高壓放大器在超聲導(dǎo)波鋼軌傳播中的應(yīng)用
實(shí)驗(yàn)名稱：高壓放大器在超聲導(dǎo)波鋼軌傳播中的應(yīng)用
研究方向：無損檢測
測試目的：
超聲導(dǎo)波具有傳播距離遠(yuǎn)、檢測距離長的特點(diǎn)，在鋼軌無損檢測領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。本文使用有限元仿真方法和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)方法，對鋼軌各模態(tài)超聲導(dǎo)波的傳播特性進(jìn)行深入研究。
測試設(shè)備：ATA-2042高壓放大器、任意函數(shù)發(fā)生器、壓電陶瓷、鋼軌、示波器。
實(shí)驗(yàn)過程：
圖：脈沖反射法及穿透法
本文使用穿透法，利用超聲導(dǎo)波對鋼軌的損傷進(jìn)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(dǎo)波的幅值對鋼軌傷損進(jìn)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(shí)驗(yàn)方案如下圖所示。
圖：超聲導(dǎo)波損傷檢測實(shí)驗(yàn)方案
根據(jù)導(dǎo)波的傳播特性，不同模態(tài)的導(dǎo)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(tài)，或者能量較分散的模態(tài)進(jìn)行檢測時，導(dǎo)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(dǎo)波模態(tài)能量集中位置即為該模態(tài)適合檢測的位置。對于缺陷平面垂直于傳播方向或質(zhì)點(diǎn)振動方向的傷損，檢測效果更加明顯。在實(shí)際應(yīng)用中對于不同位置、不同類型的傷損應(yīng)選取合適的導(dǎo)波模態(tài)進(jìn)行檢測。
1、軌頭橫向直裂紋檢測實(shí)驗(yàn)
在軌頭位置預(yù)制裂紋，裂紋橫向通透、垂向深度10mm、縱向?qū)挾燃s2mm，損傷面積約占軌頭面積的20%。該裂紋模擬實(shí)際情況下鋼軌踏面損傷，如下圖所示。
圖：軌頭損傷檢測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場
根據(jù)前文分析，軌頭處的對稱導(dǎo)波模態(tài)中，GT-S1模態(tài)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(biāo)模態(tài)。發(fā)射探頭和接收探頭位于傷損兩側(cè)對稱布置，見上圖。激勵信號采用漢寧窗調(diào)制5周期余弦信號，中心頻率為85kHz，壓電陶瓷驅(qū)動電壓幅值為150V。為對比分析，設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)：第一組實(shí)驗(yàn)將發(fā)射探頭和激勵探頭分別布置在損傷兩側(cè)0.3m位置；第二組實(shí)驗(yàn)將發(fā)射探頭和激勵探頭分別布置在損傷兩側(cè)0.6m位置。為與正常工況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，每組實(shí)驗(yàn)均設(shè)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(shí)驗(yàn)組保持一致。
圖：軌頭裂紋損傷檢測信號實(shí)驗(yàn)結(jié)果
提取接收探頭檢測到的信號，如上圖所示。在第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，將傳播速度最快的三個波包峰值點(diǎn)命名為p1、p2、p3，其中p1對應(yīng)波包為GT-S1模態(tài)，p2、p3波包可視為干擾模態(tài)。對比第一組和第二組實(shí)驗(yàn)中無損傷工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第一組實(shí)驗(yàn)發(fā)射探頭與接收探頭間距為0.6m，第二組實(shí)驗(yàn)發(fā)射探頭與接收探頭間距為1.2m，兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中p1點(diǎn)幅值變化不大，故可知在0.6m范圍內(nèi)GT-S1模態(tài)能量未明顯衰減。在第一組實(shí)驗(yàn)中，無損傷工況時p1點(diǎn)幅值為498mV，損傷工況時p1點(diǎn)幅值為331mV，降低了33.5%。在第二組實(shí)驗(yàn)中，無損傷工況時p1點(diǎn)幅值為510mV，損傷工況時p1點(diǎn)幅值為
