李再幃，吳 剛，朱文發(fā)，柴曉冬

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院, 上海 201620)

CA砂漿層在CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)體系中將軌道板和支撐層黏結(jié)形成整體性較好的無砟道床。無砟軌道結(jié)構(gòu)服役過程中，在軌道板溫度梯度、列車動(dòng)力荷載及基礎(chǔ)不均勻沉降等因素耦合作用下，CA砂漿層普遍呈現(xiàn)了裂紋、離縫、掉塊等結(jié)構(gòu)性病害。CA砂漿產(chǎn)生損傷后，易形成軌道板板底脫空[1]。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[2]，2017年華東地區(qū)高溫期(氣溫超過35 ℃)，高速鐵路CA砂漿層離縫脫空病害顯著，離縫大于2 mm的病害平均6處/km，見圖1。

離縫脫空損傷會(huì)造成砂漿層與軌道板或支承層黏結(jié)失效，削弱無砟道床的整體性，影響軌道靜態(tài)幾何形位和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。此外，在列車動(dòng)荷載和環(huán)境因素綜合作用下還會(huì)對(duì)其服役耐久性產(chǎn)生一定影響。已有研究[3]主要是關(guān)于砂漿層損傷對(duì)軌道、車輛的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)營(yíng)影響，但對(duì)砂漿的層間損傷信息進(jìn)行定量檢測(cè)是進(jìn)行其他研究的重要前提條件，故對(duì)CA砂漿層離縫脫空損傷檢測(cè)方法展開深入研究有十分重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

針對(duì)CA砂漿層離縫脫空損傷的檢測(cè)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定量的研究，主要可以分為模態(tài)分析法、彈性回波法、聲波診斷法等。文獻(xiàn)[4]對(duì)軌道板-CA砂漿層有限元模型進(jìn)行曲率模態(tài)分析，利用系統(tǒng)的一階曲率模態(tài)對(duì)CA砂漿層間損傷進(jìn)行識(shí)別。文獻(xiàn)[5]通過構(gòu)建軌道板-CA砂漿層-支撐層的三維有限元模型，研究了彈性波在其模型中傳播特性，采用力錘回波實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性，并通過預(yù)制CA砂漿缺陷實(shí)驗(yàn)說明了彈性回波法在檢測(cè)CA砂漿層間損傷的有效性；文獻(xiàn)[6]采用相類似的原理，通過計(jì)算軌道板的導(dǎo)納來確定CA砂漿層損傷。文獻(xiàn)[7]則在傳統(tǒng)彈性回波法基礎(chǔ)上，采用檢波器陣列式的方式進(jìn)行CA砂漿層損傷檢測(cè)。此外，文獻(xiàn)[8]采用與德國(guó)高鐵相類似的聲傳感技術(shù)，通過在線路典型路段布設(shè)聲傳感器，收集高速列車通過軌道結(jié)構(gòu)時(shí)的聲信號(hào)，利用GBRT分類算法對(duì)CA砂漿層損傷進(jìn)行識(shí)別。這些檢測(cè)方法極大地解決了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需求，為保證無砟軌道安全可靠服役狀態(tài)提供了技術(shù)支撐。但這些方法多是只針對(duì)敏感區(qū)段進(jìn)行定點(diǎn)檢測(cè)，可移動(dòng)性較差，且多采用接觸式方式進(jìn)行檢測(cè)，效率極低。因此，需要一種移動(dòng)性強(qiáng)且為非接觸式的CA砂漿損傷快速動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。

