一种基于声弹性耦合的无砟道床与路基层间缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及高速铁路无砟道床与路基结构损伤的无损检测领域，具体涉及一种基于声弹性耦合的无砟道床与路基层间缺陷检测方法。

背景技术

在高速铁路发展的过程中，无砟道床以其稳定、平顺、刚度均匀、后期维修量少等优势被广泛应用。随着运营里程的增加，运营时间的增长，在高速列车大周次、高周频荷载激励、雨水渗流、冻融循环等多不利因素耦合作用下，路基上的无砟道床出现众多病害。这些病害位于无砟道床的底座混凝土层与路基表层之间，处于两层之间的隐蔽位置，正常是处于半掩埋状态，平常巡检难以及时发现。这种隐蔽病害导致高速列车轮-轨激烈相互作用问题日益加剧，严重将造成高速列车限速运行，加速无砟道床开裂，路基翻浆冒泥病害，对高速铁路运营构成了巨大安全威胁。此外，由于高速列车发车时间间隔密集，留给工务人员天窗维修时间一般不超过4小时，这一典型特点要求高速铁路无砟道床与路基之间的层间缺陷无损检测技术必须实现高效精准的技术目标，在短暂的天窗时间内准确快速地确定隐蔽病害位置。

现目前对于高速铁路无砟道床与路基层间缺陷的检测方法仅仅停留在利用传统探底雷达技术等来检测，检测结果的准确性存在较大误差，并且现有检测方法中使用的仪器设备经济费用较高，经济性较差。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于声弹性耦合的无砟道床与路基层间缺陷检测方法，利用基于声弹性耦合的现场检测装置对无砟道床与路基层间缺陷进行检测，提升了检测结果的准确性，并且节省了检测成本。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于声弹性耦合的无砟道床与路基层间缺陷检测方法，包括以下步骤：

S1、确定无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征，并利用无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征构建层间缺陷数值模型检测数据库；

S2、设置基于声弹性耦合的现场检测装置，并利用基于声弹性耦合的现场检测装置获取清洗后的层间检测声压信号；

S3、根据步骤S1中的层间缺陷数值模型检测数据库和步骤S2中清洗后的层间检测声压信号，确定无砟道床与路基层间缺陷的检测结果。

进一步地，步骤S1包括以下分步骤：

S11、对无砟道床与路基层间缺陷类型进行归类以确定无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征；

S12、确定无砟道床的类型；

S13、根据分步骤S12中无砟道床的类型，利用分步骤S11中无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征，构建无砟道床与路基结构的数值孪生模型；

S14、利用分步骤S13中无砟道床与路基结构的数值孪生模型，计算无砟道床与路基结构的冲击声压场以获取一级损伤能量值和二级损伤能量值，并根据一级损伤能量值和二级损伤能量值构建层间缺陷数值模型检测数据库。

进一步地，在分步骤S14中，计算无砟道床与路基结构的冲击声压场，包括以下步骤：

A1、计算冲击构件与道床板之间冲击接触量，表示为：

其中：K

A2、根据A1中的冲击构件与道床板之间冲击接触量，计算微型机械波激振器对道床板冲击载荷持续时间，表示为：

其中：t

A3、确定最小网格划分尺寸，表示为：

Δx≤A·λ

其中：Δx为数值模拟中的最小网格划分尺寸，A为常数，λ

A4、根据A1中的冲击构件与道床板之间冲击接触量、A2中的机械弹射激振器对道床板冲击载荷持续时间和A3中的最小网格划分尺寸，计算无砟道床与路基结构的冲击声压场。

进一步地，在步骤S2中，基于声弹性耦合的现场检测装置包括微型机械弹射激振器、宽频声压感知器、二级自适应主动清洗模块和采集调节器。

进一步地，步骤S2包括以下分步骤：

S21、将微型机械弹射激振器设置在待测道床板表面的测点处以产生经混凝土与路基表层界面转化后的层间检测声压信号；

S22、将宽频声压感知器和二级自适应主动清洗模块封装为整体，并将其垂直设置于道床板方向，以接收分步骤S21中微型机械弹射激振器产生经混凝土与路基表层界面转化后的层间检测声压信号，并对层间检测声压信号进行处理以产生清洗后的层间检测声压信号；

