超声导波传播距离远且能覆盖介质的整个横截面， 因此， 超声导波技术被视为 种新型高效、快速的无损检测与健康状态监测技术。 本书介绍了超声导波技术的国内外研究现状、 钢轨中的超声导波、 钢轨中超声导波的有限元仿真、 钢轨中超声导波的模态分析方法、 钢轨中超声导波的模态激励控制、 超声导波检测系统研制、 超声导波钢轨无损检测技术应用， 以及机器学习算法在超声导波钢轨无损检测中的应用等。 本书可作为超声导波检测相关课程的研究生教材， 也可供从事超声导波检测相关研究的专业人员参考。
许西宁，长期从事轨道交通基础设施无损检测技术的科研与教学工作。荣获2013年、2019年中国铁道学会铁道科学技术一等奖，2022年北京市科技进步二等奖。主持和参加多项国家级、省部级、横向科研项目。以第一作者或通讯作者发表SCI、EI等期刊论文20余篇，撰写专著1部，获批国家发明专利5项。目前从事本科《测控系统设计》、研究生《现代测试技术》的教学工作。《测控系统设计》课程获评校级一流课程、北京市优质课程、国家级一流本科课程。指导本科生毕业设计连续3年荣获北京市普通高等学校优秀本科毕业设计，指导学生学科竞赛获全国二等奖1项、三等奖1项、省部级一等奖7项、二等奖2项。荣获北京交通大学"三育人”先进个人、优秀实践指导教师、2022届本科毕业生"我最敬爱的老师”。团队荣获北京交通大学"三育人”先进集体、北京高校优秀本科育人团队。
目 录
第1章 绪论 1
1.1 钢轨无损检测技术 2
1.2 超声导波技术 6
1.2.1 频散与多模态特性 6
1.2.2 超声导波缺陷检测 7
1.2.3 超声导波模态激励 8
1.2.4 超声导波模态识别 10
1.3 超声导波钢轨无损检测 12
1.4 超声导波检测装置 15
1.5 章节安排 18
第2章 钢轨中的超声导波 20
2.1 钢轨中超声导波的频散曲线 20
2.2 钢轨中超声导波的模态与振形 28
2.3 钢轨中超声导波模态的选取原则 31
第3章 钢轨中超声导波的有限元仿真 39
3.1 钢轨建模 39
3.1.1 几何体导入 40
3.1.2 拆分模型 41
3.1.3 移动模型 43
3.1.4 划分2D网格 44
3.1.5 拉伸2D网格生成3D网格 46
3.1.6 删除2D网格 47
3.1.7 镜像复制 48
3.1.8 设置材料参数 52
3.1.9 导出模型 55
3.2 有限元仿真 55
3.3 数据后处理 60
3.4 扣件约束下的钢轨有限元仿真 67
第4章 钢轨中超声导波的模态分析方法 72
4.1 时域分析 72
4.2 模态振形分析 74
4.2.1 利用差值验证相似 78
4.2.2 利用互相关验证相似 79
4.3 小波分析 81
4.4 2D-FFT分析 85
4.5 模态振形矩阵分析 90
第5章 钢轨中超声导波模态的激励控制 97
5.1 激励响应分析方法 97
5.2 基于振形矩阵的超声导波模态激励方法 100
5.2.1 超声导波模态激励方向研究 100
5.2.2 超声导波模态激励系数研究 104
5.2.3 超声导波模态激励节点研究 107
5.2.4 超声导波模态激励方法的仿真 116
5.3 基于相控延时技术的超声导波模态激励方法 125
5.3.1 相控延时技术 125
5.3.2 钢轨建模及有限元仿真 127
5.3.3 仿真结果及分析 130
第6章 超声导波检测系统研制 135
6.1 超声导波换能器 135
6.1.1 磁致伸缩式超声导波换能器 135
6.1.2 激光超声技术 138
6.1.3 压电式超声导波换能器 140
6.2 标准测试测量设备 142
6.3 嵌入式系统硬件设计 143
6.3.1 硬件系统总体设计 143
6.3.2 基于FPGA与ARM的硬件系统设计 145
6.3.3 超声导波激励电路设计 149
6.3.4 超声导波采集电路设计 150
6.4 嵌入式系统软件设计 153
第7章 超声导波钢轨无损检测技术应用 155
7.1 无缝线路断轨监测 155
7.1.1 频散曲线 156
7.1.2 模态选取 157
7.1.3 模态验证 161
7.1.4 断轨监测应用 168
7.2 道岔尖轨缺陷检测 169
7.2.1 道岔尖轨裂纹检测方法 169
7.2.2 基于基线减法的道岔尖轨缺陷检测方法 170
7.2.3 超声导波传播特性分析 174
7.2.4 仿真分析 183
7.2.5 实验验证 188
第8章 机器学习算法在超声导波钢轨无损检测中的应用 192
8.1 超声导波信号分析与特征提取 192
8.1.1 基于SVD的钢轨裂纹信号提取 192
8.1.2 基于ICA的钢轨裂纹识别研究 196
8.2 基于传统分类器的裂纹分布区域识别 200
8.2.1 钢轨裂纹特征选择 200
8.2.2 分类结果对比 203
8.3 基于深度学习算法的裂纹分布区域识别 204
8.3.1 一维卷积神经网络算法 204
8.3.2 钢轨裂纹检测算法设计 206
8.3.3 钢轨裂纹分布区域识别算法设计 210
参考文献 213
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