軌底月牙傷幻象波的分析及應用

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常見的鋼軌傷損主要有軌頭橫向裂紋(核傷)、軌腰縱向水平裂紋、軌腰和軌底的橫向垂直裂紋等，對于軌腰和軌底的傷損，鋼軌檢測車主要通過0°和37.5°超聲波進行檢測。在鋼軌檢測車檢測的過程中，檢測人員通過超聲波信號的B掃描數據進行傷損判斷。B掃描是根據各個探頭接收到的信號,經計算機處理后，按照一定的比例以無數個點繪制而成的，顯示的是鋼軌縱向的正視圖[1]。

檢測車B掃描數據是以鋼軌踏面入射點為基準的，在聲束方向上的對應聲程位置顯示反射點[2]。但是，由于超聲波在鋼軌中可能經過多次反射，所以反射點并不代表鋼軌在對應聲程位置一定有傷損，因此需要對其進行分析計算，判斷其為實際傷損回波還是幻象波，以提高傷損識別的準確度。

軌底月牙傷是一種常見傷損，其兩側經常出現幻象波，如果不能被有效識別和區分，則易被誤判為傷損。筆者在具備幻象波的條件下，通過軌底月牙傷的B掃描數據對其幻象波進行分析，總結了幻象波的特點及其在傷損判定中的應用。

1 幻象波產生原理

超聲波檢測時，重復頻率是指同步脈沖的頻率，即每秒內同步電路指揮發射電路、掃描電路等部分協同工作的次數[3]。若同步脈沖的重復頻率過高，第一次觸發脈沖所產生的回波尚未完全衰減就開始第二次觸發工作，即前一個掃描周期的脈沖進入到下一個掃描周期，這會造成顯示屏上出現干擾波[4]。這種干擾波并不是第二掃描周期內實際的傷損回波，因此被稱為幻象波。

在檢測車高速檢測的過程中，檢測速度可達80 km·h-1，由于超聲波聲速遠大于車速，所以超聲波換能器發射的超聲波經前方反射體多次反射后仍可能被該換能器接收。當信號傳播時間T大于超聲波信號的重復發射周期T0時，接收到的回波剛好能夠進入下一周期(或后續n周期)的超聲波信號時間閘門范圍內[見圖1(a)]。檢測系統按照回波相對于下一周期初始脈沖的時間T1計算傷損位置，并在B掃描中繪制信號反射點，從而形成幻象波，但在鋼軌中對應的實際位置上并無傷損。

當檢測速度改變時，發射周期T0發生變化，而信號傳播時間T不變，則T1也隨速度而變化，同時幻象波在B掃描時的位置也會變化[見圖1(b)]。

圖1 幻象波產生原理示意

2 軌底月牙傷B掃描數據及分析

軌底月牙傷外觀如圖2所示。在標定線的B掃圖中，軌底月牙傷的附近(50 cm范圍內)經常出現37.5°超聲反射點(見圖3)，但此處并未設置人工傷損，所以推測其為幻象波。在多個速度下都出現了類似的反射點，且深度和位置隨檢測速度變化。

圖2 軌底月牙傷外觀

2.1 路徑分析

由于軌底垂直裂紋存在端角反射，而且軌底月牙傷為較小的垂直裂紋(4～6 mm)，所以反射波與入射波波型相同，且平行于入射波。因此，推測其為37.5°換能器發射的超聲波在鋼軌中經軌底、軌面和軌底月牙傷端角反射后返回，在下一周期閘門內被換能器接收而形成的幻象波。后輪37.5°換能器的超聲波傳播路徑如圖4所示，前輪37.5°換能器的超聲波傳播方向與之相反，原理與之相同。

圖4 后輪37.5°換能器的超聲波傳播路徑

2.2 聲程計算

目前，國內大型鋼軌檢測車的超聲波重復頻率隨檢測速度變化，即在不同的速度模式下,超聲波的重復掃查間隔不同[5](見表1)。ΔL為不同速度下超聲信號的發射間隔，即檢測車一周內移動的距離。由于反射波與入射波路徑相近，所以計算時不考慮路徑的變化。

表1 檢測車在不同速度下超聲波的重復掃查間隔

當檢測車檢測速度為v車時,發射周期如式(1)所示。

T0=3.6ΔL/v車

(1)

1周期內的超聲波的聲程如式(2)所示。

(2)