392mV，降低了23.1%。兩組實(shí)驗(yàn)中損傷工況下GT-S1模態(tài)導(dǎo)波幅值均有明顯降低，說明使用GT-S1模態(tài)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(shí)驗(yàn)中，正常工況及損傷工況下p2、p3幅值未發(fā)生明顯變化，原因可能是p2、p3峰值點(diǎn)對應(yīng)導(dǎo)波能量分散，導(dǎo)致在傳播過程中僅有較少能量的導(dǎo)波經(jīng)過缺陷位置，幅值下降值小于由于多次測量產(chǎn)生的誤差值，故在軌頭橫向直裂紋檢測中，對p2、p3對應(yīng)的導(dǎo)波不進(jìn)行分析。
2、軌底橫向直裂紋檢測實(shí)驗(yàn)
在軌底位置預(yù)制裂紋，裂紋橫向深度約23mm、垂向深度約10mm、縱向?qū)挾燃s2mm，損傷面積約占軌底面積的15%。軌底位置是當(dāng)前超聲波檢測技術(shù)的盲區(qū)，本文將使用超聲導(dǎo)波對軌底裂紋進(jìn)行檢測。
圖：軌底損傷檢測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場
發(fā)射探頭和接收探頭位于傷損兩側(cè)對稱布置，布置位置位于鋼軌軌底翼緣中心處，見圖。經(jīng)前文分析得，在此位置處GD-A2模態(tài)為優(yōu)勢模態(tài)，該模態(tài)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(tài)作為目標(biāo)模態(tài)檢測軌底橫向直裂紋。
激勵信號采用漢寧窗調(diào)制5周期余弦信號，中心頻率為90kHz，壓電陶瓷驅(qū)動電壓幅值為150V。與軌頭位置檢測相同，設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比：第一組實(shí)驗(yàn)將發(fā)射探頭和激勵探頭分別布置在損傷兩側(cè)0.3m位置，第二組實(shí)驗(yàn)將發(fā)射探頭和激勵探頭分別布置在損傷兩側(cè)0.6m位置，每組實(shí)驗(yàn)均設(shè)置無損傷對照組。
圖：軌底裂紋損傷檢測信號實(shí)驗(yàn)結(jié)果
提取接收探頭檢測到的信號，如上圖所示。在第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，將導(dǎo)波幅值最大波包峰值點(diǎn)命名為p點(diǎn)，p點(diǎn)對應(yīng)GD-A2模態(tài)的導(dǎo)波。對比第一組和第二組實(shí)驗(yàn)中無損傷工況實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果中p點(diǎn)幅值變化不大，故可知在0.6m范圍內(nèi)GD-A2模態(tài)能量未明顯衰減。在第一組實(shí)驗(yàn)中，無損傷工況時p點(diǎn)幅值為11.9mV，損傷工況時p點(diǎn)幅值為3.6mV，降低了69.7%。在第二組實(shí)驗(yàn)中，無損傷工況時p點(diǎn)幅值為11.6mV，損傷工況時p點(diǎn)幅值為4.8mV，降低了58.6%。兩組實(shí)驗(yàn)中損傷工況下GD-A2模態(tài)導(dǎo)波幅值均有明顯降低，說明使用GD-A2模態(tài)檢測鋼軌軌底橫向裂紋的可行性。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
(1)沿軌頂踏面垂向激勵時，在軌頂踏面接收到導(dǎo)波的優(yōu)勢模態(tài)為GT-S1模態(tài)；沿軌腰位置橫向激勵時，在軌腰中間位置接收到導(dǎo)波的優(yōu)勢模態(tài)為GY-A1模態(tài)；沿軌底位置法向激勵時，在軌底翼緣中心處接收到導(dǎo)波的優(yōu)勢模態(tài)為GT-S1模態(tài)；這三個模態(tài)的導(dǎo)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(biāo)模態(tài)。
(2)利用穿透法可使用超聲導(dǎo)波對鋼軌損傷進(jìn)行有效檢測。使用GT-S1模態(tài)可檢測鋼軌軌頭橫向直裂紋，使用GD-A2模態(tài)可檢測鋼軌軌底橫向直裂紋。在損傷工況下檢測到目標(biāo)模態(tài)導(dǎo)波的幅值明顯小于正常工況下幅值，說明使用超聲導(dǎo)波鋼軌檢測的可行性和有效性。
圖：ATA-2042高壓放大器指標(biāo)參數(shù)
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本文實(shí)驗(yàn)案例參考自知網(wǎng)論文《PZT超聲導(dǎo)波在鋼軌中傳播特性研究》
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