實驗名稱：高壓放大器在超聲導波鋼軌傳播中的應用

　　研究方向：無損檢測

　　測試目的：

　　超聲(sheng)導波具有(you)傳(chuan)播距離(li)(li)遠(yuan)、檢測距離(li)(li)長的(de)特點，在(zai)鋼軌(gui)無損檢測領域受到(dao)越來越多的(de)關注。本文(wen)使用有(you)限元仿真方法(fa)和現場實(shi)驗(yan)方法(fa)，對鋼軌(gui)各模(mo)態超聲(sheng)導波的(de)傳(chuan)播特性進行(xing)深入研究(jiu)。

　　測試設備：ATA-2042高壓放大器、任意函數發生器、壓電陶瓷、鋼軌、示波器。

　　實驗過程：

　　圖(tu)：脈沖反(fan)射法及穿透法

　　本文使用(yong)(yong)穿透(tou)法，利用(yong)(yong)超聲導波對鋼軌(gui)的(de)損傷(shang)進行(xing)(xing)檢測，原理(li)見上(shang)圖。使用(yong)(yong)單激勵單接(jie)收(shou)方(fang)(fang)式，通過判斷接(jie)收(shou)到(dao)導波的(de)幅值對鋼軌(gui)傷(shang)損進行(xing)(xing)檢測，有效檢測范(fan)圍為激勵探頭與(yu)接(jie)收(shou)探頭之間的(de)鋼軌(gui)，實(shi)驗方(fang)(fang)案如下(xia)圖所示。

　　圖：超(chao)聲導(dao)波(bo)損傷檢(jian)測(ce)實(shi)驗方案

　　根據導(dao)(dao)波的(de)傳播特性，不同(tong)模(mo)態的(de)導(dao)(dao)波對(dui)鋼軌各位(wei)(wei)置(zhi)傷(shang)損(sun)的(de)敏(min)感(gan)程度不同(tong)。尤其對(dui)于(yu)穿透法檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)，若選取能(neng)(neng)量集中位(wei)(wei)置(zhi)與檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)位(wei)(wei)置(zhi)不同(tong)的(de)模(mo)態，或(huo)(huo)者能(neng)(neng)量較(jiao)分散的(de)模(mo)態進(jin)行檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)時，導(dao)(dao)波在傳播過(guo)程中受到(dao)缺(que)陷影(ying)響(xiang)(xiang)較(jiao)小，影(ying)響(xiang)(xiang)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)精度。一般情況下，一個導(dao)(dao)波模(mo)態能(neng)(neng)量集中位(wei)(wei)置(zhi)即為該模(mo)態適合(he)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)的(de)位(wei)(wei)置(zhi)。對(dui)于(yu)缺(que)陷平(ping)面垂直于(yu)傳播方(fang)向或(huo)(huo)質點(dian)振動(dong)方(fang)向的(de)傷(shang)損(sun)，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)效果更加明顯。在實(shi)際應用中對(dui)于(yu)不同(tong)位(wei)(wei)置(zhi)、不同(tong)類型的(de)傷(shang)損(sun)應選取合(he)適的(de)導(dao)(dao)波模(mo)態進(jin)行檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)。

　　1、軌頭橫向直(zhi)裂紋檢測實(shi)驗

　　在(zai)軌(gui)頭(tou)位置(zhi)預制裂(lie)(lie)紋，裂(lie)(lie)紋橫(heng)向(xiang)通(tong)透、垂向(xiang)深度(du)10mm、縱向寬度約2mm，損傷面積約占軌頭面積的20%。該裂紋模擬實際情況下鋼軌踏面損傷，如下圖所示。

