacent segments

圖5 3＃試樣頻域中的衰減系數(shù)譜Fig.5 The attenuation coefficient spectrum of 3＃sample in the frequency domain

3 計(jì)算分析及防偽辨識(shí)

3.1 相關(guān)系數(shù)計(jì)算

以某種試樣的衰減系數(shù)譜作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)α（ω）（本文以3＃試樣420不銹鐵為標(biāo)準(zhǔn)試樣），測試出其他待辨識(shí)試樣中的衰減系數(shù)譜αj（ω），其中j＝1，2，3為試樣的編號(hào)，計(jì)算αj（ω）與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)α（ω）的衰減相關(guān)系數(shù)r［α（ω），αj（ω）］.兩種試樣的衰減相關(guān)系接近于1，可認(rèn)為這兩種試樣為同種材料.衰減相關(guān)系數(shù)的具體計(jì)算公式為式中，n為譜中點(diǎn)的個(gè)數(shù).若j＝3，即和標(biāo)準(zhǔn)試樣相重，上式為自相關(guān)系數(shù)rz；若j＝1，2則為互相關(guān)系數(shù)rh.

3.2 防偽辨識(shí)

首先，對標(biāo)準(zhǔn)試樣多次測試后求其衰減自相關(guān)系數(shù)變化范圍為ra～rb，取其中間值＝ （ra＋rb）/2作為該標(biāo)準(zhǔn)試樣的中間衰減自相關(guān)系數(shù)，閾值定義為Δ＝｜rb－ra｜/2.這里事先留存的標(biāo)準(zhǔn)試樣為3＃試樣，并對該標(biāo)準(zhǔn)試樣在同一位置取7次散射信號(hào)，計(jì)算其衰減自相關(guān)系數(shù)為0.997 44、0.989 23、0.994 59、0.981 02、0.999 23、0.983 87，得到其衰減自相關(guān)系數(shù)中間值為0.990 12，閾值為0.018 21.

其次，計(jì)算3種試樣分別與標(biāo)準(zhǔn)試樣的衰減相關(guān)系數(shù)，如表2所示.表中對每個(gè)樣品在同一位置取六次散射信號(hào)，相應(yīng)地計(jì)算6個(gè)衰減相關(guān)系數(shù)，計(jì)算出其中間衰減互相關(guān)系數(shù)（計(jì)算方法與相同）.

最后，進(jìn)行｜－｜和閾值Δ的比較.若｜－｜≤Δ，則認(rèn)為這兩種試樣為相同材料，否則為相異材料.各試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的衰減相關(guān)系數(shù)及辨識(shí)結(jié)果如表3所示.實(shí)驗(yàn)證明，＞Δ時(shí)，為異種試樣（非1＃ 和2＃ 試樣），≤Δ時(shí)為同種試樣（3＃試樣）.

表2 各試樣間的衰減相關(guān)系數(shù)Tab.2 The calculated attenuation correlation coefficients of the standard samples

表3 辨識(shí)結(jié)果Tab.3 Identification results

4 結(jié)論

超聲波在材料中傳播，一方面由于阻尼、黏滯等因素將損耗一部分能量而轉(zhuǎn)換為熱能，另一方面，由于晶粒邊界取向的雜亂無章將引起散射損耗.多晶材料中，散射引起的衰減是主要因素.散射衰減與晶粒尺寸、形狀、取向等微觀結(jié)構(gòu)因素密切相關(guān).本文取得了試樣的散射信號(hào)，就意味著得到試樣的微觀結(jié)構(gòu)信息，而每種材料的微觀結(jié)構(gòu)是獨(dú)特的，因此，可以利用攜帶材料微觀結(jié)構(gòu)信息的背向散射信號(hào)來防偽辨識(shí)材料.

