（信号与信息处理专业论文）超声波检测钢轨伤损及定位研究.pdf

图书分类号图书分类号 t tb553b553 密级密级 非密非密 udcudc 注注 1 1 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 超声波检测钢轨伤损及定位研超声波检测钢轨伤损及定位研究究 李文超李文超 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称） 苏新彦苏新彦 副教授副教授 申请学位级别申请学位级别 工学硕士工学硕士 专业名称专业名称 信号与信息处理信号与信息处理 论文提交日期论文提交日期 2013 2013 年年 4 4 月月 1010 日日 论文答辩日期论文答辩日期 2013 2013 年年 5 5 月月 30 30 日日 学位授予日期学位授予日期 年年 月月 日日 论文评阅人论文评阅人 李铁鹰李铁鹰 张丕状张丕状 答辩委员会主席答辩委员会主席 张文梅张文梅 20122012 年年 6 6 月月 7 7 日日 注注 1 1：注明国际十进分类法：注明国际十进分类法 u udcdc的分类的分类 中北大学学位论文 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期：日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 超声波检测钢轨伤损及定位研究 摘 要 在我国的交通运输系统中，铁路运输一直占据着重要的地位，钢轨在长期运行过程 中难免出现各种损伤，严重威胁着列车的安全，在检测钢轨伤损中，超声探伤技术是应 用最为广泛的方法之一。随着超声波检测诊断技术和检测方法迅速的发展，超声探伤技 术在铁路领域得到重要的应用。 本文在分析超声波的特征值、介质的声参量及超声波在介质中的特性基础上，利用 超声波脉冲反射法基本理论，设计了超声波检测钢轨伤损及定位系统。该系统以高性能 单片机为控制核心、采用五通道高速采集卡进行数据采集，搭建了无损检测硬件系统平 台。 本系统经过选取合适的探头，设计了单片机为核心的控制模块及超声波发射电路和 超声波接收电路；用高速采集卡实现了对信号的五通道高速采集。以 vc6.0+为编程工 具，matlab 为分析工具，完成了整套系统软件编程及调试的工作。最后利用小波变换将 采集的回波信号进行降噪处理，能够对伤波信号增强和提取，实现了对钢轨伤损判定和 定位。 通过大量的实验表明：本文设计的超声波探伤系统对钢轨伤损判定和定位取得了理 想的效果。在论文的最后做了总结，并且对超声波检测钢轨伤损的进一步的研究提出建 议。 关键词：关键词： 无损检测；超声检测；数据采集；小波变换 中北大学学位论文 research on ultrasonic testing of rail defects and positioning abstract in our countrys transport system, rail transport has been played an important role in the system, but the rail will inevitably lead to a variety of injuries in the long-running process, and this will influence the safety of train. ultrasonic flaw detection is one of the most commonly methods in rail detection testing. with the development of ultrasonic testing diagnostic techniques and detection methods, ultrasonic flaw detection technology has been importantly used in the railway field. this paper analyzed