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原文传递基于超声相控阵的钢轨探伤技术研究

论文题名：	基于超声相控阵的钢轨探伤技术研究
关键词：	钢轨探伤;快速自动角度扫查技术;超声相控阵;声场分析;矩形分解法
摘要：	通过调研国内外的钢轨超声探伤方式，发现现有钢轨探伤大多使用常规超声探伤技术，部分使用常规相控阵技术。而由于常规相控阵每次只能激发一个方向波束，若要保障探伤覆盖率，需要以牺牲探伤速度为代价。本文研究了基于快速自动角度扫查技术的轨头核伤检测方法，该方法将传统的单波束一次波探伤改进为八波束二次波探伤。本文通过CIVA仿真完成了轨面探头放置角度的选取、八个声束角度的选取以及声束覆盖性分析，并通过实验验证了该方式的可行性。　　在原理及仿真部分，本文介绍了相控阵的工作原理，并对声场分析的方法进行了梳理，然后采用矩形分解法对矩形晶片进行了声场仿真，并进一步对线性阵列的声场进行了仿真，探讨了阵列参数对声场分布的影响。其目的在于评估相控阵探头参数选取的合理性，并分析其声束的有效区域是否覆盖了预期的探伤区域。　　为对探头声场进行优化，本文介绍了基本的波束成形方法，并通过增加不同的窗函数来对声场进行优化。通过MATLAB仿真可以发现，增加窗函数可增加主瓣的宽度，抑制旁瓣，即降低了波束的分辨率，但可提升信噪比和主声束的覆盖范围。在钢轨高速探伤过程中，会更加侧重快速发现缺陷，而在缺陷复核环节再进行定量分析，即在高速探伤过程中更侧重于信噪比和覆盖率的提升，在缺陷复核环节更侧重于提升波束分辨率，所以在处理超声信号时增加窗函数符合高速探伤的需求。　　除了轨头核伤，螺孔裂纹、轨底腐蚀等缺陷也很典型，对此常规探头有着较为成熟的运用经验，且适当布置常规探头有利于控制整个系统的成本，因而设计了将使用了快速自动角度扫查技术的相控阵与常规超声探头相组合的方式，该组合方式由一个相控阵探头和多个典型角度常规探头组成。本文介绍了利用CIVA仿真实现常规探头定制的方法，并以37°为例进行了说明。仿真首先讨论了改变探头晶片尺寸对于声场覆盖性的影响，并结合实际运用时的限制条件得出了探头的定制方案。然后通过仿真进一步验证了设计的37°探头对于3个常见方向的螺孔裂纹的探测效果。　　实验部分一方面验证了探头布局方式的可行性，另一方面获得该布局下各类缺陷的A扫图谱，以便运用时根据图谱对缺陷类型做出判别。测试采用定制的探头，并根据铁标TBT2340-2014加工制作了参考轨，参考轨上分布有标准中所规定的典型缺陷，包含不同方向的轨头核伤、螺孔裂纹、轨底腐蚀等。采用了法国SOCOMATE公司的的USPC板卡进行超声信号的处理。对于参考轨上的每个缺陷，都用布局中对应的探头进行了测试，获得了检测缺陷时系统所用的增益，并分析了所得A-Scan的信噪比，实验结果表明，该布局中的相控阵及常规探头都达到了预期的效果，该布局能够覆盖铁标参考轨中所要求的各类缺陷。同时也暴露了使用快速自动角度扫查技术的相控阵近场较大的问题，但由于用二次波进行探伤，缺陷回波往往处于声场较远处，故此问题对实际检测不会产生太大影响。　　本文最后探讨了高速超声探伤系统的构建。本文所构建的高速探伤系统可满足相控阵同时发射多方向声束以及常规超声信号并行处理的需要。但该系统难以对A扫数据进行回放，通过计算发现在5khz的脉冲触发频率下，传输带宽难以满足多通道数据同时缓存的需求，需要后续进一步研究解决方法。但该系统的优势在于，可将板卡后的模拟量信号接入高速判伤系统，并通过组合分析多个通道的信号，可实现缺陷类型的自动判别。再将GPS信号接入组合判伤系统，可实现缺陷的自动定位。该部分为后续研究能实现自动判伤及自动定位的钢轨高速探伤系统提供了思路。
作者：	丁浩宇
专业：	物理学
导师：	郭建强
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文