式是：v鋼為橫波波速。

幻象波與傷損的橫向距離如式(3)所示。

(3)

式中：β為超聲波在鋼軌表面的入射角。

幻象波深度的計算方法如式(4)所示。

H=3H軌-L·cotβ

(4)

式中：60型鋼軌高度H軌=176 mm；鋼中橫波波速v鋼=3 240 m·s-1；β=37.0°。

根據標定數據，幻象波與傷損的橫向距離理論計算值和實測值對比如表2所示，幻象波深度的理論計算值和實測值對比如表3所示。

比較幻象波的水平位置以及深度的理論計算值與實測值，除個別數據外誤差都較小，所以該幻象波的分析結果成立。

表2 幻象波與傷損的橫向距離理論計算值和實測值對比

表3 幻象波深度的理論計算值和實測值對比

2.3 誤差分析

幻象波位置的理論計算值與實測值之間的誤差產生的主要原因是部分幻象波位于閘門邊緣或信號較弱而沒有完全顯示，導致B掃描圖中反射點的中點不在理論位置。而且，經過多次反射后，超聲波會發生聲束擴散，導致幻象波比實際傷損本體波更大，實測值出現誤差。

產生誤差因素還有：

(1) 耦合液中的波速、換能器安裝角度使用的是理論值，但不同探輪的37.5°換能器的角度有細微差別，不同試驗條件下的超聲波波速也有差異，不一定與理論值一致。

(2) 高速檢測過程中車輛上下擺動，使信號傳播時間T發生變化。

3 幻象波的特點

圖5 幻象波深度與車速的關系

圖6 幻象波和傷損的橫向距離與車速的關系

計算得到幻象波深度與車速的關系，如圖5所示，幻象波與傷損的橫向距離如圖6所示。幻象波的位置只有在37.5°閘門內才會在B掃描圖中顯示，37.5°閘門開始位置通常設為40 μs，對應深度為51.75 mm，如圖中紅色橫線所示。因此，能夠出現幻象波的速度區間為：[15.6，20.1]，[31.3，40.3]，[46.9，60.3]，[62.6，88.7]。但是，由于傳播路徑長、衰減嚴重，即使在這些速度區間內也不一定會出現幻象波。

因此，軌底月牙傷幻象波的特點如下所述。

(1) 只有37.5°超聲波回波反射點，回波點群形狀類似于軌腰斜裂紋，與軌底傷損平行，垂直于超聲波入射方向。

(2) 位置和深度隨發射間隔(檢測速度)變化而變化。

(3) 一般成對出現，以軌底傷損所在平面為中心呈對稱分布。

(4) 一般引起幻象波的軌底月牙傷會被檢出，同時產生幻象波。

4 傷損判定中的應用

地鐵探傷車在29.14 km·h-1速度下檢出的幻象波如圖7所示，地鐵檢測車在29.14 km·h-1的速度下檢測到了幻象波，但按照該速度計算得到的幻象波深度和橫向距離都與實測值不符，其數據如表4所示。

由于地鐵檢測車的輪徑為840 mm，而國鐵80檢測車的輪徑為915 mm，檢測系統是以915 mm輪徑為標準設計的。所以當地鐵檢測車以v的速度運行時，車輪及輪軸上編碼器的轉速是相同速度國鐵檢測車的1.089倍，檢測系統內部通過編碼器信號計算得到的實際速度是1.089v，所以地鐵檢測車檢測到的幻象波位置與1.089倍速度運行的國鐵檢測車檢測到的幻象波位置相同。

圖7 地鐵探傷車在29.14 km·h-1速度下檢出的幻象波

表4 地鐵探傷車數據

因此，應該按照v=31.73 km·h-1的速度計算，此時深度H為61.7 mm，橫向距離L為350.8 mm，與實測值相符。

5 結語

幻象波作為一種非缺陷波，對其進行正確地判斷能夠提高傷損判別的準確度。對于軌底月牙傷，傷損本體有反射且存在幻象波，本體的發射信號可以判傷，但需對幻象波進行準確判斷，以減少誤報率。所以，靈活和準確地利用幻象波知識，對于檢測識別非常有幫助。

通過分析總結，可以為軌底月牙傷的檢測識別提供參考依據。隨著大型鋼軌檢測車的發展和充分運用，幻象波的識別(如軌腰、軌底的37.5°幻象波和軌頭的70°幻象波等)和相關知識的合理應用在檢測中越來越重要。