CN104364642A - 用于确定和监测轨道状况变化的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本文所公开的实施例涉及用于确定多晶材料中残余应力的各种系统和方法。该系统包括非破坏性地评估材料状况的超声波检查装置。常见的超声波检查装置例如包括脉冲发生器-接收器。脉冲发生器-接收器包括产生电信号的脉冲发生器用于接收所述电信号的接收器。

Description

用于确定和监测轨道状况变化的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日提交的且题为“用于确定和监测轨道状况变化的系统和方法(Systems and Methods to Determine and MonitorChanges in Rail Conditions)”的美国临时申请61/794,534以及于2012年3月21日提交的且题为“用于确定多晶材料中残余应力的方法(Method toDetermine Residual Stress in Polycrystalline Materials)”的美国临时申请61/613,683的优先权，所述临时申请在此以全文引用并入本文。

技术领域

本申请总体上涉及用于确定和监测轨道状况(包括与应力相关的状况)中的变化的系统和方法。具体地，实施例涉及用于在轨道路轨的较大区域上测量残余轨道应力的系统和方法，以减少与应力相关的问题，诸如轨道裂缝以及轨道扭曲。

背景技术

为了本申请的目的，参照多晶材料论述系统和方法(或“系统”)的示例性实施例，但该系统可应用于任何非均质材料，诸如次晶材料。多晶材料是由微观结构构成的一种材料，其包括具有不同取向的多个较小的微晶或晶粒。取决于生长和加工条件，被称为纹理的在晶粒方向上的变化可为随机的或定向的。晶粒也可在尺寸、变形(伸长率)以及晶粒之间的空隙空间或孔隙度方面进行变化。

多晶材料包括几乎所有常见的金属和许多陶瓷。多晶材料是一种固体结构，例如，钢或黄铜，当其冷却时在材料内的不同点形成液晶。

多晶材料的一个示例是钢。为了示例性的目的，该系统参照为铁路轨道形式的钢来论述，但该系统也可应用于任何形式或大小或形状的任何材料，对于该材料而言，希望随着时间的推移确定和监测性能以便评价应力和缺陷状况。

以前的研究试图研发测量纵向应力的方法。在轨道较大区域上纵向应力是一个问题。应力是每单位面积的力的量度，通常表示为每平方英寸(psi)的磅力。术语“纵向”是指“沿着主轴(或长轴)”，而不是指“纬度方向”，纬度方向是指“沿着宽度”、横向或横跨。

纵向轨道应力(“LRS”)通常涉及由于温度变化导致的轨道收缩和膨胀。纵向轨道应力导致失效，失效为承载能力的丧失。失效的示例包括例如扭曲和裂缝。轨道在低温环境下经受拉伸应力，其可导致轨道裂缝或分离成两段或多段。在高温下，轨道经受压缩应力，其可导致扭曲或翘曲。拉伸应力是导致膨胀(体积增加)的一种应力状态，而压缩应力是导致压紧(体积减小)的一种应力状态。应当指出的是，零应力状态是当材料不经受任何应力的一种状态。除此之外，失效导致脱轨和服务中断。

测量纵向轨道应力的能力是铁路行业中的一项挑战。因存在占据较大区域的轨道路轨，轨道由于每天和季节性的温度变化而容易地膨胀和收缩的能力被降低。因此，会形成高的纵向应力，这进而可能导致失效。

以前的研究研发出确定纵向应力的新方法。然而，经加工的金属(诸如钢轨)还包含来自制造过程中的残余应力。残余应力是当没有外部负荷施加到材料上时存在于材料中的应力。这种应力往往在制造过程中产生以及由在制造过程中产生的热变化、几何变化或材料相变而导致。例如，金属部件往往在高温下形成，使得铸造、锻造或挤塑成为可能。当部件冷却到室温时，产生热梯度(例如，外部比内部更快地冷却)，从而在部件内产生应力。残余应力有时是制造过程所希望的结果。例如，在使用过程中，往往在接近制造过程末时对与其它表面(诸如铁路车轮或轨头)接触的表面用水或油进行淬火。淬火导致表面非常迅速地冷却，并且淬火锁住大量的压缩残余应力。该应力是所希望的，因为它减少在车轮或轨道表面附近裂纹形成或蔓延的可能性。残余应力也可能是有害的，因为如果不受控制它就会促进裂纹扩大。最后，使用各种材料沉积工艺形成的薄膜也可具有导致薄膜变形的较高残余应力。

在首次安装时，轨道需要被“设定”在一定的温度下以便将在典型极端天气时该位置处的温度梯度最小化(最小化LRS)。例如，在极端天气时的一些位置处，室外温度可在从早上的20°F到下午的100°F的范围内变化。在80°F温度下安装轨道将导致仅与20°F的温度变化成比例的压缩应力。如果在40°F的温度下安装轨道，60°F的温度变化将由于较大的温度梯度而产生高得多的压缩应力。一个目标就是将压缩应力最小化，因为与通过由压缩导致的扭曲路轨相比，火车更容易通过具有由张力所导致的小的裂缝的路轨。

因此，在本领域内需要用于评价和说明残余应力的系统和方法。

发明内容

所述系统确定和监测轨道中的残余应力。在最广泛的形式下，所述系统包括超声波检查装置、能量转换装置、电子测试装置、计算装置和导航装置。

所述系统包括非破坏性地评价材料状况的超声波检查装置。常见的超声波检查装置例如包括脉冲发生器-接收器。脉冲发生器-接收器包括用于产生电信号的脉冲发生器和用于接收电信号的接收器。

