基于超聲相控陣的鋼軌探傷技術(shù)研究.pdf

1、通過(guò)調(diào)研國(guó)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(gè)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(jià)。本文研究了基于快速自動(dòng)角度掃查技術(shù)的軌頭核傷檢測(cè)方法，該方法將傳統(tǒng)的單波束一次波探傷改進(jìn)為八波束二次波探傷。本文通過(guò)CIVA仿真完成了軌面探頭放置角度的選取、八個(gè)聲束角度的選取以及聲束覆蓋性分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(duì)聲場(chǎng)分析的方法進(jìn)行了梳理，然后采用矩形分解法對(duì)矩形晶片進(jìn)行了聲場(chǎng)仿真，并進(jìn)一步對(duì)線性陣列的聲場(chǎng)進(jìn)行了仿真，探討了陣列參數(shù)對(duì)聲場(chǎng)分布的影響。其目的在于評(píng)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(duì)探頭聲場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，本文介紹了基本的波束成形方法，并通過(guò)增加不同的窗函數(shù)來(lái)對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)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(guò)程中，會(huì)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(jìn)行定量分析，即在高速探傷過(guò)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(hào)時(shí)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(duì)此常規(guī)探頭有著較為成熟的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，且適當(dāng)布置常規(guī)探頭有利于控制整個(gè)系統(tǒng)的成本，因而設(shè)計(jì)了將使用了快速自動(dòng)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(gè)相控陣探頭和多個(gè)典型角度常規(guī)探頭組成。本文介紹了利用CIVA仿真實(shí)現(xiàn)常規(guī)探頭定制的方法，并以37°為例進(jìn)行了說(shuō)明。仿真首先討論了改變探頭晶片尺寸對(duì)于聲場(chǎng)覆蓋性的影響，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)用時(shí)的限制條件得出了探頭的定制方案。然后通過(guò)仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的37°探頭對(duì)于3個(gè)常見(jiàn)方向的螺孔裂紋的探測(cè)效果。
　　實(shí)驗(yàn)部分一方面驗(yàn)證了探頭布局方式的可行性，另一方面獲得該布局下各類(lèi)缺陷的A掃圖

5、譜，以便運(yùn)用時(shí)根據(jù)圖譜對(duì)缺陷類(lèi)型做出判別。測(cè)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(guó)SOCOMATE公司的的USPC板卡進(jìn)行超聲信號(hào)的處理。對(duì)于參考軌上的每個(gè)缺陷，都用布局中對(duì)應(yīng)的探頭進(jìn)行了測(cè)試，獲得了檢測(cè)缺陷時(shí)系統(tǒng)所用的增益，并分析了所得A-Scan的信噪比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該布局中的相控陣及常規(guī)探頭都達(dá)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(lèi)缺陷。同時(shí)也暴露了使用快速自動(dòng)角度掃查技術(shù)的相控陣近場(chǎng)較大的問(wèn)題，但由于用二次波進(jìn)行探傷，缺陷回波往往處于聲場(chǎng)較遠(yuǎn)處，故此問(wèn)題對(duì)實(shí)際檢測(cè)不會(huì)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(shí)發(fā)射多方向聲束以及常規(guī)超聲信號(hào)并行處理的需要。但該系統(tǒng)難以對(duì)A掃數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，通過(guò)計(jì)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(shí)緩存