ultrasonic eigenvalues, acoustic parameter of medium and ultrasonic properties of the medium. basised on all of these, then according to the basic principle of the ultrasonic pulse reflection, it designed ultrasonic rail failure detection and location system. it used high performance processor as its control core unit, and used high-speed acquisition card as the acquisition of data. all of these constitute five-channel ultrasonic non-destructive testing hardware platform. the system selected the appropriate probes, designed the control module which used microcontroller as its core and the circuit of ultrasonic transmitter and receiver; using high-speed acquisition card achieved a five-channel high speed signal acquisition. the paper identified in vc+6.0 for the programming tools, matlab for analysis tools in order to achieve the positioning of rail defects, and it completed the ultrasonic flaw detection system of software programming and software testing. finally it used wavelet transform effectively remove the noise of collected echo signal, it achieve the enhancement of wound-wave signal and extraction, and it realized the determination and positioning of rail defects. a lot of experiments showed that: in this paper, the design of the ultrasonic flaw detection system can locate and test the rail defects. in the end of the paper，it made a concluding and suggested for further work. 中北大学学位论文 keywords: non-destructive testing; ultrasonic testing; data acquisition; wavelet transform 中北大学学位论文 i 目目 录录 第一章 绪论 1.1 课题选题背景及研究意义 . 1 1.2 国内外的研究现状 . 2 1.3 论文的主要工作 . 4 第二章 超声波探伤的基本原理 2.1 超声场的特征值和介质的声参量 . 6 2.1.1 超声场的特征值 . 6 2.1.2 介质的声参量 . 8 2.2 超声波在介质中的特性 . 9 2.2.1 垂直入射到平界面上 . 10 2.2.2 倾斜入射到平界面上 . 11 2.3 超声波的检测 . 13 2.4 超声信号采集原理 . 15 2.5 伤损回波特性分析 . 