基于此，本文提出采用空氣耦合超聲Lamb波對(duì)CA砂漿離縫脫空損傷進(jìn)行檢測(cè)。Lamb波是超聲在板狀結(jié)構(gòu)中傳播的一種應(yīng)力波，其沿板橫向傳播過程中，對(duì)板內(nèi)及層間缺陷損傷等具有較強(qiáng)的敏感性，具有非接觸、檢測(cè)速率高、在線掃描及原位檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，特別適合于板式無砟軌道這樣的多層板構(gòu)造物的損傷在役檢測(cè)。文獻(xiàn)[11]研究混凝土板中Lamb波的傳播特性。文獻(xiàn)[12]基于空氣耦合超聲無損檢測(cè)非接觸、無損傷的檢測(cè)特點(diǎn)，總結(jié)了其發(fā)展歷程以及提高檢測(cè)效率的兩種方法。文獻(xiàn)[13]基于Lamb波檢測(cè)模式，從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析上對(duì)鋼板中空氣耦合超聲波透射率與入射角的關(guān)系并進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上對(duì)不同開口裂紋的鋼板進(jìn)行損傷成像，并用有限積分法驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。文獻(xiàn)[14]利用Lamb波分別對(duì)轉(zhuǎn)向架的完好結(jié)構(gòu)、檢測(cè)結(jié)構(gòu)相應(yīng)導(dǎo)波能量譜同激勵(lì)信號(hào)的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到檢測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)并加權(quán)得到損傷概率密度大小，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架損傷的定位診斷成像。文獻(xiàn)[15]通過構(gòu)造基于Lamb波散射的過完備塊稀疏字典，采用譜梯度投影法求解加權(quán)塊稀疏凸優(yōu)化模型，將得到的損傷散射信號(hào)稀疏表示系數(shù)作為損傷指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)的損傷成像。

本文通過建立CRTSⅡ型板式無砟軌道Lamb波傳播理論模型，研究無砟軌道中Lamb波的頻散特性，確立對(duì)缺陷敏感的Lamb波模態(tài)以及在空氣耦合方式下該模態(tài)的激勵(lì)參數(shù)。通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行無砟軌道板的1∶1比例模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文所提Lamb波檢測(cè)CA砂漿層離縫脫空損傷的有效性和準(zhǔn)確性。

1 Lamb波在無砟軌道中傳播的理論模型

CRTSⅡ型板式無砟軌道是典型的層狀板結(jié)構(gòu)，其厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于其在線路縱向長(zhǎng)度和橫向?qū)挾确较虻某叽?，因此可將軌道板狀結(jié)構(gòu)中聲傳播問題作為平面應(yīng)變問題?？諝怦詈铣暡ㄍㄟ^空氣以一定角度斜入射至軌道板上表面，在軌道板上下界面反射傳播一定距離后不斷發(fā)生波形轉(zhuǎn)換而形成板結(jié)構(gòu)中面正對(duì)稱和反對(duì)稱的各模態(tài)超聲Lamb波。超聲波是一種機(jī)械波，由于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)具有一定的機(jī)械能，故波的傳播過程也即是能量的傳播過程。建立CRTSⅡ型無砟軌道板剛性邊界條件下空氣耦合超聲Lamb波聲傳播能量泄漏模型，見圖2。

圖2 CRTSⅡ型板剛性邊界條件下Lamb波聲傳播模型

圖2中，θ為空氣中斜平面波的入射角度；ρa(bǔ)、ca分別為空氣的密度、聲速；λ、μ為軌道板材料彈性常數(shù)；ρ為密度，kg/m3。激勵(lì)和接收探頭相距L，同位于軌道板上側(cè)，且傾斜θ角度相向?qū)ΨQ布置以便激發(fā)和接收特定模態(tài)Lamb波信號(hào)。CRTSⅡ型板式無砟軌道主要材料特性見表1。

表1 CRTSⅡ型板式無砟軌道主要材料特性

基于能量角度考慮，當(dāng)Lamb波在板狀結(jié)構(gòu)中向前傳播時(shí)，能量不斷向軌道板下側(cè)泄漏，能量的泄漏是通過軌道板與CA砂漿之間剛性界面發(fā)生的，能量泄漏大小與該剛性界面大小有關(guān)[16]。設(shè)CA砂漿層間存在脫空損傷，且其在水平面上位于Lamb波傳播路徑上，當(dāng)激勵(lì)和接收探頭之間距離L一定時(shí)，則兩探頭之間剛性界面越大(即脫空損傷面積越小)，能量泄漏越多，接收探頭能接收到的信號(hào)能量越少，幅值越低；反之，若剛性界面越小(即脫空損傷面積越大)，則能量向下泄漏越少，接收探頭能接收到的信號(hào)能量越多，幅值越高。故由接收到的Lamb波信號(hào)能量幅值能表征CA砂漿損傷的情況，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道層間損傷的定量檢測(cè)。

