國鐵光纖石墨烯聲波探測技術探討

任 翔 王 川 易文明 王 強 房甜甜1.北京鐵路局天津電務段；2.深圳市長龍鐵路電子工程有限公司

國鐵光纖石墨烯聲波探測技術探討

任 翔 王 川 易文明 王 強 房甜甜
1.北京鐵路局天津電務段；2.深圳市長龍鐵路電子工程有限公司

任翔，工程師；王川，工程師；易文明，工程師；王強，高級工程師；房甜甜，工程師。

基于石墨烯的全新一代光纖微納聲波探測技術，可實現對聲波信號的高靈敏度、超寬帶檢測，光纖聲波監測技術以光波作為聲信號載體，光纖作為傳輸介質來拾取聲波信息。光纖聲音偵聽系統是利用光纖干涉的原理，以光學纖維或其他敏感材料作為聲音探測元件，利用監測區域內聲壓振動對光纖中傳輸光干涉信號的調制，實現對鐵路沿線重點區域的聲音信號的采集和檢測、對旅客列車運行隨車檢驗及高鐵沿線輪軌健康狀態的診斷。

概述

聲波傳感檢測和探測技術在工業探傷、安全監控、國防軍事、生物醫療、鐵路沿線聲波檢測、旅客列車輪和走行架安全檢測、高鐵輪軌健康狀態檢測等領域有著廣泛的用途。

新一代光纖石墨烯聲波探測系統

光纖聲波監測技術以光波作為聲信號載體，光纖作為傳輸介質來拾取聲波信息。光纖聲音偵聽系統是利用光纖干涉的原理，以光學纖維或其他敏感材料作為聲音探測元件，利用監測區域內聲壓振動對光纖中傳輸光干涉信號的調制，實現對光纖布設區域的聲音信號的采集和還原。目前，國外已有類似光纖聲波偵測產品在實際偵聽場景中得到應用。

光纖聲波探測技術的主要優點

光纖聲波探頭是無源設備，因此其克服了傳統電聲波傳感器無法在電磁干擾下工作，易被反偵測等不足。

光纖的傳輸損耗低、復用能力強，易于構成大規模的陣列，可實現多點遠距離偵測，因此解決了電偵聽器不適合遠距離傳輸的問題。

相對現有的電駐極體聲傳感器（靈敏度：50mV/Pa），光纖聲波傳感器的靈敏度（≥200mV/Pa）更高，從而解決了電學類聲傳感器對微弱聲波信號拾取能力有限的問題，大幅提升了聲音偵測的性能。

圖1 聲波監測技術的應用領域

基于石墨烯的全新一代光纖微納聲波探測系統

基于石墨烯的全新一代光纖微納聲波探測系統技術，充分利用了石墨烯這種二維材料獨特的機械特性，并且石墨烯薄膜厚度在納米量級，是人類目前已知最薄、最堅硬的材料。由于其機械卻強度達到了1.06TPa，比鋼鐵高出100倍以上，其楊氏模量超過1000GPa，因此是一種極為理想的聲波敏感寬帶響應材料。

新一代光纖石墨烯聲波探測系統將石墨烯薄膜采用濕法轉移的工藝，覆蓋在光纖端面，形成光纖微納干涉腔結構。同時將石墨烯聲波敏感薄膜與光纖干涉相位解調技術結合，可以實現對聲波信號的高靈敏度、超寬帶檢測。

新一代光纖石墨烯聲波探測系統的主要性能指標

探頭尺寸：Φ0.5mm×10mm；

信號解調設備尺寸：30cm×20cm×10cm；

監測距離：0～10公里（可實現10公里內的遠程聲波監測）；

聲壓靈敏度： 〉200mv/pa；

信噪比： 〉40dB；

響應頻寬：10Hz～5MHz；

探頭無源無需供電、且不受電磁干擾；

聲源分離：多個混雜的聲源音頻信息進行分離提取；

聲源定位：通過多探頭布設，可對空間內的聲源位置進行定位；

單套解調設備可訂制多探頭同時監測（〉5個）。

新一代光纖石墨烯聲波探測系統的構成和偵聽布局示意圖

圖2 光纖石墨烯聲波探頭結構示意圖和光纖石墨烯探頭

圖3 光纖石墨烯聲波電子麥克風探頭照片

圖4 光纖石墨烯聲波監測系統信號解調主機照片

圖5 系統雙聲道監測和聲源定位軟件界面

光纖石墨烯聲波探測系統鐵路領域的應用探討

鐵路沿線重點部位的聲音監控

由于鐵路普速及高鐵沿線點多線長，鐵路線路要經過高山、平原、河流、山澗、邊坡、路塹、橋梁、隧道等不同的地形地貌，并且存在一些危險的、需要增強安全監控的地點及場所，如：橋梁、隧道、容易水害、落石區域等。為對這些區域做好安全監控，現有方式包括增加人工巡視次數，在重點安全監測區段設點進行人員看護，并采用安裝視頻監控等辦法。但實際結果還是不盡人意，鐵路路基落石、人員違規上道、泥石流侵害等時有發生，如不能及時發現這些危危及列車安全，并提前在鐵路運行列車靠近危險處之前即時通知及攔停，就可能造成無法挽回的鐵路行車事故、危及旅客的安全，這將極大干擾正常的鐵路行車秩序和鐵路正常安全生產。