16 2.5.1 伤损的定量 . 17 2.5.2 伤损的定位 . 18 2.6 本章小结 . 20 第三章 超声探伤硬件系统 3.1 超声波探伤硬件系统概述. 21 3.2 超声探头 . 23 3.2.1 探测频率 . 24 3.2.2 探头晶片尺寸 . 25 中北大学学位论文 ii 3.2.3 探头类型 . 25 3.2.4 探头耦合剂 . 26 3.3 超声波发射电路 . 26 3.3.1 脉冲式超声波发射原理 . 26 3.3.2 发射电路与控制系统的隔离 . 27 3.4 超声波接收电路 . 28 3.4.1 超声波接收的隔离电路 . 28 3.4.2 前置放大电路 . 30 3.4.3 带通滤波电路 . 31 3.4.4 增益可控放大电路 . 33 3.4.5 数据采集电路 . 34 3.5 c8051f340 控制模块 . 35 3.6 c8051f340 与上位机的通讯 . 36 3.7 本章小结 . 38 第四章 超声波软件设计 4.1 理论说明 . 39 4.1.1 面向对象编程 . 39 4.1.2 数据库技术 . 39 4.2 小波变换 . 40 4.3 上位机软件设计 . 46 4.3.1 软件的程序流程 . 48 4.4 回波显示及伤损定位 . 49 4.5 数据分析 . 51 4.6 本章小结 . 52 中北大学学位论文 iii 第五章 总结与展望 5.1 总结 . 53 5.2 展望 . 54 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文 致 谢 中北大学学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题选题背景及研究意义 近几年，铁路发展迅速，尤其是高铁和地铁的迅猛发展，给国民的生活带来了极大 的方便，长期以来铁路运输是国民经济的大动脉，铁路安全对于社会经济建设的各个方 面有着举足轻重的作用，列车的安全运行就是铁路运输首先要保证的。铁路钢轨在使用 过程中， 由于自然因素以及列车载荷的作用， 会使轨道表面及内部产生各种各样的损伤， 对列车运行的安全构成威胁。在铁路上，由于长时间工作，钢轨会产生擦伤、剥离及内 部皱褶等伤损，长此以往会对列车的轮、轴承等造成了极大损害 1。当车轮在有伤损的 轨道上运动时，周期性地冲击会引起整个车辆、轨道系统的藕合振动，这样不仅会缩短 列车各个部件的使用寿命，而且是造成车辆颠覆、燃轴、切轴的重要原因 2-5，故而在铁 路运输系统中，钢轨的检测与保养是保证铁路运输安全的重要手段。 在国家形形色色的运输体系内，铁路体系一直处在举足轻重的地位，所以确保铁路 的安全是十分关键的。在铁路运输的过程中，钢轨是运输体系的根基，起到支撑并且引 导列车的作用，列车在钢轨上摩擦，撞击等运动中，钢轨承受着作用力并且将其传布于 轨枕和扣件。在列车一次又一次的冲击下，因为钢轨这种材质的特性及其复杂的结构， 再有着气候条件及线路养护等外界原因，故而会有温度变化，而相对的温度差异会造成 钢轨材质里面的温度起伏较大。当温度起伏较大时，产生的作用力很难被钢轨所承担， 瞬间钢轨上会出现种种伤损。如果伤损长时间存在，就易使钢轨出现折断的现象，断轨 的出现会使列车在轨道上运行时容易翻车，不能保证旅客的人身与财产安全，还会使运 输体系瘫痪，破坏经济建设。所以，国家对铁路体系的安全相当重视，并且年年投入大 笔资金检测钢轨伤损，为的是在最大程度上保证铁路运输的安全 6。 检测铁路钢轨伤损的方法多种多样，有超声波检测，声发射、微波检测、射线检测， 磁粉检测，渗透检测等 7。而上面多种多样的方法中超声波探伤正是基于钢轨自身的特 点所被人采用的一种十分重要的方法。超声探伤与其他的方法相比，适用范围广、设备 安全、操作简单、探伤灵敏度高，易于实现自动化检测。超声波探伤是指超声波在钢轨 中北大学学位论文 2 里面传播，依据钢轨里面伤损展现的声学特征对超声波传播的作用来检测钢轨伤损的方 法。因为超声波沿一个方向传播，且超声波的能量很大，轻而易举的能穿透被测物体， 故而超声波探伤被广泛应用在铁路钢轨的检测中，这些因素又构成了钢轨探伤系统的物 理基础。