2 軌道板頻散特性與空氣耦合激勵(lì)參數(shù)選擇

2.1 頻散特性

Lamb波的傳播特性十分復(fù)雜，主要表現(xiàn)為頻散特性和多模態(tài)現(xiàn)象，即速度隨頻率變化而變化，以及同一頻率下對(duì)應(yīng)至少兩種Lamb波模態(tài)。為激發(fā)具有較高敏感性的特定Lamb波模態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CA砂漿層間脫空損傷的快速檢測(cè)，需要進(jìn)行軌道板中Lamb波理論頻散曲線求解和傳播特性分析。由文獻(xiàn)[16]可知，對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道的多層結(jié)構(gòu)，當(dāng)檢測(cè)CA砂漿層間脫空損傷問題時(shí)僅需計(jì)算軌道板單層頻散，從而確定探頭激勵(lì)參數(shù)。

如圖2所示的軌道板層，無外力作用下板狀結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)控制方程為

(1)

式中：u為位移矢量，m。

由Helmholtz分解原理可知，將軌道板中的位移場(chǎng)表示為標(biāo)量勢(shì)的梯度和零散度矢量的旋度，得到2個(gè)分離的波動(dòng)方程，對(duì)平面應(yīng)變問題有

(2)

(3)

由平面應(yīng)變假設(shè)，位移和應(yīng)力通過勢(shì)函數(shù)φ和ψ分別表示為

φ=Φ(z)exp[j(kxx-ωt)]

(4)

ψ=Ψ(z)exp[j(kxx-ωt)]

(5)

式中：Φ和Ψ為對(duì)應(yīng)勢(shì)函數(shù)幅值；z為z軸方向；j為虛數(shù)單位；ω為角頻率；kx為沿x方向波數(shù)，由Snell定律可知kx=kasinθ，1/mm。其中，ka為波數(shù)。

將式(4)和式(5)分別代入式(2)和式(3)，可得

Φ(z)=A1sin(pz)+A2cos(pz)

(6)

Ψ(z)=B1sin(qz)+B2cos(qz)

(7)

軌道板中位移和應(yīng)力可由含有以z為變量的正弦(或余弦)函數(shù)的勢(shì)函數(shù)表示，而正弦(或余弦)函數(shù)是關(guān)于z=0的奇(或偶)函數(shù)，故可把解分為正對(duì)稱和反對(duì)稱模態(tài)，經(jīng)適當(dāng)變換，通過應(yīng)用零應(yīng)力邊界，可確定Lamb波傳播的頻散方程為

(8)

(9)

式中：d為軌道板的厚度。

式(8)和式(9)即為Rayleigh-Lamb頻散方程，且為含兩個(gè)參變量的超越方程，很難求取解析解。利用Matlab軟件編程得到200 mm厚單層軌道板頻散模型，軌道板厚度一定，采用二分法對(duì)上述頻散曲線方程進(jìn)行迭代數(shù)值求解，得到頻散方程每對(duì)應(yīng)頻率下的有限個(gè)實(shí)根，即軌道板相速度cp與頻率的頻散關(guān)系。為獲得特定頻率下模態(tài)激勵(lì)角度和驗(yàn)證所激勵(lì)模態(tài)準(zhǔn)確性，同時(shí)還需求得各模態(tài)群速度cg、入射角θ同頻率的關(guān)系分別為

(10)

θ=arcsin(ca/cp)

(11)

式中：k=ω/c。

基于以上計(jì)算方法得到軌道板Lamb波相速度、群速度、入射角分別隨頻率變化的相關(guān)頻散曲線見圖3。圖3中，CR為Rayleigh波速，A0、A1、A2、A3為L(zhǎng)amb反對(duì)稱模態(tài)，S0、S1、S2、S3為L(zhǎng)amb對(duì)稱模態(tài)。

圖3 軌道板中Lamb波頻散曲線

由圖3可知，曲線的非線性體現(xiàn)了其頻散特性，除A0和S0外，每個(gè)Lamb波模態(tài)都存在有截止頻率，即每個(gè)模態(tài)都有其存在和傳播的頻率范圍，模態(tài)階次越高，截止頻率也越大，且每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)至少兩種以上模態(tài)，頻率越高，對(duì)應(yīng)模態(tài)數(shù)越多。

