钢轨超声波探伤信号的处理及分析

徐平军

摘要：我国的高速铁路系统已经逐渐的成为当前世界上运行里程最长、集成能力最强、技术能力最全的国家。随着现阶段我国铁路有限提速以及重载和高铁的高速发展，钢轨的符合逐渐的呈现增加的态势，安全问题也逐渐地凸显出延长钢构的使用寿命，以保障行车的安全性。超声波探伤技术是现阶段无损检测的一种主要的方式方法之一，其本身的灵敏度相对较高、检测速度较快、定位较为精准，因此被广泛的使用在钢轨探伤之中。但是现阶段，现存的缺陷识别技术方案仍旧是不完善的，对于缺陷数据的识别难度仍旧较大，这就导致始终需要依靠技术质量较高的工作人员完成相关工作。本文针对有效的钢轨缺陷识别方法，对相关的数据采集等方面进行探究，以求可以实现超声检测技术的自动化、智能化拓展。

关键词：钢轨超声波探伤;信号处理;分析

铁路本身就是我国经济发展的生命线，是国家基础设施和大众化交通的基础工具。但是我国铁路的长期负荷运行管理，运输的密度相对较高，线路的实际负荷率较高，运输的能力始终呈现紧张状态，导致超期服役的钢轨数量庞大，钢轨的损伤也呈现出多样化的态势，对于行车安全产生了直接的影响。为此只有针对钢轨超声波探伤工作进行全面的落实，才能促进各项工作质量的提升，为后期的安全行车奠定坚实的基础。

一、超声波原理分析

1、振动力学原理

工程力学之中常常因为机械结构的振动产生一定的振动效果，我们可以将其称之为振动原理。相互之间通过弹性力连接的质点所构建形成的物质结构，我们可以将其称之为弹性介质。需要实施超声检验的部分主要是以金属易積分金属的固体构件所形成的弹性介质。弹性介质的使用中若是任何一个质点脱离了水平位置，都会产生迫使其恢复平衡的力，物体本身也会在这个平衡的位置节点之中开展循环往复的作业运动，就是振动。这个振动往往会让相邻的两个质点之间都发生震动，由此观之，这样的振动其实就是从近到远向着各个防线通过一定的速度进行传播，这种传播的波动就是机械波，而超声波本身就是机械波的一种，通过结合不同波段的质点震动的关系可以将其划分为横波、纵波、表面波。在具体操作之中不同的探伤工作需要结合不同的波进行分析。

2、超声波探伤原理

超声波主要是指在频率超过20kHz的机械波，在实现金属探伤的过程中所使用的超声波频率表主要是0.5～10MHz，因此尝试用于钢轨探伤等基础领域之中。工业探伤之中经常会利用压电晶体的压电效应来产生出一定的超声波。电压晶体的电效应主要分为两种。一种是逆电压效应，一种是正电压效应。逆电压效应主要是指在压电晶体材料工作的过程中受到外力的电压影响，产生出交变的现象，这个过程之中的电能会逐渐的转化为机械能，超声波也会随之发射。正压电效应主要是指压电晶体材料在进行交变拉压应力作用的过程中，表面会产生交变电压的状态，这种情况下，声能就会逐渐的转变为电能，而超声波也由此接收。

二、超声波探伤信号的处理

超声波探伤的方式多种多样，按照实际的工作原理主要分为脉冲反射、共振、穿透三种主要的方式，在进行超声波探伤信号的处理过程中，我们可以使用的方式也是脉冲反射法。由于实际使用过程中存在的缺陷问题，缺陷处的钢轨等材料的连续性缺失，导致了绕组的阻抗有所差异，当超声波经过不同的声阻抗界面时，就会产生反射的情况。为了有效的处理信号缺陷，在脉冲反射法的使用时，也会充分的结合缺陷材料的实际特点对相关的特性进行探伤分析。当超声波穿透金属材料内部时，遇到的信号来源出现一定的差异，就会出现反射的现象，在荧光屏之上形成脉冲波动，这些结合反射回来的能量变化，就能对相关的信号问题进行及时的处理。

三、钢轨超声波探伤平台的建设

要想加快钢轨超声波探伤的建设管理工作，首先要充分分析人工神经网络结构，通过模拟人脑的反应，更好地实现类似人脑的工作智能。例如相关模式的识别分析、容错分析等等。虽然人工神经网络的复杂程度相对较高，但是却能在较短的时间内对大量的数据信息进行集中的处理。实验通过超声波收发系统发射和接收超声波。由于 2～5MHz的超声波穿透性最好，本实验将探头工作频率定为5MHz，采样频率定为IOOMHz。超声波探头发射超声波，当超声波遇到不连续介质时会在介质 表面产生反射与折射，利用示波器捕捉缺陷回波并将回波保存为数据文件。保存后的数据文件即供钢轨缺陷信号分析与处理的原始数据文件。超声波探头的采样频率为100MHz，采样长度为512。将采集到的信号以 数据形式存储传至上位机，在MATLAB软件环境中利用基于小波包能量节点的特征值提取方法以及优化的概率密度的特征值降维法对原始信号进行预处理用以训练和验证。为方便超声波探伤系统的管理及应用，用户在使用超声波探伤系统前，必须首先通过登录进入系统，才能实现后面的数据处理分析操作，这样可以防止非相关人员错误操作导致数据紊乱。系统需输入合法的用户名及密码才能正确登录。如密码错误，系统会提示密码出错;如果是管理员身份登录的情况下，登录成功后管理员还可以对用户进行管理，包括增加用户，删除用户等。

总结：钢轨缺陷信号的分类识别对于智能化的钢轨探伤有着积极的影响作用，通过对相关的数据进行集中分析研究，可以发现，实际应用之中收集到的信号来源往往伴随较大的噪音，因此较难在信号的时间阈值中分析出相关的特点。钢轨超声波探伤的有效使用，能够提升信号传输的质量，促进信号的高质量拓展，让整个信号频道更加的符合当前的操作需求。通过识别分层、夹杂物、孔洞等相关神经网络的构建，可以对于超声波回波的数据进行观察，继而满足实际的设计要求。

参考文献

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