超声波在钢轨里面传播的过程中，超声波在钢轨的种种界面频频传播，在遇到 钢轨伤损之后就会反射回来一定强度的回波，而回波经过处理就可以检测出被测钢轨是 否有伤损。在钢轨检测伤损过程中，由很多特性决定着的超声波有着以下的优点：超声 波穿透被测物体（钢轨）的能力强，所检测的厚度极大，超声波检测伤损是所有无损检 测伤损方法中可测的厚度的最大者；超声波检测伤损具有极高的灵敏度，存在钢轨中的 空气分层的厚度是 6 mm 10 ，反射率能够达到21%，而当空气分层的厚度是 5 mm 10 时，反 射率能够达到94%，在所有无损检测方法中，它的检测灵敏度是极高的；超声波检测能 探出钢轨内部不同的伤损， 因为它可以用各种各样的探头、 多种波型做各个方向的检测； 超声检测技术一直不断的突破，故而超声波检测具有好的方向性，可以精确的定位钢轨 的伤损；超声波检测的消耗低、检测的时间很短，就算手动使用，其它的方法也没有超 声波检测速度快，不用找特定的试验场地，仅需要少量耦合剂及电能就能进行试验，检 测速度将大大领先于各类探伤方法。 本课题利用超声波的基本原理，对钢轨的伤损进行检测。先用实现电能和机械能间 的相互转换的探头发射出声波，将接收到的信号波形进行有效地采集，再对采集信号中 遇到钢轨中的焊缝或者裂纹之后就会反射回来一定的强度的回波进行降噪处理，经过处 理后，最后对伤波进一步提取分析就可以得出被检测钢轨是否有伤损及有伤损的位置。 此种方法比磁粉探伤等方法更加提高了检测的效率，降低了检测成本，对铁路的运输安 全有着不可估量的实际意义。 1.2 国内外的研究现状 在铁路运输体系中，国内和国外一直对检测伤损技术有着很高的重视，它不仅仅关 系着国家经济的发展，更是保障国民的人身安全。铁路上的钢轨由于列车通行有着过长 的时间或热胀冷缩等天气因素，钢轨的内部出现伤损的几率极大，如果没有及时的发现 这些伤损，可能造成钢轨从中断裂，由此导致列车脱轨等一系列可怕的事故，因此每年 中北大学学位论文 3 国家都要花费一定的资金定期的对铁路上的钢轨进行伤损检测，在最大程度上保证列车 的运行。早年间，研究检测钢轨伤损的方法即为可视化检测-砂镜，虽然运用了一段时 间， 但是这种方法很容易忽略掉很多钢轨外面及里面的伤损。由于感应技术的快速发展， 科学家在1923年产生灵感并设计钢轨探伤车， 其最早的标准即感应技术和超声传感器彼 此融合。最近十年，钢轨检测伤损技术犹如雨后春笋般的成长，有波纹检测技术，此技 术是由gabor滤波图像处理的方法，还有根据热波能量大量倾泻的性质发明的光热检测 技术，即钢轨表面被激光波束击打，这种激光波束是由一定频率所调制的，并且发生扩 散是以热波的形式， 接收一侧用热探测器来捕获， 此技术仅仅能检测钢轨表面的伤损 8。 钢轨是铁路运输体系的枢纽，在二十世纪五十年代，我国就已经采用超声检测设备 对其进行检测。1954年10月，共振式探伤仪从瑞士matisa公司引入到国内。不久后 北京bc 13 和武汉gts 1手杖式钢轨探伤仪出现。1983年我国鉴定通过了jgt 3型 超声波钢轨探伤仪，就近几年来看，国内的大部分的手推式钢轨探伤仪的发展都是基于 jgt 3 型探伤仪的技术。但由于使用的手推式钢轨探伤仪绝大多数都是使用效率低， 操作起来效果差，检测结果达不到预期的目标，钢轨脱离轨道的突发事件会不时发生。 随着我国高铁和地铁建设的迅猛的发展，原有的手推式钢轨探伤仪越来越不适应铁路检 测的要求。 就目前情况下，国内及国外超声波检测钢轨伤损方法的重要的有两种 9-10，分别是 高速的钢轨探伤车和手推式的超声波探伤仪。按照伤损的显示方式，超声波探伤仪可 以分为三类：一类是a型的扫描显示，它实质上是一种波形显示，在显示屏上横坐标代 表时间，纵坐标代表反射波的强度。这种扫描的缺点是对粗糙、形状不规则、非均质的 材料难以检查；一种是b型的扫描显示，即在显示屏上横坐标是来代表超声波探头的扫 描轨迹所靠的是机械扫描，纵坐标是代表的是超声波传播的时间所靠的是电子扫描，但 这种扫描反应很慢，所用的时间也很长。一种是c型的扫描显示，显示屏代表着被检测 钢轨的投影面， 这样可以绘出钢轨伤损的水平投影的位置， 但伤损的埋藏深度不能知晓。 