2.2 空氣耦合超聲Lamb波激勵(lì)參數(shù)選擇

通過空氣耦合方式激發(fā)在軌道板中超聲Lamb波時(shí)，空氣和軌道板聲阻抗相差較大(常溫常壓條件下，空氣聲阻抗：Za=428.6 Rayl、軌道板聲阻抗：Zs≈107Rayl)。為增大入射聲波的穿透性，要求入射波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，即頻率較低，較長(zhǎng)波長(zhǎng)能減少混凝土粗骨料和鋼筋對(duì)接收信號(hào)的不利影響[17]。由軌道板的頻散曲線可知，聲波激勵(lì)頻率越高，衰減越快；頻率越低，干擾的Lamb波模態(tài)數(shù)越少，但頻率太低也會(huì)帶來頻散嚴(yán)重的問題。

由于頻散、多模態(tài)的存在及各模態(tài)對(duì)板層間損傷敏感性不一致的特性，使得在實(shí)際線路軌道檢測(cè)時(shí)接收信號(hào)復(fù)雜，難于進(jìn)行模態(tài)識(shí)別和分析處理。因此，需要激發(fā)對(duì)軌道板CA砂漿層間損傷較敏感的單一Lamb波模態(tài)來檢測(cè)，以避免其他模態(tài)的存在而產(chǎn)生模態(tài)混迭等問題。一般而言，對(duì)于薄板或半無限大結(jié)構(gòu)亞表面的埋藏缺陷多采用低頻段的A0、S0模態(tài)來進(jìn)行檢測(cè)[9]；而對(duì)于無砟軌道板CA砂漿層間脫空損傷，隨著頻率增大，A0和S0模態(tài)收斂退化成表面波，速度收斂于表面波速CR，其他模態(tài)則退化為剪切波，波速收斂于剪切波波速CT，即Lamb波模態(tài)敏感性較低；因此，本文綜合理論分析和文獻(xiàn)[18-19]的研究結(jié)果，將A3模態(tài)確定為L(zhǎng)amb波的主要識(shí)別模態(tài)。

其次是建立機(jī)構(gòu)，完善風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度。可以建立相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)構(gòu)，在校長(zhǎng)領(lǐng)導(dǎo)下開展工作，由相關(guān)職能處室負(fù)責(zé)人和具備專業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理知識(shí)的人才以及一定經(jīng)驗(yàn)的教師為主要成員，對(duì)學(xué)校重大事件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。下設(shè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估小組，對(duì)管理中的重大問題列出的風(fēng)險(xiǎn)清單，分析不同環(huán)節(jié)的關(guān)鍵控制點(diǎn)，制定相應(yīng)控制措施或應(yīng)對(duì)策略；為完善風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估小組還可以針對(duì)不同業(yè)務(wù)，給出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)涉及的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，用以判斷風(fēng)險(xiǎn)程度的大小。

為進(jìn)一步確定適用的單一檢測(cè)模態(tài)，在28 kHz頻率下，200 mm厚軌道板中前四階Lamb波反對(duì)稱模態(tài)的波結(jié)構(gòu)如圖4所示；可知各模態(tài)沿軌道板厚度方向，面內(nèi)位移成反對(duì)稱分布，離面位移成對(duì)稱分布，并且在板厚度的中間位置，面內(nèi)位移為0，故離面位移越大越易于激發(fā)單一反對(duì)稱Lamb波模態(tài)；A0、A3模態(tài)在軌道板表面具有較大的離面位移，即具有更為明顯垂直于軌道板上下表面的振動(dòng)位移，更適合于空氣耦合超聲探頭激勵(lì)和接收信號(hào)。但是，由軌道板頻散曲線計(jì)算結(jié)果可知，28 kHz中心激勵(lì)頻率下，A0模態(tài)已同S0模態(tài)收斂退化為表面波，其聲波能量集中并主要沿軌道板上表面進(jìn)行傳播，對(duì)軌道板板底脫空等損傷無檢測(cè)能力而不適合用來進(jìn)行檢測(cè)，故選擇A3模態(tài)用于進(jìn)行CA砂漿層間損傷的檢測(cè)。

