Page 44 - 应用声学2019年第5期

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道板缺陷至关重要。因此，本文利用具有大面积、长
0 引言
距离检测等优势的兰姆波检测方法，结合先进的非
无砟轨道结构是高速铁路线路基础的主要结 接触式空气耦合超声技术，分别通过有限元和实验
构形式，在环境气候条件与列车荷载的共同作用 研究了空气耦合条件下超声兰姆波在轨道板中的
下，无砟轨道结构的劣化状态显著。据上海铁路局 传播规律，为后续开展轨道板缺陷检测与成像的研
2017年的调查统计显示，沪杭高铁轨道板缺陷主要 究提供理论依据和实验方法。
表现为脱空病害和表面裂缝 [1] 。轨道板缺陷已成为
影响高速铁路行车速度和行车安全的主要危险源。 1 轨道板中的兰姆波
然而，轨道板缺陷的检测目前仍然主要依赖工务人
员在检修“天窗期”的巡视检查和手动探伤 [2] ，效率 轨道板是一种典型的混凝土结构，其材料参数
低。针对结构内部脱空问题的现代无损检测方法主 如表 1 所示。检测时一般采用 100 kHz 以下的低频
要有电磁雷达法、远红外成像法、冲击回波法以及 超声波 [7] ，其波长比骨料尺寸大。因此，可以将轨道
超声波法。电磁雷达法 [3] 受金属介质的影响大，而 板视为均质材料。根据描述兰姆波的波动特性的瑞
在轨道板中密布大量的钢筋和预应力筋严重影响 利-兰姆方程 [8]
2
电磁雷达的探测性能。远红外线成像法 [4] 的检测深 tan (qh) 4k pq
= − 2 , (1)
2
度为10 cm之内，且需要在上午和傍晚检测(此时的 tan (ph) (q − k )
2
气温变化最快)，而高铁的检修“天窗期”为夜间1点 tan (qh) ( q − k 2 ) 2
2
= − , (2)
到 4 点，在时间上制约了远红外成像法在轨道板缺 tan (ph) 4k pq
2
陷检测上应用的可能性。冲击回波法 [5] 需要诱导板 w 2 w 2
2
2
2
2
其中：p = − k ，q = − k ，w 为角频率，k
的自由振动，而无砟轨道质量较大，且受钢轨的约 c 2 c 2
L T
束，很难诱发轨道板的自由振动。超声波法 [6] 主要 为波数，h为板厚的一半。
利用声阻抗的变化来判断结构内部是否存在缺陷， 利用二分法、牛顿 -拉菲逊等迭代算法，求解
在理论上具有可行性。因此，获取实验数据研究超 式 (1) 和式 (2) 可以得到轨道板中的声传播的兰姆
声波在轨道板中的传播规律对利用超声波检测轨 波相速度和群速度频散曲线，如图1所示。
表 1 轨道板的材料参数
Table 1 Material parameters of track slab

类型 密度/(kg·m −3 ) 泊松比 弹性模量/GPa 剪切模量/GPa 纵波波速/(m·s −1 ) 横波波速/(m·s −1 ) 厚度/mm

轨道板 2500 0.2 36.5 14.04 4027 2466 200

5
12
S0 A0 S0 A0
10 S1 A1 4 S1 A1
S2 A2 S2 A2
A3
ᄱᤴए/(mSms -1 ) 6 A0ஆக̆Rayleigh Ꮖᤴए/(mSms -1 ) 3 2
S3
S3
A3
8
4
1 Ꮖᤴए2247 m/s
2
0 0
0 4 8 12 16 20 0 4 8 12 16 20
ᮠԒሥ/(MHzSmm) ᮠԒሥ/(MHzSmm)
(a) ᄱᤴएᮠஙజጳ (b) Ꮖᤴएᮠஙజጳ

图 1 轨道板中兰姆波的相速度和群速度
Fig. 1 The phase velocity and group velocity of Lamb wave in the track slab