任 翔 王 川 易文明 王 強 房甜甜1.北京鐵路局天津電務(wù)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(shù)探討

任 翔 王 川 易文明 王 強 房甜甜
1.北京鐵路局天津電務(wù)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(shù)，可實現(xiàn)對聲波信號的高靈敏度、超寬帶檢測，光纖聲波監(jiān)測技術(shù)以光波作為聲信號載體，光纖作為傳輸介質(zhì)來拾取聲波信息。光纖聲音偵聽系統(tǒng)是利用光纖干涉的原理，以光學(xué)纖維或其他敏感材料作為聲音探測元件，利用監(jiān)測區(qū)域內(nèi)聲壓振動對光纖中傳輸光干涉信號的調(diào)制，實現(xiàn)對鐵路沿線重點區(qū)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(tài)的診斷。

概述

聲波傳感檢測和探測技術(shù)在工業(yè)探傷、安全監(jiān)控、國防軍事、生物醫(yī)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(tài)檢測等領(lǐng)域有著廣泛的用途。

新一代光纖石墨烯聲波探測系統(tǒng)

光纖聲波監(jiān)測技術(shù)以光波作為聲信號載體，光纖作為傳輸介質(zhì)來拾取聲波信息。光纖聲音偵聽系統(tǒng)是利用光纖干涉的原理，以光學(xué)纖維或其他敏感材料作為聲音探測元件，利用監(jiān)測區(qū)域內(nèi)聲壓振動對光纖中傳輸光干涉信號的調(diào)制，實現(xiàn)對光纖布設(shè)區(qū)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(chǎn)品在實際偵聽場景中得到應(yīng)用。

光纖聲波探測技術(shù)的主要優(yōu)點

光纖聲波探頭是無源設(shè)備，因此其克服了傳統(tǒng)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(fù)用能力強，易于構(gòu)成大規(guī)模的陣列，可實現(xiàn)多點遠距離偵測，因此解決了電偵聽器不適合遠距離傳輸?shù)膯栴}。

相對現(xiàn)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(xué)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(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

基于石墨烯的全新一代光纖微納聲波探測系統(tǒng)

基于石墨烯的全新一代光纖微納聲波探測系統(tǒng)技術(shù)，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(yīng)材料。

新一代光纖石墨烯聲波探測系統(tǒng)將石墨烯薄膜采用濕法轉(zhuǎn)移的工藝，覆蓋在光纖端面，形成光纖微納干涉腔結(jié)構(gòu)。同時將石墨烯聲波敏感薄膜與光纖干涉相位解調(diào)技術(shù)結(jié)合，可以實現(xiàn)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(tǒng)的主要性能指標

探頭尺寸：Φ0.5mm×10mm；

信號解調(diào)設(shè)備尺寸：30cm×20cm×10cm；

監(jiān)測距離：0～10公里（可實現(xiàn)10公里內(nèi)的遠程聲波監(jiān)測）；

聲壓靈敏度： 〉200mv/pa；

信噪比： 〉40dB；

響應(yīng)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?。?/p>

聲源定位：通過多探頭布設(shè)，可對空間內(nèi)的聲源位置進行定位；

單套解調(diào)設(shè)備可訂制多探頭同時監(jiān)測（〉5個）。

新一代光纖石墨烯聲波探測系統(tǒng)的構(gòu)成和偵聽布局示意圖

圖2 光纖石墨烯聲波探頭結(jié)構(gòu)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(fēng)探頭照片

圖4 光纖石墨烯聲波監(jiān)測系統(tǒng)信號解調(diào)主機照片

圖5 系統(tǒng)雙聲道監(jiān)測和聲源定位軟件界面

光纖石墨烯聲波探測系統(tǒng)鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用探討

鐵路沿線重點部位的聲音監(jiān)控

由于鐵路普速及高鐵沿線點多線長，鐵路線路要經(jīng)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(jiān)控的地點及場所，如：橋梁、隧道、容易水害、落石區(qū)域等。為對這些區(qū)域做好安全監(jiān)控，現(xiàn)有方式包括增加人工巡視次數(shù)，在重點安全監(jiān)測區(qū)段設(shè)點進行人員看護，并采用安裝視頻監(jiān)控等辦法。但實際結(jié)果還是不盡人意，鐵路路基落石、人員違規(guī)上道、泥石流侵害等時有發(fā)生，如不能及時發(fā)現(xiàn)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(chǎn)。

如果把這些重點防護部位全面監(jiān)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(jiān)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(jiān)聽，可以監(jiān)控這些重點數(shù)百米范圍的震動和聲音情況，一旦監(jiān)測到落石、人員上道等異常聲音情況，再通過和視頻系統(tǒng)的聯(lián)動，可以立即調(diào)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(fā)生。

旅客列車隨車檢驗的儀器化和專業(yè)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(fā)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(fā)現(xiàn)這種不利影響來確保列車安全運行，鐵路機務(wù)系統(tǒng)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(jù)返回的聲音的音調(diào)、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(zhì)和經(jīng)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(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(xié)調(diào)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(shè)備。

本系統(tǒng)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(shè)備，由隨身檢測設(shè)備對上傳的聲音進行定量分析。隨身檢測設(shè)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(tài)做出科學(xué)準確分析和準確判斷。

圖6 光纖石墨烯聲波監(jiān)測系統(tǒng)對不同頻率聲信號的響應(yīng)

圖7 光纖石墨烯聲波監(jiān)測系統(tǒng)對不同距離聲源信號的響應(yīng)

高鐵沿線輪軌健康狀態(tài)的診斷

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

據(jù)我們所知，國內(nèi)有企業(yè)在開發(fā)相關(guān)的集成系統(tǒng)，但是主要都是側(cè)重于后端的振動模式識別的算法和軟件開發(fā)，前端聲波探測和采集系統(tǒng)主要依賴于進口，進口設(shè)備價格昂貴，后期維護成本高，是的很難實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。此外，由于現(xiàn)有進口聲波探測系統(tǒng)也是通過電學(xué)的原理實現(xiàn)，探測系統(tǒng)需要供電，因此只能在進出站位置區(qū)域布設(shè)，大大限制了該系統(tǒng)在長距離鐵路沿線的使用，而光纖石墨烯聲波探測技術(shù)可以實現(xiàn)遠程的無源監(jiān)測，可以增加TADS系統(tǒng)的在高鐵沿線的探頭布設(shè)密度，從而更全面掌握在高速運行狀態(tài)下輪軌相互作用時的車輪健康和安全狀態(tài)。

光纖石墨烯聲波探測技術(shù)在其他潛在領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯探頭因其無源性、極寬的頻響范圍和優(yōu)良的線性響應(yīng)，其在工業(yè)探傷領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用范圍。如在鋼軌探傷方面的應(yīng)用，能極大提升現(xiàn)有探傷系統(tǒng)聲波圖像的靈敏度。

結(jié)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(shù)，可實現(xiàn)對聲波信號的高靈敏度、超寬帶檢測技術(shù)進行了介紹，同時該技術(shù)在鐵路區(qū)間線路重點區(qū)域的安全防護、鐵路列車安全檢查、高鐵沿線輪軌健康狀態(tài)的診斷等應(yīng)用領(lǐng)域進行了探討和介紹。該系統(tǒng)技術(shù)在國鐵系統(tǒng)，特別是在高鐵系統(tǒng)的推廣運用，將有效提高鐵路安全檢測技術(shù)手段，提前、準確報警，全面提升鐵路安全防護、新技術(shù)檢測手段的普及應(yīng)用水平，為保證鐵路運輸安全生產(chǎn)保駕護航。