S23、将采集调节器与宽频声压感知器相连以采集调节分步骤S22中宽频声压感知器产生的清洗后的层间检测声压信号。

进一步地，步骤S3包括以下分步骤：

S31、对步骤S2中清洗后的层间检测声压信号进行分解，获取固有振型分量；

S32、根据分步骤S31中的固有振型分量，获取变换后的层间检测声压信号；

S33、根据步骤S1中的层间缺陷数值模型检测数据库和分步骤S32中变换后的层间检测声压信号，利用损伤度对比法，确定无砟道床与路基层间缺陷的检测结果。

进一步地，步骤S31包括以下分步骤：

S311、获取步骤S2中清洗后的层间检测声压信号的第一极值点和第二极值点；

S312、对分步骤S311中清洗后的层间检测声压信号的第一极值点和第二极值点进行三次样条拟合，得到清洗后的层间检测声压信号的第一包络线和第二包洛线；

S313、根据分步骤S312中清洗后的层间检测声压信号的第一包络线和第二包络线，确定清洗后的层间检测声压信号的均值包络线；

S314、根据步骤S2中清洗后的层间检测声压信号和分步骤S313中清洗后的层间检测声压信号的均值包络线，确定初始固有振型分量；

S315、判断分步骤S314中的初始固有振型分量是否满足声压信号的固有振型条件；若是则将初始中间信号分量确定为固有振型分量，否则回到分步骤S311。

进一步地，步骤S32包括以下分步骤：

S321、对分步骤S31中的固有振型分量进行信号处理，表示为：

其中：d

S322、根据分步骤S321中固有振型分量经信号处理后的数据，计算层间检测声压信号的瞬时幅值，表示为：

其中：β

S323、计算层间检测声压信号的瞬时频率，表示为：

其中：α

S324、根据分步骤S322中层间检测声压信号的瞬时幅值和分步骤S323中层间检测声压信号的瞬时频率，计算层间检测声压信号进行变换后的数据，表示为：

其中：y(ω，t)为层间检测声压信号进行变换后的数据，ω为频率，Re为实部符号，k为固有振型分量的总数，j为复数符号；

S325、根据分步骤S324中层间检测声压信号进行变换后的数据，获取变换后的层间检测声压信号，表示为：

其中：ψ(ω，t)为变换后的层间检测声压信号。

进一步地，步骤S33包括以下分步骤：

S331、根据分步骤S32中变换后的层间检测声压信号，计算层间检测声压信号对时间变化下其能量变化规律值，表示为：

S

其中：S

S332、根据分步骤S331中层间检测声压信号对时间变化下其能量变化规律值，计算一级损伤判断能量值，表示为：

E

其中：E

S333、根据分步骤S32中时频变换后的层间检测声压信号，计算层间检测声压信号在时间域中振幅累加的分布函数值，表示为：

S

其中：S

S334、根据分步骤S333中层间检测声压信号在时间域中振幅累加的分布函数值，计算二级损伤判断能量值，表示为：

Q

其中：Q

S335、根据步骤S1中的层间缺陷数值模型检测数据库、分步骤S332中的一级损伤判断能量值和S334中的二级损伤判断能量值，获取一级损伤判断的判断指标和二级损伤判断的判断指标；

S336、根据分步骤S335中一级损伤判断的判断指标和二级损伤判断的判断指标，利用损伤度对比法，确定无砟道床与路基层间缺陷的检测结果，表示为：

P＝R{K，G}

其中：P为损伤判断综合指标，R为约束条件，K为一级判断的判断指标，G为二级判断的判断指标。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过设置基于声弹性耦合的现场检测装置，并利用基于声弹性耦合的现场检测装置获取清洗后的层间检测声压信号，使得到的层间检测声压信号具有更高的信号强度和信号灵敏度，提升了携带层间缺陷信息的精准度，并且节省了检测成本；

(2)本发明通过对清洗后的层间检测声压信号进行分解，并进行时频变换，获取时频变换后的层间检测声压信号，能将层间检测声压信号的时域信息和频域信息进行同时呈现，使得到的时频变换后的层间检测声压信号包含更丰富的层间检测信息；

(3)本发明通过计算层间检测声压信号的一级损伤判断能量值和二级损伤判断能量值，将其与层间缺陷数值模型检测数据库中的一级损伤能量值和二级损伤能量值进行对比，得到一级损伤判断的判断条件和二级损伤判断的判断条件，并利用损伤度对比法获取无砟道床与路基层间缺陷的检测结果，在保证操作的简便性、可实施性的同时，提升了检测结果的准确性。