不管哪种钢轨探伤方式，它们基本上都是大型设备，用多个探头同时检测伤损，检测时 极不便利，即使在同一时间内多个探头发射多条声束检测，可因为调节所需角度时候灵 中北大学学位论文 4 敏性差，检测结果有时间差，难以全面检测，同时单探头探伤声束的精度很难达到，故 检测伤损的可靠性差。 目前钢轨的伤损检测主要检测钢轨内伤损，有很多检测的方式。现有的钢轨在线检 测，通常情况下把探头装在离钢轨踏面有一定距离的地方，用来提高钢轨伤损检测率， 确保铁路运输安全。目前，检测钢轨损伤方法基本有以下几种：漏磁检测、脉冲涡流、 交流电磁场检测、超声检测等。漏磁检测是利用磁感应传感器获取漏磁场信号，通过钢 轨表面漏磁的变化量就能分析出伤损的位置等特征，其工作原理简单，可靠性强，可初 步的实现伤损的量化，自动化易实现，在无损检测领域里有很大的发展空间，但其缺点 是当伤损很深、很长的时候，量化难度很大。脉冲涡流检测是基于电磁感应原理，根据 霍尔元件检测磁场的产生后的涡流及磁场变化（此变化是由脉冲电流来产生）来分析钢 轨伤损的信息。此种检测对窄的钢轨伤损有较高的灵敏度，有装置简单、不用接触且线 性范围宽等特点，但脉冲涡流仅仅用于检测钢轨踏面的伤损。交流电磁场检测是近年来 无损检测领域的重要技术，它是一种较新的电磁无损检测技术，有不用接触、对钢轨伤 损定性、定量一次性检测，而且有高精度、快速检测等特点，但其缺点只能检测钢轨表 面的伤损，无法探测钢轨内部的伤损。超声检测是经由电脉冲激发超声探头晶片，探头 发射超声波，发射后的超声波在钢轨中传播遇到伤损，部分声波产生反射，经处理及分 析反射波后，能检测出伤损位置等信息。从国内外钢轨探伤研究现状来看，超声波检测 伤损能有效的解决前面几种方式的漏判、误判、探伤速度较低、不能检测钢轨内部伤损 等问题。由于保证铁路安全对于避免发生严重的铁路运输事故有着至关重要的作用，因 此研究超声波检测钢轨伤损技术具有较好的实用价值与广阔的应用前景。随着铁路发展 的迅速发展，保证铁路运输安全措施的完善，超声波检测伤损技术必将在钢轨探伤中发 挥着越来越重要的作用。 1.3 论文的主要工作 本文以钢轨为研究对象，完成了超声波发射电路、超声波信号调理电路和数据采集 电路的设计，并且用上位机软件对采集的数据进行分析处理，从而对钢轨的伤损进行有 效的判定与定位。本论文共分五章，章节安排如下： 第一章：绪论。提出超声波检测伤损的研究背景和意义，回顾了超声波检测伤损技 中北大学学位论文 5 术的发展现状。对各种检测钢轨伤损的方法进行对比总结，在归纳分析后，得出超声波 检测伤损技术的不可替代的作用。 第二章：超声波探伤的基本原理。首先介绍了超声场的特征值、介质的声参量及超 声波在介质中的特性，其次介绍了超声波检测钢轨方法，分析伤损回波信号特性，对伤 损定量与定位分析，最后引出解决这些问题的方法。 第三章：超声探伤硬件系统设计。在分析各种探头功能和类型的基础上，选取合适 的探头；设计了以高性能的c8051f340单片机为核心的控制模块；设计了超声波发射电 路和超声波接收电路；采用pci-1714级联高速采集卡，实现对信号的高速采集。 第四章：超声波探伤系统软件设计。在第三章采集回波数据基础之上，设计的上位 机软件利用小波变换有效去除噪声干扰，实现了对伤波信号的增强和提取，最后有效对 钢轨伤损位置进行定位。 第五章：总结与展望。对本课题的研究内容进行总结，提出本课题的不足及研究展 望。 中北大学学位论文 6 第二章 超声波探伤的基本原理 超声波本质是一种机械波，在弹性介质中它是靠振动传播的，其频率一般高于 20khz。在超声波检测中，一般常用的工作频率是0.5mhz10mhz，检测粗晶材质及较 大的衰减材质时候，用较低频率的超声波；检测灵敏度较高及细晶材质时候，一般用较 高频率的超声波。检测某些特殊要求的材质时，工作频率能达到10mhz以上。 在无损检测中，超声检测是其中的重要方法，它在铁路、国防、冶金、核电等等各 行各业发挥着很重要的作用，它还被用在保证产品的质量及工程的质量。