基于超聲相控陣的鋼軌探傷技術(shù)研究.pdf

1、通過調(diào)研國內(nèi)外的鋼軌超聲探傷方式，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有鋼軌探傷大多使用常規(guī)超聲探傷技術(shù)，部分使用常規(guī)相控陣技術(shù)。而由于常規(guī)相控陣每次只能激發(fā)一個方向波束，若要保障探傷覆蓋率，需要以犧牲探傷速度為代價。本文研究了基于快速自動角度掃查技術(shù)的軌頭核傷檢測方法，該方法將傳統(tǒng)的單波束一次波探傷改進為八波束二次波探傷。本文通過CIVA仿真完成了軌面探頭放置角度的選取、八個聲束角度的選取以及聲束覆蓋性分析，并通過實驗驗證了該方式的可行性。
　　在原理及仿真

2、部分，本文介紹了相控陣的工作原理，并對聲場分析的方法進行了梳理，然后采用矩形分解法對矩形晶片進行了聲場仿真，并進一步對線性陣列的聲場進行了仿真，探討了陣列參數(shù)對聲場分布的影響。其目的在于評估相控陣探頭參數(shù)選取的合理性，并分析其聲束的有效區(qū)域是否覆蓋了預(yù)期的探傷區(qū)域。
　　為對探頭聲場進行優(yōu)化，本文介紹了基本的波束成形方法，并通過增加不同的窗函數(shù)來對聲場進行優(yōu)化。通過MATLAB仿真可以發(fā)現(xiàn)，增加窗函數(shù)可增加主瓣的寬度，抑制旁瓣，即

3、降低了波束的分辨率，但可提升信噪比和主聲束的覆蓋范圍。在鋼軌高速探傷過程中，會更加側(cè)重快速發(fā)現(xiàn)缺陷，而在缺陷復(fù)核環(huán)節(jié)再進行定量分析，即在高速探傷過程中更側(cè)重于信噪比和覆蓋率的提升，在缺陷復(fù)核環(huán)節(jié)更側(cè)重于提升波束分辨率，所以在處理超聲信號時增加窗函數(shù)符合高速探傷的需求。
　　除了軌頭核傷，螺孔裂紋、軌底腐蝕等缺陷也很典型，對此常規(guī)探頭有著較為成熟的運用經(jīng)驗，且適當(dāng)布置常規(guī)探頭有利于控制整個系統(tǒng)的成本，因而設(shè)計了將使用了快速自動角度掃

4、查技術(shù)的相控陣與常規(guī)超聲探頭相組合的方式，該組合方式由一個相控陣探頭和多個典型角度常規(guī)探頭組成。本文介紹了利用CIVA仿真實現(xiàn)常規(guī)探頭定制的方法，并以37°為例進行了說明。仿真首先討論了改變探頭晶片尺寸對于聲場覆蓋性的影響，并結(jié)合實際運用時的限制條件得出了探頭的定制方案。然后通過仿真進一步驗證了設(shè)計的37°探頭對于3個常見方向的螺孔裂紋的探測效果。
　　實驗部分一方面驗證了探頭布局方式的可行性，另一方面獲得該布局下各類缺陷的A掃圖

5、譜，以便運用時根據(jù)圖譜對缺陷類型做出判別。測試采用定制的探頭，并根據(jù)鐵標(biāo)TBT2340-2014加工制作了參考軌，參考軌上分布有標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的典型缺陷，包含不同方向的軌頭核傷、螺孔裂紋、軌底腐蝕等。采用了法國SOCOMATE公司的的USPC板卡進行超聲信號的處理。對于參考軌上的每個缺陷，都用布局中對應(yīng)的探頭進行了測試，獲得了檢測缺陷時系統(tǒng)所用的增益，并分析了所得A-Scan的信噪比，實驗結(jié)果表明，該布局中的相控陣及常規(guī)探頭都達到了預(yù)期的

6、效果，該布局能夠覆蓋鐵標(biāo)參考軌中所要求的各類缺陷。同時也暴露了使用快速自動角度掃查技術(shù)的相控陣近場較大的問題，但由于用二次波進行探傷，缺陷回波往往處于聲場較遠處，故此問題對實際檢測不會產(chǎn)生太大影響。
　　本文最后探討了高速超聲探傷系統(tǒng)的構(gòu)建。本文所構(gòu)建的高速探傷系統(tǒng)可滿足相控陣同時發(fā)射多方向聲束以及常規(guī)超聲信號并行處理的需要。但該系統(tǒng)難以對A掃數(shù)據(jù)進行回放，通過計算發(fā)現(xiàn)在5khz的脈沖觸發(fā)頻率下，傳輸帶寬難以滿足多通道數(shù)據(jù)同時緩存