附图说明

图1为一种基于声弹性耦合的无砟道床与路基层间缺陷检测方法流程示意图；

图2为基于声弹性耦合的无砟道床与路基层间缺陷检测的二维示意图；

图3为微型机械弹射激振器内部构造示意图；

其中：1、微型机械弹射激振器，2、宽频声压感知器，3、采集调节器，4、分析仪，5、无砟道床与路基层间隐蔽脱空病害，6、钢轨，7、无砟道道床板，8、CA砂浆层，9、混凝土底座板，10、路基结构，11、微型机械弹射激振器的控制模块，12、微型机械弹射激振器的发射模块，13、微型机械弹射激振器的激励构件。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于声弹性耦合的无砟道床与路基层间缺陷检测方法，包括步骤S1-S3，具体如下：

S1、确定无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征，并利用无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征构建层间缺陷数值模型检测数据库。

在本发明的一个可选实施例中，本发明确定无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征，利用无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征构建无砟道床与路基结构的数值孪生模型，并利用无砟道床与路基结构的数值孪生模型，计算无砟道床与路基结构的冲击声压场以获取一级损伤能量值和二级损伤能量值，进而根据一级损伤能量值和二级损伤能量值构建层间缺陷数值模型检测数据库。

步骤S1包括以下分步骤：

S11、对无砟道床与路基层间缺陷类型进行归类以确定无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征。

具体地，本发明对无砟道床与路基层间缺陷类型进行归类，确定无砟道床与路基层间缺陷类型包括：底座板与路基表层离缝、支撑层与路基表层离缝、底座板与路基表层脱空、支撑层与路基表层脱空。

本发明确定无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征包括缺陷几何三维形体尺寸；缺陷的空间位置(具体指空间坐标)。

S12、确定无砟道床的类型。

具体地，本发明确定的无砟道床的类型包括CRTS I型板式无砟道床、CRTS I型双块式无砟道床、CRTS II型板式无砟道床、CRTS II型双块式无砟道床、CRTS III型板式无砟道床、隧道内无砟道床以及道岔区无砟道床。

S13、根据分步骤S12中无砟道床的类型，利用分步骤S11中无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征，构建无砟道床与路基结构的数值孪生模型。

具体地，本发明根据无砟道床的类型，利用无砟道床与路基层间缺陷的典型分布特征，并结合无砟道标准设计图构建无砟道床与路基结构的数值孪生模型。

S14、利用分步骤S13中无砟道床与路基结构的数值孪生模型，计算无砟道床与路基结构的冲击声压场以获取一级损伤能量值和二级损伤能量值，并根据一级损伤能量值和二级损伤能量值构建层间缺陷数值模型检测数据库。

具体地，本发明计算无砟道床与路基结构的冲击声压场以获取一级损伤能量值和二级损伤能量值，根据一级损伤能量值和二级损伤能量值构建层间缺陷数值模型检测数据库，并将包含一级损伤能量值和二级损伤能量值的层间缺陷数值模型检测数据库数据储存至分析仪。

本发明计算无砟道床与路基结构的冲击声压场，包括以下步骤：

A1、计算冲击构件与道床板之间冲击接触量，表示为：

其中：K

具体地，本发明计算冲击构件的变形值，表示为：

其中：δ

本发明计算道床板的变形值，表示为：

其中：δ

A2、根据A1中的冲击构件与道床板之间冲击接触量，计算微型机械波激振器对道床板冲击载荷持续时间，表示为：

其中：t

具体地，本发明计算冲击构件与道床板接触时的法向力，表示为：

其中：P为冲击构件与道床板接触时的法向力，δ为相对变形量。

A3、确定最小网格划分尺寸，表示为：

Δx≤A·λ

其中：Δx为数值模拟中的最小网格划分尺寸，A为常数，λ

具体地，本发明计算应力波的最小波长，表示为：

λ

其中：λ

本发明计算数值模拟中冲击的最大频率，表示为：

f

其中：f

A4、根据A1中的冲击构件与道床板之间冲击接触量、A2中的微型机械弹射激振器对道床板冲击载荷持续时间和A3中的最小网格划分尺寸，计算无砟道床与路基结构的冲击声压场。

S2、设置基于声弹性耦合的现场检测装置，并利用基于声弹性耦合的现场检测装置获取清洗后的层间检测声压信号。

在本发明的一个可选实施例中，本发明设置基于声弹性耦合的现场检测装置，并利用基于声弹性耦合的现场检测装置获取清洗后的层间检测声压信号，使得到的层间检测声压信号具有更高的信号强度和信号灵敏度，提升了携带层间缺陷信息的精准度，并且节省了检测成本。

