南京外国语学校 江苏省南京市 210036
Sparhawk School 江苏省南京市 210000
摘要：本文通过高速公路立柱深埋问题，分析了不同频率下超声导波的传播特性，并提出了通过导波对高速公路立柱问题进行缺陷检测的方法。
关键词：超声导波；缺陷检测；立柱深埋
一、超声导波的基本概念
当物体发生振动时，在介质中传播会形成声波，人耳能听见的声波频率为20Hz—20000Hz，而超过20000Hz的声波就是超声波。当在传播时遇到有边界的介质，如管道、立柱、平面等，超声波遇到边界会进行反射，从而沿着介质的方向传播形成超声导波。而使超声波进行反射，产生超声导波的有边界的介质称为波导。由于不同的波导具有不同的结构和材质，因此其传播的超声导波的频率和速度也不同。在实际应用中，管道、杆子、钢轨这些有限介质就是波导。其中，群速度和相速度是导波的两个重要参数。
二、导波的传播特性
1、频散特性
多模态和频散是超声导波的最显著的传播特性。其中频散特性是指，导波在有限介质中进行传播时，例如管道，立柱，钢板等，由于受到波导材质尺寸或者普通物理性质的影响，使得超声波的传播速度会随着导波频率而变化，从而导致超声波的几何弥散，既导波的相速度和群速度会随着频率与波导厚度的不同而产生改变，这就是超声导波在传播过程中的频散特性。
导波在传播过程中，其是否频散对信号接收时的分辨率有很大影响。导波的频散特性可以分为两种：一种是由于受到波导材料变化既物理特征的改变从而引起的物理频散；另一种是由于波导的几何特征改变从而引起的几何频散，如图一所示，为导波在5毫米钢管内传播的频散特性曲线图，红色和绿色分别为扭转和弯曲模态。
图一
由上图可见，当导波在传播过程中发生频散现象时，其信号程度在传播一定距离后会拉长宽度，幅度也明显减小。因此，不仅信号的接收会有困难，而且在利用导波对物体进行检测时，其灵敏度也会降低。所以在利用导播进行缺陷检测时，应避免使用频散严重的导播模态。
2、多模态特性
在导波的传播过程中，多模态是其中的另一重要特性。由图一的频散曲线图可见，波导结构在某一特定频率下都会有两个甚至多个的模态存在，并且随着频率的增加，其模态数量也在不断地变化，这种想象就是导波在传播过程中的多模态特性。在实际的检测过程中，由于导波的多模态特性，在同一频率下会出现多种模态导波，即使激发某一特定模态的导波，仍会产生其他很多种不同的模态。多种模态相互叠加相互干扰，使得数据信号难以解析，大大增加信号辨识难度。因此，在实际检测中，应合理选择导波模态，用合适的模态检测物体的不同部位的缺陷。
三、导波技术在缺陷检测中的应用
1、立柱深埋问题
近年来，随着社会科学技术的快速发展，高速公路网络也越来越现代化，由于其成本低，且流量大，在平时运输中有着重要作用，对国家经济发展和社会发展有着重要意义。但是，高速公路的安全问题如何解决也刻不容缓。而高速公路两旁的立柱护栏作为保障驾驶员安全的最后一根稻草，其重要性不言而喻。但在实际施工中，由于高速公路旁的立柱都是埋在地下，无法进行直接观测，因此会存在部分偷工减料的现象，有严重的安全隐患。而传统的立柱检测检测方法就是取样法，随机抽选立柱进行拔桩测量。虽然该方法结果较为准确，但是在检测过程中不仅费时费力，而且将立柱拔出会对路基产生损伤，造成隐性的安全问题。
因此，本文利用超声导波理论，利用弹性波对立柱进行检测。通过在上端的敲打，在立柱中产生导波，在传播过程中遇到下端进行发射，通过发射信号可以精确测出立柱的埋地深度。立柱深埋的检测原理如图二所示。
图二 图三
在实际检测工作中，由位于立柱上端的激发换能器产生超声导波，在导波的轴向传播过程中，当到达接收换能器位置时，出现波包1的接收信号，如图三所示，记录时间为t1。此时，导波继续向下传播，遇到立柱下端发生反射，反射后导波轴向向上传播，接收换能器在此接收到信号，出现波包2，记录此时的时间t2。由立柱的频散曲线图可得模态导波的群速度Vg,因此立柱深埋的长度可计算出为：
L=(t2-t1)Vg/2-L1
这种利用导波计算立柱埋地深度的方式相较于传统方式更为方便，也不用再拔出已插地的立柱，产生二次埋置的问题，还可以对立柱进行大量的检测，也不用再进行取样检测。但是，这种方式仍然存在一些弊端。由于高速公路两旁的立柱大多都为中空结构，管壁较薄，在对其进行击打产生导波的过程中容易产生空腔共鸣，会发出较大噪音，影响周边居民的生活；在检测过程中，由于上文所述的导波频散及多模态的特性，接收到的信号辨识难度较大，数据难以解析，影响后续的计算。并且，由于使用的是人力敲打，检测信号会受到较大的人为因素的影响。
2、铁道钢轨的无损检测
与高速公路的立柱深埋问题同理，利用超声导波原理对火车钢轨进行无损检测。同样地，利用超声波传感器，由起点向外发射超声导波，超声导波在传播过程中沿着钢轨轴向运动，遇到底端时发生反射，在中间装备信号接收器，具体的计算过程和立柱深埋问题同理。利用导波技术，无需检查整段钢轨，就能检查出轨道中哪一部位存在缺陷。除此之外，还能运用于钢轨的不同部位进行分段检测。不仅能够快速定位钢轨上的裂缝位置，还能保证灵敏度，良好的满足了现阶段国家铁路发展的需求。
四、结语
超声导波技术作为近年来流行的新型无损检测技术，在交通、轨道、运输等各个方面均有涉猎，其不仅检测速度快，成本低廉，省时省力，而且定位准确，性能良好，相较于其他传统检测方式有着明显的优势。
参考文献：
[1]魏霄.用于高速公路护栏立柱埋深检测的电磁超声换能器设计[D].南京：南京航空航天大学，2019
[2]周建民，徐清瑶，李鹏，万琪，廖晓苏.钢轨无损检测中的超声导波技术[J].仪表技术与传感器，2015（06）:99-101
[3]金建华，金纪东.基于磁致伸缩效应的管道纵向超声导波检测传感器[J].仪表技术与传感器，2004(11):3－4．
论文作者:张煜晨,真煜轩
论文发表刊物:《科技新时代》2019年9期
论文发表时间:2019/11/20
标签：导波论文; 立柱论文; 超声论文; 波导论文; 钢轨论文; 过程中论文; 特性论文; 《科技新时代》2019年9期论文;