　　圖：軌頭(tou)損(sun)傷檢測實驗現場

　　根據前文(wen)分析，軌頭處的對稱導波(bo)模態中，GT-S1模態在軌頭位置能量集中、傳播特性良好，將其作為軌頭損傷檢測的目標模態。發射探頭和接收探頭位于傷損兩側對稱布置，見上圖。激勵信號采用漢寧窗調制5周期余弦信號，中心頻率為85kHz，壓電陶瓷驅動電壓幅值為150V。為對比分析，設計兩組實驗：第一組實驗將發射探頭和激勵探頭分別布置在損傷兩側0.3m位置；第二組實驗將發射探頭和激勵探頭分別布置在損傷兩側0.6m位置。為與正常工況下實驗結果對比，每組實驗均設置無損傷對照組，對照組除無鋼軌損傷外，探頭相對位置、激勵條件均與實驗組保持一致。

　　圖：軌頭裂紋損傷檢測信號實驗結果(guo)

　　提取接收探頭檢(jian)測到的信號(hao)，如上圖所示。在第一(yi)組實驗結(jie)果中，將傳播速度最快的三個(ge)波包峰值(zhi)點命名為p1、p2、p3，其中p1對應波包為GT-S1模態，p2、p3波包可視為干擾模態。對比第一組和第二組實驗中無損傷工況實驗結果，第一組實驗發射探頭與接收探頭間距為0.6m，第二組實驗發射探頭與接收探頭間距為1.2m，兩組實驗結果中p1點幅值變化不大，故可知在0.6m范圍內GT-S1模態能量未明顯衰減。在第一組實驗中，無損傷工況時p1點幅值為498mV，損傷工況時p1點幅值為331mV，降低了33.5%。在第二組實驗中，無損傷工況時p1點幅值為510mV，損傷工況時p1點幅值為

　　392mV，降低了23.1%。兩組實(shi)(shi)驗中(zhong)(zhong)損(sun)傷(shang)工(gong)況下(xia)GT-S1模態導(dao)波(bo)(bo)(bo)幅值均有(you)明顯(xian)降低，說明使用(yong)GT-S1模態檢(jian)測(ce)鋼軌軌頭橫向裂(lie)紋(wen)的(de)可行性。此外可注意到在第一組實(shi)(shi)驗中(zhong)(zhong)，正常(chang)工(gong)況及損(sun)傷(shang)工(gong)況下(xia)p2、p3幅值未發生明顯(xian)變化，原因可能(neng)是p2、p3峰值點(dian)對應導(dao)波(bo)(bo)(bo)能(neng)量(liang)(liang)分散，導(dao)致(zhi)在傳播過程中(zhong)(zhong)僅(jin)有(you)較少能(neng)量(liang)(liang)的(de)導(dao)波(bo)(bo)(bo)經過缺(que)陷位(wei)置，幅值下(xia)降值小于(yu)由于(yu)多次(ci)測(ce)量(liang)(liang)產(chan)生的(de)誤差值，故在軌頭橫向直(zhi)裂(lie)紋(wen)檢(jian)測(ce)中(zhong)(zhong)，對p2、p3對應的(de)導(dao)波(bo)(bo)(bo)不進行分析。

　　2、軌底橫向直(zhi)裂紋(wen)檢測實驗

　　在軌底位置預制裂(lie)紋(wen)，裂(lie)紋(wen)橫(heng)向深度(du)約23mm、垂向深度約10mm、縱向寬度約2mm，損傷面積約占軌底面積的15%。軌底位置是當前超聲波檢測技術的盲區，本文將使用超聲導波對軌底裂紋進行檢測。

　　圖：軌底損傷(shang)檢測(ce)實驗現(xian)場(chang)

　　發射探頭和接(jie)收探頭位(wei)于傷損兩側對(dui)稱布(bu)置(zhi)(zhi)，布(bu)置(zhi)(zhi)位(wei)置(zhi)(zhi)位(wei)于鋼軌軌底翼緣(yuan)中心處，見圖。經前(qian)文分析得，在此位(wei)置(zhi)(zhi)處GD-A2模態為優勢模態，該模態傳播特性良好，能量集中在軌底位置，容易激勵與檢測，故將GD-A2模態作為目標模態檢測軌底橫向直裂紋。