基于声弹性耦合的现场检测装置包括微型机械弹射激振器、宽频声压感知器、二级自适应主动清洗模块和采集调节器。

如图2所示，本发明提供了基于声弹性耦合的无砟道床与路基层间缺陷检测的二维示意图，其中基于声弹性耦合的现场检测装置包括微型机械弹射激振器1、宽频声压感知器2、二级自适应主动清洗模块和采集调节器3。微型机械弹射激振器1、采集调节器3均与分析仪4连接。宽频声压感知器2与采集调节器3连接。并且，本发明提供了无砟道床与路基层间隐蔽脱空病害5、钢轨6、无砟道道床板7、CA砂浆层8、底座混凝土层9和路基结构10的相对位置关系。

声弹性耦合指的是采用固体力学与声学耦合的办法来进行结构质量的无损评估。本发明利用微型机械弹射激振器1在无砟道床板7表面激发振动波，振动波将会依次向下传播，穿过无砟道床板7、CA砂浆层8、底座混凝土层9，进入无砟道床与路基层间隐蔽脱空病害5中，进而会引发孔隙中的空气振动，空气振动就会以声传播的方式被布置在轨道周围的宽频声压感知器2所捕捉到，因而就确定了层间脱空病害。本发明根据宽频声压感知器2得到的声音大小关系，计算得到能量值，进而可以判断脱空空洞的大小，实现病害分级。

步骤S2包括以下分步骤：

S21、将微型机械弹射激振器设置在待测道床板表面的测点处以产生经混凝土与路基表层接触缺陷转化后的层间检测声压信号。

具体地，本发明将微型机械弹射激振器设置在待测道床板表面的测点处。微型机械弹射激振器中的控制模块接收到分析仪信号，对道床板施加机械波。机械波传递时在脱空处引起气压波动，在空气中产生层间检测声压信号。

如图3所示，微型机械弹射激振器包括微型机械弹射激振器的控制模块11、微型机械弹射激振器的机械弹射模块12和微型机械弹射激振器的激励构件13。

微型机械弹射激振器中的启动控制方程，表示为：

S

其中：S

微型机械弹射激振器激振发生时内部冲击构件对道床板的冲击速度方程，表示为：

其中：v

S22、将宽频声压感知器和二级自适应主动清洗模块封装为整体，并将其垂直设置于道床板方向，以接收分步骤S21中微型机械弹射激振器产生的层间检测声压信号，并对层间检测声压信号进行处理以产生清洗后的层间检测声压信号。

具体地，本发明将宽频声压感知器和二级自适应主动清洗模块的整体结构垂直设置于道床板方向，通过宽频声压感知器接收空气中产生经混凝土与路基表层接触缺陷转化后的层间检测声压信号，避免了宽频声压感知器与道床板表面耦合不便的问题，并且接收的检测声压信号可视为单一瑞利波，减少其他波型对数据后续处理分析的影响，有效提高了检测效率和准确率。

本发明对层间检测声压信号进行处理以产生清洗后的声压信号。具体为：对层间检测声压信号进行一级清洗以去除空气噪声，产生去除空气噪声的层间检测声压信号；对去除空气噪声的层间检测声压信号进行二级清洗以去除层间检测声压信号中的噪声，以产生清洗后的层间检测声压信号。本发明通过二级自适应主动清洗模块能实现对层间检测声压信号的噪声清理，提高层间检测声压信号的有效利用率。

二级自适应主动清洗模块的控制方程表示为：

其中：y(k)为清洗后的层间检测声压信号，w

S23、将采集调节器与宽频声压感知器相连以采集调节分步骤S22中宽频声压感知器产生的清洗后的层间检测声压信号。

具体地，采集调节器实时采集宽频声压感知器产生的清洗后的层间检测声压信号，并将采集到的清洗后的层间检测声压信号实时上传至分析仪。

S3、根据步骤S1中的层间缺陷数值模型检测数据库和步骤S2中清洗后的层间检测声压信号，确定无砟道床与路基层间缺陷的检测结果。

在本发明的一个可选实施例中，本发明利用分析仪接收采集调节器实时上传的清洗后的层间检测声压信号。分析仪根据层间缺陷数值模型检测数据库和清洗后的层间检测声压信号，确定无砟道床与路基层间缺陷的检测结果。

具体地，分析仪内部配置了对清洗后的层间检测声压信号进行处理分析的程序，可以对清洗后的层间检测声压信号进行时频域信号处理，能将层间检测声压信号的时域信息和频域信息进行同时呈现，使得到的时频变换后的层间检测声压信号包含更丰富的层间检测信息。

