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408 2019 年 5 月

当采用斜探头来激励和接收钢轨踏面垂直振 板以便对超声波传播过程进行研究。图 6 为超声波
动模态类瑞利波时，发射探头入射角度 θ 关乎类瑞 的传播过程，白色部分表示超声波能量较大。如
利波能否出现，入射角度 θ 可以根据 Snell 定律计算 图 6(a) 所示，10 µs 时超声波以纵波形式在空气中
得出： 传播，能量较大；如图 6(b) 所示，在 25 µs 时超声波
开始传播到钢轨中，并以类瑞利波形式向前传播；在
c air
θ = arcsin , (1)
c p 图 6(c) 中，40 µs 时超声波通过缺陷传播，同样以类
瑞利波形式向两侧传播；在图 6(d) 中，60 µs时由工
其中，c air 为超声波在空气中的传播速 340 m/s；c p
为超声类瑞利波在钢材中的相速度。由我国 60 型 件向外泄露的超声波信号被接收传感器接收。
高铁铁轨轨头踏面的频谱分析，通过改变黄色光标 实验装置由钢轨，JPR-600C 信号源处理，计算
的位置，可以得到所使用频率的超声波在钢材中的 机，前置放大器，晶片大小为 14 mm×20 mm、频率
相速度 c p 的结果，由公式 (1)得到所使用的入射角。 为 0.4 MHz 的空气耦合探头组成了检测系统，探头
本研究过程中，使用 0.4 MHz 频率探头，选取垂直 摆放方式为将探头置于与缺陷等距离异侧，接收被
振动模态下相应相速度为 c p = 3181 m/s，即由公 缺陷阻挡后绕过缺陷的波作为有效信号 (图 7)。对
式 (1)可得入射角θ = 6.14 。 实际轨道进行检测时，采用空气耦合的方式在激
◦
励轨道垂直振动的方向放置激励源的测量方法，如
2 实验结果及分析 图 8 所示，利用空气耦合类瑞利波法对不同的缺陷
进行了检测，实验中使用的探头为特制的高信噪比
2.1 实验过程 空气耦合超声波探头，并使用带订制角度卡槽的塑
首先利用二维超声波仿真软件 WAVE2000 料板对空气耦合探头进行固定。
plus 建立对向类瑞利波法检测的模型，釆用高精 空气耦合探头的底端距钢轨表面 3 mm，发射
度的时域差分方法 (Finite-difference time-domain, 探头和接收探头的中心距离为 100 mm。发射探头
FDTD)求解完全的黏弹性波动方程，一次求出全程 和接收探头对向排列在缺陷的两侧，两探头与缺陷
的超声波传播。如图 5 所示，利用如下模型来研究 间的距离均为 50 mm，发射探头的入射角为 6.14 ，
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这种方法中信号在试件中的传播情况。 接收探头向相反方向倾斜 6.14 。检测试件为钢轨
◦
使用频率为 0.4 MHz，缺陷角度固定为 90 ，以 试件，在钢轨踏面上有宽度 1 mm、深度不同的人
◦
缺陷深度为 5 mm、宽度为 0.5 mm 为例，探头尺寸 工缺陷的试块 (1 mm∼6 mm) 和无缺陷钢轨踏面
为 14 mm×20 mm，入射角为 6.14 ，设置真空隔 试块。
◦
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图 5 仿真模型
Fig. 5 Simulation model

(a) 10 µs (b) 25 µs

(c) 40 µs (d) 60 µs
图 6 导波在不同时刻在钢轨中的传播过程
Fig. 6 Propagation of guided waves in rail at different times