圖4 28 kHz下200 mm厚軌道板中Lamb波反對(duì)稱模態(tài)波結(jié)構(gòu)

此外，由表1中參數(shù)的軌道板頻散模型計(jì)算得A0—A3模態(tài)群速度分別為2 260、2 160、2 970、1 893 m/s。在同頻率和同能量密度的條件下，A3模態(tài)波速小，相應(yīng)波長(zhǎng)更小，對(duì)小尺寸損傷具有更好的識(shí)別檢測(cè)精度。綜上所述，本文選擇A3模態(tài)進(jìn)行激勵(lì)檢測(cè)。由圖3(c)所示的入射角頻散曲線可知，28 kHz時(shí)軌道板中A3模態(tài)理論空氣耦合入射角為3.5°；考慮到空氣耦合平面波探頭所激發(fā)的超聲波聲束具有一定擴(kuò)散角度，實(shí)際檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，激勵(lì)和接收探頭相對(duì)軌道板上表面傾斜角為(3.5±0.5)°。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)試樣

在實(shí)驗(yàn)室按照CRTSⅡ型無砟軌道尺寸進(jìn)行1∶1比例制作試件，各層材料配比及用料嚴(yán)格按照TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]和TB/T 3399—2015《CRTSⅡ型板式無砟軌道混凝土軌道板》[21]規(guī)定進(jìn)行制作，水泥為金山牌P.O52.5水泥。

由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果可知[2]，CA砂漿層局部損傷在不斷劣化情況下，損傷能逐步疊加形成貫穿性脫連等離縫脫空病害，為研究界面脫黏尺寸與Lamb波能量的關(guān)系，鋪設(shè)前在CA砂漿層預(yù)先埋置200 mm×200 mm、400 mm×400 mm、600 mm×600 mm三種不同尺寸的貫穿脫空缺陷，以模擬CA砂漿層不同損傷程度工況。三種脫空缺陷的平面中心沿縱向CRTSⅡ型軌道板中心線平行等間距布置，且前后兩端缺陷邊緣至軌道板兩端的距離同相鄰缺陷之間的間距相等，三種脫空缺陷高度均為30 mm且貫穿砂漿層。制作好的混凝土無砟軌道結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，CA砂漿層除預(yù)置脫空損傷處與軌道板下界面脫黏外，其余地方均黏結(jié)完好。

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)搭建了無砟軌道空氣耦合超聲Lamb波無損檢測(cè)系統(tǒng)，見圖5。該檢測(cè)系統(tǒng)硬件包括：28 kHz空氣耦合超聲激勵(lì)和接收探頭、多自由度旋轉(zhuǎn)平移掃描架、高功率超聲波激勵(lì)接收儀(日本JPR-Probe公司生產(chǎn)，型號(hào)JPR-10CN，其可連續(xù)發(fā)射300個(gè)波數(shù)的矩形脈沖和增幅60 dB的高信噪比帶通濾波信號(hào)內(nèi)置增幅器)、后置信號(hào)放大器、示波器、計(jì)算機(jī)。軟件為基于Matlab平臺(tái)自主開發(fā)的信號(hào)處理和檢測(cè)平臺(tái)平移控制程序，實(shí)現(xiàn)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的整合，控制空氣耦合超聲激勵(lì)接收探頭的入射角和水平距離。

圖5 空氣耦合超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程

計(jì)算機(jī)通過軟件控制高功率超聲波激勵(lì)接收儀產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電壓施加在空氣耦合超聲激發(fā)探頭的壓電晶片激勵(lì)器上激發(fā)超聲波?？諝怦詈铣暯邮仗筋^接收從軌道板泄漏至空氣中的攜帶有CA砂漿層間脫空損傷信息的漏Lamb波信號(hào)，并經(jīng)后置信號(hào)放大器進(jìn)行放大后由A/D采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用于示波器實(shí)時(shí)顯示和在計(jì)算機(jī)上顯示、分析、記錄、存儲(chǔ)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