步骤S3包括以下分步骤：

S31、对步骤S2中清洗后的层间检测声压信号进行分解，获取固有振型分量。

步骤S31包括以下分步骤：

S311、获取步骤S2中清洗后的层间检测声压信号的第一极值点和第二极值点。

具体地，本发明将清洗后的层间检测声压信号的上极值点作为第一极值点，将清洗后的层间检测声压信号的下极值点作为第二极值点。

S312、对分步骤S311中清洗后的层间检测声压信号的第一极值点和第二极值点进行三次样条拟合，得到清洗后的层间检测声压信号的第一包络线和第二包洛线。

具体地，本发明将清洗后的层间检测声压信号的上包络线作为第一包络线，并将其下包络线作为第二包络线。

S313、根据分步骤S312中清洗后的层间检测声压信号的第一包络线和第二包洛线，确定清洗后的层间检测声压信号的均值包络线。

S314、根据步骤S2中清洗后的层间检测声压信号和分步骤S313中清洗后的层间检测声压信号的均值包络线，确定初始固有振型分量。

S315、判断分步骤S314中的初始固有振型分量是否满足声压信号的固有振型条件；若是则将初始中间信号分量确定为固有振型分量，否则回到分步骤S311。

具体地，声压信号的固有振型条件包括：初始固有振型分量的极值点和0点的数量相差不超过1个；初始固有振型分量的第一包络线和第二包洛线均值恒为0。

S32、根据分步骤S31中的固有振型分量，获取时频变换后的层间检测声压信号。

步骤S32包括以下分步骤：

S321、对分步骤S31中的固有振型分量进行信号处理，表示为：

其中：d

S322、根据分步骤S321中固有振型分量经信号处理后的数据，计算层间检测声压信号的瞬时幅值，表示为：

其中：β

S323、计算层间检测声压信号的瞬时频率，表示为：

其中：α

S324、根据分步骤S322中层间检测声压信号的瞬时幅值和分步骤S323中层间检测声压信号的瞬时频率，计算层间检测声压信号进行时频变换后的数据，表示为：

其中：y(ω,t)为层间检测声压信号进行变换后的数据，ω为频率，Re为实部符号，k为固有振型分量的总数，j为复数符号。

S325、根据分步骤S324中层间检测声压信号进行变换后的数据，获取变换后的层间检测声压信号，表示为：

其中：ψ(ω，t)为变换后的层间检测声压信号。

S33、根据步骤S1中的层间缺陷数值模型检测数据库和分步骤S32中时频变换后的层间检测声压信号，利用损伤度对比法，确定无砟道床与路基层间缺陷的检测结果。

步骤S33包括以下分步骤：

S331、根据分步骤S32中变换后的层间检测声压信号，计算层间检测声压信号对时间变化下其能量变化规律值，表示为：

S

其中：S

S332、根据分步骤S331中层间检测声压信号对时间变化下其能量变化规律值，计算一级损伤判断能量值，表示为：

E

其中：E

S333、根据分步骤S32中时频变换后的层间检测声压信号，计算层间检测声压信号在时间域中振幅累加的分布函数值，表示为：

S

其中：S

S334、根据分步骤S333中层间检测声压信号在时间域中振幅累加的分布函数值，计算二级损伤判断能量值，表示为：

Q

其中：Q

S335、根据步骤S1中的层间缺陷数值模型检测数据库、分步骤S332中的一级损伤判断能量值和S334中的二级损伤判断能量值，获取一级损伤判断的判断指标和二级损伤判断的判断指标。

具体地，本发明将层间缺陷数值模型检测数据库中的一级损伤能量值减去一级损伤判断能量值以获取一级损伤判断的判断指标，将层间缺陷数值模型检测数据库中的二级损伤能量值减去二级损伤判断能量值以获取二级损伤判断的判断指标。

一级损伤判断的判断指标，其计算值越趋于零时表示无砟道床与路基结构层间存在一级隐蔽损伤的可能性越大，其计算值越大表明无砟道床与路基层间存在一级隐蔽损伤的可能性越小。

二级损伤判断的判断指标，其计算值越趋于零时表示无砟道床与路基层间存在二级隐蔽损伤的可能性越大，其计算值越大表明无砟道床与路基层间存在二级隐蔽损伤的可能性越小。

S336、根据分步骤S335中一级损伤判断的判断指标和二级损伤判断的判断指标，利用损伤度对比法，确定无砟道床与路基层间缺陷的检测结果，表示为：

P＝R{K,G}

其中：P为损伤判断综合指标，R为约束条件，K为一级损伤判断的判断指标，G为二级损伤判断的判断指标。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。