基于声参量金属材料辨识方法

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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

2、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c2468101214图1一次底面回波信号进行处理并计算峰值频率与带宽的流程Theprocessofcalculatingpeakfrequencyandbandwidthfromtheprocessedthefirstbottomechosignal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

3、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.

4、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[56].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

5、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：2di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

6、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1012141618频率/X10_sMHzb图3时域（a)与频域（b)的发射信号Fig.3Theemissionsignaloftimedomain(a)andfrequencydomain(b).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

7、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（PeakFrequency，PF)及带宽（Bandc2468101214图1一次底面回波信号进行处理并计算峰值频率与带宽的

8、流程Theprocessofcalculatingpeakfrequencyandbandwidthfromtheprocessedthefirstb