　　激勵信號采用(yong)漢寧窗調(diao)制(zhi)5周期余弦信號，中心頻率為90kHz，壓電陶瓷驅動電壓幅值為150V。與軌頭位置檢測相同，設計兩組實驗進行對比：第一組實驗將發射探頭和激勵探頭分別布置在損傷兩側0.3m位置，第二組實驗將發射探頭和激勵探頭分別布置在損傷兩側0.6m位置，每組實驗均設置無損傷對照組。

　　圖(tu)：軌底裂紋損傷檢測信(xin)號實驗結果

　　提(ti)取接(jie)收(shou)探頭檢測到(dao)的信號，如上(shang)圖所示。在第一組實(shi)驗結果中，將導波幅值(zhi)最大波包峰值(zhi)點命名為p點，p點對應GD-A2模態的導波。對比第一組和第二組實驗中無損傷工況實驗結果，兩組實驗結果中p點幅值變化不大，故可知在0.6m范圍內GD-A2模態能量未明顯衰減。在第一組實驗中，無損傷工況時p點幅值為11.9mV，損傷工況時p點幅值為3.6mV，降低了69.7%。在第二組實驗中，無損傷工況時p點幅值為11.6mV，損傷工況時p點幅值為4.8mV，降低了58.6%。兩組實驗中損傷工況下GD-A2模態導波幅值均有明顯降低，說明使用GD-A2模態檢測鋼軌軌底橫向裂紋的可行性。

　　實驗結果：

　　(1)沿(yan)軌(gui)(gui)頂(ding)踏面(mian)垂向(xiang)激(ji)勵時(shi)(shi)，在(zai)軌(gui)(gui)頂(ding)踏面(mian)接收到(dao)導(dao)波的優勢(shi)模(mo)(mo)態為GT-S1模(mo)(mo)態；沿(yan)軌(gui)(gui)腰位(wei)置橫向(xiang)激(ji)勵時(shi)(shi)，在(zai)軌(gui)(gui)腰中間位(wei)置接收到(dao)導(dao)波的優勢(shi)模(mo)(mo)態為GY-A1模(mo)(mo)態；沿(yan)軌(gui)(gui)底(di)位(wei)置法向(xiang)激(ji)勵時(shi)(shi)，在(zai)軌(gui)(gui)底(di)翼緣中心處接收到(dao)導(dao)波的優勢(shi)模(mo)(mo)態為GT-S1模(mo)(mo)態；這三(san)個模(mo)(mo)態的導(dao)波在(zai)其能量(liang)集中位(wei)置傳播(bo)特(te)性良好，可分別作為鋼(gang)軌(gui)(gui)軌(gui)(gui)頭、軌(gui)(gui)腰、軌(gui)(gui)底(di)檢測(ce)的目(mu)標模(mo)(mo)態。

　　(2)利用(yong)(yong)穿透法(fa)可使(shi)用(yong)(yong)超(chao)聲(sheng)導(dao)波(bo)對(dui)鋼(gang)軌損傷進行有效檢(jian)測(ce)。使(shi)用(yong)(yong)GT-S1模態(tai)可檢(jian)測(ce)鋼(gang)軌軌頭(tou)橫向(xiang)直(zhi)裂紋，使(shi)用(yong)(yong)GD-A2模態(tai)可檢(jian)測(ce)鋼(gang)軌軌底橫向(xiang)直(zhi)裂紋。在損傷工(gong)況下檢(jian)測(ce)到目標模態(tai)導(dao)波(bo)的(de)幅(fu)值(zhi)明(ming)顯小(xiao)于(yu)正常工(gong)況下幅(fu)值(zhi)，說明(ming)使(shi)用(yong)(yong)超(chao)聲(sheng)導(dao)波(bo)鋼(gang)軌檢(jian)測(ce)的(de)可行性(xing)和有效性(xing)。

　　安泰ATA-2042高壓放大器：

　　圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

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　　本文實驗案例參考自(zi)知網論文《PZT超聲導波在鋼軌中傳播特性研究》