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：

　　超聲導波具有傳播距離遠、檢測距離長的特點，在鋼軌無損檢測領域受到越來越多的關注。本文使用有限元仿真方法和現場實驗方法，對鋼軌各模態超聲導波的傳播特性進行深入研究。

　　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：脈沖反射法及穿透法

　　本文使用穿透法，利用超聲導波對鋼軌的損傷進行檢測，原理見上圖。使用單激勵單接收方式，通過判斷接收到導波的幅值對鋼軌傷損進行檢測，有效檢測范圍為激勵探頭與接收探頭之間的鋼軌，實驗方案如下圖所示。

　　圖：超聲導波損傷檢測實驗方案

　　根據導波的傳播特性，不同模態的導波對鋼軌各位置傷損的敏感程度不同。尤其對于穿透法檢測，若選取能量集中位置與檢測位置不同的模態，或者能量較分散的模態進行檢測時，導波在傳播過程中受到缺陷影響較小，影響檢測精度。一般情況下，一個導波模態能量集中位置即為該模態適合檢測的位置。對于缺陷平面垂直于傳播方向或質點振動方向的傷損，檢測效果更加明顯。在實際應用中對于不同位置、不同類型的傷損應選取合適的導波模態進行檢測。

　　1、軌頭橫向直裂紋檢測實驗

　　在軌頭位置預制裂紋，裂紋橫向通透、垂向深度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：軌頭損傷檢測實驗現場

　　根據前文分析，軌頭處的對稱導波模態中，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

　　提取接收探頭檢測到的信號，如上圖所示。在第一組實驗結果中，將傳播速度最快的三個波包峰值點命名為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%。兩組實驗中損傷工況下GT-S1模態導波幅值均有明顯降低，說明使用GT-S1模態檢測鋼軌軌頭橫向裂紋的可行性。此外可注意到在第一組實驗中，正常工況及損傷工況下p2、p3幅值未發生明顯變化，原因可能是p2、p3峰值點對應導波能量分散，導致在傳播過程中僅有較少能量的導波經過缺陷位置，幅值下降值小于由于多次測量產生的誤差值，故在軌頭橫向直裂紋檢測中，對p2、p3對應的導波不進行分析。

　　2、軌底橫向直裂紋檢測實驗

　　在軌底位置預制裂紋，裂紋橫向深度約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：軌底損傷檢測實驗現場

　　發射探頭和接收探頭位于傷損兩側對稱布置，布置位置位于鋼軌軌底翼緣中心處，見圖。經前文分析得，在此位置處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。

　　激勵信號采用漢寧窗調制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：軌底裂紋損傷檢測信號實驗結果

　　提取接收探頭檢測到的信號，如上圖所示。在第一組實驗結果中，將導波幅值最大波包峰值點命名為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)沿軌頂踏面垂向激勵時，在軌頂踏面接收到導波的優勢模態為GT-S1模態；沿軌腰位置橫向激勵時，在軌腰中間位置接收到導波的優勢模態為GY-A1模態；沿軌底位置法向激勵時，在軌底翼緣中心處接收到導波的優勢模態為GT-S1模態；這三個模態的導波在其能量集中位置傳播特性良好，可分別作為鋼軌軌頭、軌腰、軌底檢測的目標模態。

　　(2)利用穿透法可使用超聲導波對鋼軌損傷進行有效檢測。使用GT-S1模態可檢測鋼軌軌頭橫向直裂紋，使用GD-A2模態可檢測鋼軌軌底橫向直裂紋。在損傷工況下檢測到目標模態導波的幅值明顯小于正常工況下幅值，說明使用超聲導波鋼軌檢測的可行性和有效性。

　　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知網論文《PZT超聲導波在鋼軌中傳播特性研究》