調(diào)整激勵(lì)和接收探頭沿軌道板寬度方向分別位于不同缺陷平面位置的兩側(cè)，兩探頭連線中心點(diǎn)分別與預(yù)埋的不同尺寸脫空缺陷中心點(diǎn)重合(即激發(fā)、接收探頭內(nèi)側(cè)分別到三種脫空缺陷邊緣的水平距離相等)。兩探頭位于軌道板表面上方 20 mm 處，探頭凈間距L=650 mm，并在脫空缺陷中心點(diǎn)相向?qū)ΨQ傾斜布置。

保持激發(fā)、接收探頭間距和傾斜角度不變，依次同時(shí)移動(dòng)激發(fā)和接收探頭至各脫空缺陷上方，且激發(fā)和接收探頭連線與各脫空缺陷中心線重合。實(shí)驗(yàn)采樣率1 MHz，為消除信號(hào)采樣誤差及提高信噪比進(jìn)行32次采樣平均，調(diào)整探頭入射角約為3.5°激發(fā)接收A3模態(tài)Lamb波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知，實(shí)驗(yàn)接收信號(hào)首波群速度約為1 920 m/s，這與理論計(jì)算群速度1 893 m/s相近，故所接收信號(hào)首波為所激發(fā)A3模態(tài)，且其在時(shí)域上主要位于605～935 μs之間；空氣聲速約340 m/s，傳播速度慢，由于無法完全隔斷激發(fā)探頭產(chǎn)生的聲波而由空氣直達(dá)接收探頭，故1 400 μs后的信號(hào)波包基本為空氣中直達(dá)的噪聲干擾信號(hào)；當(dāng)Lamb波遇到損傷時(shí)產(chǎn)生了模態(tài)轉(zhuǎn)換，在935～1 400 μs之間出現(xiàn)了其他模態(tài)信號(hào)，使Lamb波頻散現(xiàn)象變得嚴(yán)重，波包變得更寬；對(duì)比不同長(zhǎng)度的CA砂漿層間脫空損傷可知，探頭距離一定時(shí)，軌道板與CA砂漿層間的脫空長(zhǎng)度越小，軌道板中Lamb波能量向下各層泄漏越多，直接導(dǎo)致接收到的Lamb波信號(hào)能量越少，幅值越低。進(jìn)一步地對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下接收Lamb波信號(hào)幅值與CA砂漿層間脫空損傷尺寸進(jìn)行回歸分析，見圖7。由圖7可知，損傷的尺寸與幅值呈現(xiàn)線性回歸關(guān)系，可以通過信號(hào)的幅值近似地定量化評(píng)價(jià)CA砂漿層間脫空損傷程度。

圖7 歸一化Lamb波幅值與損傷尺寸關(guān)系

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文利用空氣耦合超聲Lamb波方法，可快速、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道CA砂漿層間脫空、離縫損傷存在與否及損傷尺寸大小的非接觸檢測(cè)評(píng)估。

4 結(jié)論

本文建立了Lamb波在CRTSⅡ型板式無砟軌道中傳播的理論模型，研究了無砟軌道板頻散特性與空氣耦合超聲Lamb波的激勵(lì)參數(shù)，利用實(shí)驗(yàn)室模型驗(yàn)證了所提Lamb波檢測(cè)CA砂漿層離縫脫空損傷方法的有效性和準(zhǔn)確性，結(jié)論如下：

(1)采用非接觸式空氣耦合Lamb波可以快速實(shí)現(xiàn)CRTSⅡ型板式無砟軌道層間損傷的定量檢測(cè)。

(2)激勵(lì)CRTSⅡ型無砟軌道板Lamb波的空氣耦合超聲探頭中心激勵(lì)頻率為28 kHz、入射角3.5°，可利用Lamb波的A3模態(tài)進(jìn)行軌道板層間損傷檢測(cè)。

(3)Lamb波的A3模態(tài)幅值隨CA砂漿層間脫空損傷尺寸增加而增大，呈現(xiàn)線性變化規(guī)律。為檢測(cè)無砟軌道層間損傷大小提供了一定的參考依據(jù)。需要注意的是由于損傷幾何形狀及大小具有多樣性，如何對(duì)各損傷進(jìn)行取向、平面形狀及深度等的檢測(cè)是未來的研究重點(diǎn)。