實驗名稱：鋼軌接頭缺陷的非線性超聲檢測

實驗原理：本實驗通過對螺孔裂紋進行檢測，利用了非線性系統對于初始條件的敏感性，當材料、或結構有很小的改變時，也可以通過非線性超聲指標進行識別，大大提高了對于微小缺陷的識別精度。本實驗將采用PZT材料作為信號的激勵傳感器和接收傳感器，激勵信號經功率放大器放大后，驅動壓電片在鋼軌中產生超聲波，同時在激發壓電片附近粘貼獨立的壓電片作為接收傳感器。其中，PZT-2為激勵傳感器，PZT-1和PZT-3為接收傳感器，分別接收水平方向和豎直方向的諧振信號，以便更好觀察響應信號不同位面的區別三個壓電片的參數。

測試設備：信號發生器、ATA-8202射頻功率放大器、PZT、試件等。

圖一：實驗系統原理圖

圖二：鋼軌試件

實驗過程：首先需檢測在無激勵信號輸入時，示波器上的時域響應，這是因為實驗中不可避免會出現噪聲，需提前對噪聲的大小及影響程度有一個大致的估量。先將生成的正弦調制信號輸入信號放大器，調整輸入信號的長度，因為要保證輸入信號不要和響應信號混雜在一起，需盡可能的擴大輸入信號零輸入的長度，在此，調制信號輸入長度設置為兩千，總輸入信號設置為一萬。需要注意的是，當變換輸入信號后，需徹底刪除前一次輸入信號的殘留，否則新的信號會是前后兩次輸入信號的混疊或交雜。信號發生器的額定電壓為10V，壓電材料如果利用其產生電壓，則必須使通過電壓差不多為兩百伏，很明顯單憑信號發生器不能直接使用，所以需要信號放大器將通過的電壓放大。信號通過放大后，在壓電片上方輸入信號,在激勵壓電片旁設置接收壓電片來接收響應信號,并接入示波器。再從示波器中提取響應信號并處理，得到時域、頻域圖，最后借此提取對損傷敏感的非線性參數。

圖三：無裂紋時域信號對比

圖四：有無裂紋頻域信號對比

本實驗選用周期數為10，頻率為0.5MHz的激勵信號。圖三a為完好鋼軌所接收到的時域信號，圖三b為螺孔孔邊預制1mm紋后的時域信號。可以看出，與無裂紋的相比，信號變化雖有不同，但難以直接從時域信號分析出缺陷信息。圖四是響應信號經傅里葉變換、再取對數后得到的頻譜圖。可以發現缺陷使波形發生了畸變，輸出信號中二次諧波成分變得更加明顯。

實驗結果：在對實驗結果進行平滑分析中，所取點數是一個關鍵指標，當點數太少時，起不到平滑的效果，但點數太多，可能讓頻幅曲線失去局部特征。圖五給出了含1mm孔邊裂紋鋼軌試樣的原始頻幅曲線和5、15、25、50點平滑的結果對比圖，從圖中可以看出，5點平滑結果與原始頻幅曲線并無明顯差異，當平滑點數逐漸增加時，噪聲影響降低，可以看出，50點平滑時有較好的降噪效果，但同時也保留了二次諧波的局部特征。因此，我們對所有工況，都進行50點平滑，再進行非線性參數提取。

圖五：經不同點數平滑處理的頻譜結果

圖六：線性參數β隨損傷程度的變化關系

這里a,b分別為圖五中所示基波和二次諧波頻幅峰值的對數結果。求解各工況的β，并將其繪制在圖六中。可見非線性參數β，隨螺孔裂紋長度的增加近似呈線性關系，這表明所定義的非線性參數β可以作為表征鋼軌螺孔裂紋損傷程度的指標，也為裂紋大小評估提供了依據。

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審核編輯 黃宇