本文以3種性能相近的金屬材料為例，提取了10MHz的高頻超聲波在材料內(nèi)部的背向散射信號(hào)，經(jīng)過變換計(jì)算得到材料的衰減系數(shù)譜.同種材料的衰減相關(guān)系數(shù)大，異種材料的衰減相關(guān)系數(shù)小.實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明，本文提出的方法可以快速實(shí)現(xiàn)金屬防偽辨識(shí)，且對試樣沒有任何破壞，屬綠色無損的防偽辨識(shí)技術(shù).

［1］李明軒，王小民，安志武.粘接界面特性的超聲檢測與評價(jià)［J］.應(yīng)用聲學(xué)，2013，32（3）:190-197.

［2］師芳芳，汪承灝，張碧星，等.時(shí)間反轉(zhuǎn)和逆時(shí)偏移混合法用于層狀介質(zhì)中目標(biāo)的聲學(xué)檢測和定位［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào)，2013，38（6）:639-647.

［3］沈建中.無損檢測的幾個(gè)熱點(diǎn)問題和技術(shù)［J］.無損檢測，2005，27（1）:24-26，46.

［4］Mao Jie，Li Mingxuan，Wang Xiaomin.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.

［5］Badidi B A，Lebaili S，Benchaala A.Grain size influence on ultrasonic velocities and attenuation［J］.Nondestructive Testing and Evaluation International，2003，36（1）:1-5.

［6］Degtyar A D.New method for determination of applied and residual stresses in anisotropy materials from ultrasonic velocity measurement［J］.Materials Evaluation，1997，55（10）:1162-1168.

［7］Ismail H.Mean grain size determination in marbles by ultrasonic first back-wall echo height measurements［J］.Nondestructive Testing and Evaluation International，2006，39:82-86.

［8］林莉，李喜孟.超聲波頻譜分析技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:129.

［9］施克仁.無損檢測新技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007:115.

［10］Kawashima K.Ultrasonic nondestructive characterization of material［C］∥Proceeding of Japan Society Mechanical Engineering A.Hamamatsu:Shizuoka，2001:370-377.

［11］張洪達(dá)，馬世偉.Cr-Mo鋼平均晶粒尺寸的超聲無損評價(jià)［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，2（12）:164-165.

［12］Lobkis O I，Rokhlin S I.Characterization of polycrystals with elongated duplex microstructure by inversion of ultrasonic backscattering data［J］.Applied Physics Letters，2010，96（16）:1-3.

［13］Liu Chengcheng，Han Haijie，Ta Dean，et al.Effect of selected signals of interest on ultrasonic backscattering measurement in cancellous bones［J］.Science China:Physics Mechanics ＆ Astronomy，2013，56（7）:1310-1316

［14］Li J，Yang L，Rokhlin S I.Effect of texture and grain shape on ultrasonic backscattering in polycrystals［J］.Ultrasonics，2014，54（7）:1789-1803.

［15］Yang L，Li J，Rokhlin S I.Ultrasonic scattering in polycrystals with orientation clusters of orthorhombic crystallites［J］. Wave Motion，2013，50 （8）:1283-1302.

［16］Thompson R B，Margetan F J，Haldipur P，et al.Scattering of elastic waves in simple and complex polycrystals［J］.Wave Motion，2008，45:655-674.

［17］Hualong Du，Turner Joseph A.Ultrasonic attenuation in pearlitic steel［J］.Ultrasonics，2013，54（3）:882-887.

［18］田彥平，賀西平，張宏普，等.基于聲參量的金屬材料辨識(shí)方法［J］.陜西師范大學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，42（3）:34-40.

［19］Yang L，Turner J A，Li Z.Ultrasonic characterization of microstructure evolution during processing［J］.Journal of the Acoustical Society of America，2007，121（1）:50-59.

［20］Yang L，Li J，Lobkis O I，et al.Ultrasonic propagation and scattering in duplex microstructures with application to titanium alloys［J］.Journal of Nondestructive Evaluation，2012，31（3）:270-83.

［21］賀西平，田彥平，張宏普.超聲無損評價(jià)金屬材料晶粒尺寸的研究［J］.聲學(xué)技術(shù)，2013，32（6）:445-451.