如果把這些重點防護部位全面監控起來，就一定可以最大限度保證的鐵路行車秩序。這些重點部位一般都很偏僻，很難做到24h不間斷的監控，如果我們通過光纖石墨烯高靈敏聲音傳感器對這些重點部位進行24h監聽，可以監控這些重點數百米范圍的震動和聲音情況，一旦監測到落石、人員上道等異常聲音情況，再通過和視頻系統的聯動，可以立即調動攝像頭查看和確認重點部位的異常事件，提前采取安全措施，避免危機鐵路行車安全的事故發生。

旅客列車隨車檢驗的儀器化和專業化

鐵路列車車輪在鋼軌上高速運行，可能隨時會有對列車運行不利的情況發生，如車軸的過熱、松動，車輪的過度磨損、表面裂痕，支撐走行架的彈簧斷裂等。為保證及時發現這種不利影響來確保列車安全運行，鐵路機務系統專門為鐵路列車配備了隨車列檢員，在列車進站停輪后，列檢員通過人工敲擊車輪，并根據返回的聲音的音調、響度和音色等情況，判定敲擊位置支撐彈簧、車輪、車軸的好壞情況，目前這種人工檢測方式，對列檢員素質和經驗要求非常高。

因此，這種檢測方式的差異性和誤差是由鐵路列檢員唯一確定的，若不能及時發現轉向架和列車輪對的安全隱患，就會形成鐵路行車的安全隱患，嚴重時甚至造成鐵路行車事故。隨車列車檢查完全依靠列檢員的眼睛、手和耳朵的協調進行人工檢測，目前鐵路一線還沒有配備隨車檢查的便攜式回聲檢驗設備。

本系統利用無源石墨烯探頭做為敲擊時的聲音探頭，把敲擊聲和敲擊回聲回傳到便攜式回聲檢驗設備，由隨身檢測設備對上傳的聲音進行定量分析。隨身檢測設備通過對敲擊的回聲按著聲音的特征值進行分析，可以對檢測部位的狀態做出科學準確分析和準確判斷。

圖6 光纖石墨烯聲波監測系統對不同頻率聲信號的響應

圖7 光纖石墨烯聲波監測系統對不同距離聲源信號的響應

高鐵沿線輪軌健康狀態的診斷

目前，鐵路系統正在推行TADS系統（鐵路聲波探測系統）的示范應用推廣工作，主要用于高鐵沿線輪軌健康狀態的診斷，對保障高鐵運行安全具有重大的意義。

據我們所知，國內有企業在開發相關的集成系統，但是主要都是側重于后端的振動模式識別的算法和軟件開發，前端聲波探測和采集系統主要依賴于進口，進口設備價格昂貴，后期維護成本高，是的很難實現大規模應用。此外，由于現有進口聲波探測系統也是通過電學的原理實現，探測系統需要供電，因此只能在進出站位置區域布設，大大限制了該系統在長距離鐵路沿線的使用，而光纖石墨烯聲波探測技術可以實現遠程的無源監測，可以增加TADS系統的在高鐵沿線的探頭布設密度，從而更全面掌握在高速運行狀態下輪軌相互作用時的車輪健康和安全狀態。

光纖石墨烯聲波探測技術在其他潛在領域的應用

石墨烯探頭因其無源性、極寬的頻響范圍和優良的線性響應，其在工業探傷領域也有廣泛的應用范圍。如在鋼軌探傷方面的應用，能極大提升現有探傷系統聲波圖像的靈敏度。

結束語

本文對基于石墨烯的國鐵新一代光纖微納聲波探測技術，可實現對聲波信號的高靈敏度、超寬帶檢測技術進行了介紹，同時該技術在鐵路區間線路重點區域的安全防護、鐵路列車安全檢查、高鐵沿線輪軌健康狀態的診斷等應用領域進行了探討和介紹。該系統技術在國鐵系統，特別是在高鐵系統的推廣運用，將有效提高鐵路安全檢測技術手段，提前、準確報警，全面提升鐵路安全防護、新技術檢測手段的普及應用水平，為保證鐵路運輸安全生產保駕護航。