超声波钢轨探 伤技术是指超声波在钢轨中传播时，钢轨的这种材质的特性及结构对其产生某些的作 用，根据其受影响的程度及情况来检测钢轨结构是否有伤损的技术。在超声探伤中，主 要涉及几何声学和物理学中的一些基本概念和基本定理， 如声学中的超声波反射、 折射、 波形转换和物理学中波的干涉等理论。 2.1 超声场的特征值和介质的声参量 2.1.1 超声场的特征值 在超声波检测伤损中，超声场是个很重要的因素，只有当伤损置在其中时，才可能被 发现。超声场是充满超声波的空间或振源振动波及的部分介质的空间区域。超声场有着相 对的空间、状态及大小，但能量区位不同会导致超声场不同，其原因分别是：声场里的振 源相异、传播条件相异。声压、声强及声阻抗都是描绘超声场的物理性能的指标 11。 (1)声压 钢轨作为一种弹性介质， 超声波在其中传播时， 临近的质点在波源的作用下发生振动， 此振动受质点之间弹性力的作用，会从近及远的顺序传播。声压指的是有超声波通过时的 压强与没有超声波通过时的压强之差，用符号p表示。 10 ppp (2.1) 式中 1 p有超声波通过时的压强； 中北大学学位论文 7 0 p没有超声波通过时的压强； 声压的常用单位有帕斯卡（ a p）和微帕斯卡（ a p） 1 a p= 2 1/nm= 6 10 a p (2.2) 对于平面的余弦波，由其波动方程cos() x yat t 可得 sin()sin() m xx pcatpt tt (2.3) 式中的 m p声压的幅值，2 m pcacaf ； 介质的密度； 由上式 2.3 可知， m p和、c、f成正比。在超声场中，某点声压随着时间及这一 点到超声波的波源距离而变化的。一般情况下，可闻声波的频率远远小于超声波，因此 可闻声波的声压也远远小于超声波的声压。 在超声检测钢轨伤损中，一般是按照显示屏上的波高判定钢轨中有无伤损，换能器 接收到的超声波声压与波高成正比，由此看来，声压在检测伤损中是个关键的因素。 (2)声强 声波传播时也会伴随着能量的传播， 声强即为声波能量的强弱 12。 若我们定义声强， 则它是垂直通过的声波的能量， 而且是在单位时间、 单位面积上通过的， 通常用符号i表 示。声强的单位是瓦/平方米（ 2 /w m）或瓦/平方厘米（ 2 /w cm） 。 在平面上的余弦波，运算后某点的平均声强为 2 222 11 222 a a p icaz z (2.4) 由上式 2.4 可知，在相同的介质里，i是和 的二次方、a的二次方、p的二次方 成正比、和c成正比。超声波的大，故而i也大。一般可闻声波的频率小于超声波， 所以可闻声波的声强也小于超声波的声强。 例如， 大炮的声强为 42 10/w cm ， 震耳欲聋， 而超声波的声强可达 52 10/w cm，等于大炮的 9 10倍。 (3)分贝和奈培 声强标准是听力最弱的声强，常用 0 i表示， 162 0 10/iw cm ，即在人类听力声强中 中北大学学位论文 8 1fkhz是最小值。一般声强i与标准的声强 0 i相除后再取它的常数对数，所得到的值 就是声强级，用符号1l表示，它的单位是贝尔（b） ： 0 1lg()( )li ib (2.5) 在实际的应用中，声强级单位一般用分贝（db）来表示。分贝（db）也经常出现 在超声波幅度的比值中，因为声强（i）与声压（p）的二次方成正比，即可以得到： 2121 110lg()20lg()dbiip p (2.6) 超声波探伤系统中，它的显示屏上的波高和声压成了正比， 12 hh代表随机取一个 点两个波高的比值， 12 p p代表对应两个声压的比值，分贝差即： 11 22 20lg20lg() ph db ph (2.7) 在检测钢轨伤损时，常常按式（2.7）计算出超声波探伤系统显示屏上随机取两个波 高分贝差。如果 12 ()hh或 12 ()p p取的是自然对数，那么它的单位是奈培： 11 22 20ln20ln() ph np ph (2.8) 2.1.2 介质的声参量 由声阻抗、声速、声衰减系数等声参量决定了声波在介质中（如在钢轨中）的传播速 度及特性 13-16。 (1)声阻抗 在超声场中，声阻抗指的是其中的某点声压p与此处质点的振动速度的比值，用 符号 a z表示。 