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(chēng)：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(wú)損檢測(cè)
測(cè)試目的：
超聲導(dǎo)波具有傳播距離遠(yuǎn)、檢測(cè)距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，在鋼軌無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文使用有限元仿真方法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)鋼軌各模態(tài)超聲導(dǎo)波的傳播特性進(jìn)行深入研究。
測(cè)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(guò)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(duì)鋼軌的損傷進(jìn)行檢測(cè)，原理見(jiàn)上圖。使用單激勵(lì)單接收方式，通過(guò)判斷接收到導(dǎo)波的幅值對(duì)鋼軌傷損進(jìn)行檢測(cè)，有效檢測(cè)范圍為激勵(lì)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(cè)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(duì)鋼軌各位置傷損的敏感程度不同。尤其對(duì)于穿透法檢測(cè)，若選取能量集中位置與檢測(cè)位置不同的模態(tài)，或者能量較分散的模態(tài)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，導(dǎo)波在傳播過(guò)程中受到缺陷影響較小，影響檢測(cè)精度。一般情況下，一個(gè)導(dǎo)波模態(tài)能量集中位置即為該模態(tài)適合檢測(cè)的位置。對(duì)于缺陷平面垂直于傳播方向或質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向的傷損，檢測(cè)效果更加明顯。在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于不同位置、不同類(lèi)型的傷損應(yīng)選取合適的導(dǎo)波模態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。
1、軌頭橫向直裂紋檢測(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
根據(jù)前文分析，軌頭處的對(duì)稱(chēng)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(cè)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(duì)稱(chēng)布置，見(jiàn)上圖。激勵(lì)信號(hào)采用漢寧窗調(diào)制5周期余弦信號(hào)，中心頻率為85kHz，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓幅值為150V。為對(duì)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(lì)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(lì)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(duì)比，每組實(shí)驗(yàn)均設(shè)置無(wú)損傷對(duì)照組，對(duì)照組除無(wú)鋼軌損傷外，探頭相對(duì)位置、激勵(lì)條件均與實(shí)驗(yàn)組保持一致。
圖：軌頭裂紋損傷檢測(cè)信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
提取接收探頭檢測(cè)到的信號(hào)，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(gè)波包峰值點(diǎn)命名為p1、p2、p3，其中p1對(duì)應(yīng)波包為GT-S1模態(tài)，p2、p3波包可視為干擾模態(tài)。對(duì)比第一組和第二組實(shí)驗(yàn)中無(wú)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(wú)損傷工況時(shí)p1點(diǎn)幅值為498mV，損傷工況時(shí)p1點(diǎn)幅值為331mV，降低了33.5%。在第二組實(shí)驗(yàn)中，無(wú)損傷工況時(shí)p1點(diǎn)幅值為510mV，損傷工況時(shí)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(shuō)明使用GT-S1模態(tài)檢測(cè)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(duì)應(yīng)導(dǎo)波能量分散，導(dǎo)致在傳播過(guò)程中僅有較少能量的導(dǎo)波經(jīng)過(guò)缺陷位置，幅值下降值小于由于多次測(cè)量產(chǎn)生的誤差值，故在軌頭橫向直裂紋檢測(cè)中，對(duì)p2、p3對(duì)應(yīng)的導(dǎo)波不進(jìn)行分析。
2、軌底橫向直裂紋檢測(cè)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(cè)技術(shù)的盲區(qū)，本文將使用超聲導(dǎo)波對(duì)軌底裂紋進(jìn)行檢測(cè)。
圖：軌底損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)
發(fā)射探頭和接收探頭位于傷損兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，布置位置位于鋼軌軌底翼緣中心處，見(jiàn)圖。經(jīng)前文分析得，在此位置處GD-A2模態(tài)為優(yōu)勢(shì)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(lì)與檢測(cè)，故將GD-A2模態(tài)作為目標(biāo)模態(tài)檢測(cè)軌底橫向直裂紋。
激勵(lì)信號(hào)采用漢寧窗調(diào)制5周期余弦信號(hào)，中心頻率為90kHz，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓幅值為150V。與軌頭位置檢測(cè)相同，設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比：第一組實(shí)驗(yàn)將發(fā)射探頭和激勵(lì)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(lì)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(wú)損傷對(duì)照組。
圖：軌底裂紋損傷檢測(cè)信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
提取接收探頭檢測(cè)到的信號(hào)，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(duì)應(yīng)GD-A2模態(tài)的導(dǎo)波。對(duì)比第一組和第二組實(shí)驗(yàn)中無(wú)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(wú)損傷工況時(shí)p點(diǎn)幅值為11.9mV，損傷工況時(shí)p點(diǎn)幅值為3.6mV，降低了69.7%。在第二組實(shí)驗(yàn)中，無(wú)損傷工況時(shí)p點(diǎn)幅值為11.6mV，損傷工況時(shí)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(shuō)明使用GD-A2模態(tài)檢測(cè)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(lì)時(shí)，在軌頂踏面接收到導(dǎo)波的優(yōu)勢(shì)模態(tài)為GT-S1模態(tài)；沿軌腰位置橫向激勵(lì)時(shí)，在軌腰中間位置接收到導(dǎo)波的優(yōu)勢(shì)模態(tài)為GY-A1模態(tài)；沿軌底位置法向激勵(lì)時(shí)，在軌底翼緣中心處接收到導(dǎo)波的優(yōu)勢(shì)模態(tài)為GT-S1模態(tài)；這三個(gè)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(cè)的目標(biāo)模態(tài)。
(2)利用穿透法可使用超聲導(dǎo)波對(duì)鋼軌損傷進(jìn)行有效檢測(cè)。使用GT-S1模態(tài)可檢測(cè)鋼軌軌頭橫向直裂紋，使用GD-A2模態(tài)可檢測(cè)鋼軌軌底橫向直裂紋。在損傷工況下檢測(cè)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(shuō)明使用超聲導(dǎo)波鋼軌檢測(cè)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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