a pcacv zc vvv (2.9) 声阻抗的单位是克/（厘米 2.秒）2 /g cms 或者是千克/（米 2.秒）2 /kg ms 。 由上式 2.9 可知，声阻抗的大小等于介质（钢轨）的密度与波速的乘积。在p一定 中北大学学位论文 9 的情况时，随着 a z增加，此处质点的v会减小。所以 a z是介质（钢轨）阻碍其中质点振 动相关因素。 因为温度的升高，大部分材质的密度及声速会随着降低，其中包括钢轨的声阻抗也 会受到温度的影响。超声波在两种介质之间传播时，和它们的声阻抗有关，它是反映材 质声学特性的关键因素。 (2)声速 超声波的传播速度通常称为声速。同其他机械波一样，超声波在介质（钢轨）中的 传播是依靠质点的振动及他们之间的弹性力来实现的，超声波在不同的介质中传播，会 有不同的波速，一般地，超声波在钢轨中的传播速度要与钢轨的弹性模量及密度相关， 所以超声波在其中传播的速度会受到钢轨本身性质的影响。此外超声波的波形不同、传 播过程中的温度变化时， 引起的介质质点振动状态不同， 介质的弹性变形形式也不相同， 声速也不一样。所以反映材质声学特性的关键因素之一是超声波在介质（钢轨）中的声 速。 群速度和相速度是声速的两种形式。群速度指的是很多相似的频率波在相同的介质 中互相传播时，相互作用后合成包络线的传播速度。相速度指的是波的任一频率成分所 具有的相位即以此速度传递。 =声速弹性率 密度 (2.10) (3)能量衰减 能量衰减指的是超声波在钢轨里面传播，传播距离逐渐增加，其能量渐渐减弱的现 象。能量衰减主要有两个方面的因素：一方面是一小部分的超声波会被吸收，其中的能 量就会变成另一种能量；另一方面是在传播过程中，超声波因为散射及反射的原因，某 些声能不会沿着原来传播的方向，这样也会减小声能。能量衰减是超声波反射、散射及 吸收等种种效应的总和，一般用实际测量的结果来反映钢轨中超声波能量衰减程度。 2.2 超声波在介质中的特性 在超声波传播过程中，超声波在两种不同的介质之间传播时，如超声波从空气传播 到钢轨时，在不相同介质的分界面上，反射波即因为反射而回介质里面的超声波；透射 中北大学学位论文 10 波即通过分界面而在另外的介质里面传播的超声波。超声波在钢轨和空气的两种不同的 介质中传播时，超声场的特征值依照特定的规律来变化 17-18。 2.2.1 垂直入射到平界面上 如图 2.1 所示，单一性质的光滑平界面被超声波垂直入射到上面时，反射波和入射 波传播方向相反，透射波与入射波传播方向相同。 设入射波的声压 i p，反射波的声压 r p， 透射波的声压为 t p， 所以声压的反射率为r， 声强的反射率r分别为： 21 21 r i pzz r pzz ， 2 2 21 21 zz rr zz (2.11) 而声压的透射率t，声强的透射率t分别如式(2.12)所示： 2 21 2 t i pz t pzz ， 2 12 2 21 4 1 z z tr zz (2.12) 式(2.11)和式(2.12)中的 1 z、 2 z分别为第一种介质和第二种介质的声阻抗。由公式可 知： (1) 1tr；超声波的垂直入射到平界面上的能量是守恒。 (2) 介质的声阻抗和声强的反射率及透射率有联系。 i p r p 11 1 zc t p 22 2 zc 图 2.1 声波垂直入射到平面时的入射和透射 中北大学学位论文 11 (3) 2 z 1 z, 0r ， r p、 i p相位相同，随着两者合成以后，振幅变大。 (4) 2 z 2 z,1,0rt ，此时入射的超声波几乎全部反射，没有透射。如超声波 入射到钢轨和空气的界面时候， 6 1 4.5 10z 2 /g cms ， 6 2 0.00004 10z 2 /g cms ， 1,0rt，所以在超声检测钢轨伤损时候，如果探头和钢轨之间不加入耦合剂的话， 会形成固体和气体的界面，超声波很难工作。 在超声波检测钢轨伤损时候，探头通常兼做反射和接收超声波，探头发出的超声波 通过钢轨的上表面进入钢轨内部，在钢轨下表面形成全反射后再次通过钢轨上表面被探 头所接收， 此时探头接收到的声压 a p和入射波的声压 i p之比， 称为声压往复