示例性的系统包括超声波传感器单元，其包括多个超声波换能器，所述超声波换能器配置成以脉冲-回波模式(使用单个换能器)或以脉冲-接收模式(通过两个或多个换能器)操作，以便将超声波传送到在结构样品上或其内的目标区域以及接收响应于该超声波的超声波反向散射信号；以及配置成用于接收超声波反向散射信号的评估模块，所述评估模块配置成用于对超声波反向散射信号进行信号分析并确定所述样品的一个或多个微观结构材料性能，并估计残余应力的影响。

一个示例性的系统包括一种系统和方法，其中能量转换装置附连到轨道车辆以便执行“滚动”系统。“滚动”系统允许所述系统成为可移动的，同时允许在铁路路轨的较大区域内确定和监测轨道状况。还可以设想到“滚动”系统可与其它轨道测量技术集成，诸如由Shane Farritor研发出的轨道偏转系统，或与缺陷检测车辆集成，诸如像由斯佩里铁路服务(SperryRail Service)或赫尔佐格服务(Herzog Services)使用的那些。

一个示例性系统提供成用于动态地和非破坏性地确定和监测残余轨道应力。用于以超声波的方式评估铁路轨道的一个或多个微观结构性能的系统包括超声波传感器单元，其包括多个超声波换能器，所述超声波换能器配置成以脉冲-回波模式操作以便将超声波传送到在铁路轨道上或其内的目标区域以及接收响应于超声波的超声波反向散射信号，多个超声波换能器包括配置成用于将纵向模式波的超声波引发到轨道内的垂直入射超声波换能器以及配置成将剪切波模式的超声波引发到轨道内的至少一个倾斜入射超声波换能器；以及配置成用于接收超声波反向散射信号的评估模块，所述评估模块配置成用于对超声波反向散射信号执行空间变异算法并确定铁路轨道的一个或多个微观结构材料性能。

用于以超声波的方式确定结构样品的一个或多个微观结构材料性能的示例性系统包括将多个脉冲超声波传送到结构样品上的单个点上；感测响应于脉冲超声波的超声波反向散射信号；选择用于分析超声波反向散射信号的时间窗口；对在时间窗口内的超声波反向散射信号执行空间变异计算；以及确定结构样品的一个或多个微观结构材料性能。

这些和其它优点以及本发明本身将在如下文更全面地描述和要求保护的结构和操作的细节中变得显明。此外，应当理解的是，本发明的若干方面可在其它希望监测应力的应用中使用。

附图说明

图1示出根据一个示例性实施例的用于确定和监测轨道中应力的流程图；

图2示出根据另一示例性实施例的用于确定和监测轨道中应力的流程图；

图3示出根据图2所示实施例的用于确定和监测轨道中应力的系统的特定实施例；

图4示出根据图2所示实施例的用于确定和监测轨道中应力的换能器系统的特定实施例；

图5示出与模型相比的取自图2所示系统的示例性测量值；

图6示出流程图，该流程图示出根据图2所示实施例的系统的一个实施例；

图7示出由轨道测量系统的某些实施例所给出读数的示例；

图8示出根据一个实施例的示例性反向散射结果；

图9示出根据一个实施例的示例性反向散射结果；

图10示出根据一个实施例的理论上的反向散射应力结果；

图11示出根据一个实施例的来自多个换能器的反向散射结果；

图12示出根据一个实施例的来自多个换能器的反向散射结果；

图13示出根据一个实施例的反向散射结果，所述结果示出纵向残余应力；

图14示出根据一个实施例的反向散射结果，所述结果示出晶粒尺寸的计算；

图15A至15D示出从本发明的系统和其它各种方法得到的残余应力测量值。

具体实施方式

现在将参照如附图中所示的某些实施例来对该系统和方法的示例性实施例进行详细地描述。在下面的描述中，对许多具体细节进行了阐述，以便提供对系统以及它可如何应用方面的透彻理解。然而，对于本领域内的技术人员而言将清楚的是可在没有这些具体细节的其中一些或所有的情况下实施该系统。在其它情况下，未对公知的工艺步骤和/或结构进行详细描述以避免不必要地使本系统的说明模糊不清。

本文所公开的各种系统和方法涉及用于分析材料的非破坏性技术。更具体地，各个实施例涉及各种轨道装置，包括成像和分析装置以及相关的方法和系统。

图1是根据本发明系统的示例性实施例先前建立的系统的简单框图200，该系统利用超声波的反向散射确定和监测微观结构性能。在该实施例中，电压源210生成电信号，其被传送213以便激发换能器222。换能器222将电信号转换成传播通过样品280的超声波215。超声波215还由利用脉冲-回波技术的换能器222接收。还可以设想到全球定位系统(GPS)230可以特定的时间间隔确定超声波测量215的位置。数字信号处理器240捕获来自接收超声波换能器的传送217数据，使得可以确定晶粒尺寸、晶粒伸长率、纹理和孔隙度。例如可使用红外温度检测器来独立地测量温度。数字信号处理器240经传输219将数据提供给计算机250以便进行处理。各个源和接收换能器可协同使用，这样由单个源换能器所产生的反向散射可由多个接收换能器来记录和进行分析。大量信号用于计算空间变异值。可计算该空间变异以确定微观结构中的变化。

微观结构中的变化可通过检查理论上的空间变异与用于确定样品中应力状态的测量值之间的不同来确定，如以前已经描述的那样。计算机250还可包括用于存储数据的数据库260。存储于数据库260中的数据包括作为位置的函数在特定的时间间隔上的晶粒尺寸、晶粒伸长率、纹理和孔隙度。数据还包括可从波速度中的变化来确定的晶粒尺寸、晶粒伸长率、纹理和孔隙度。该数据可与存储在数据库260内的一组数据进行比较以便确定和监测材料280状况中的变化。

图2提供分析系统的特定示例性实施例的又一先前呈现的概略图。图2是用于以超声波的方式分析结构样品12的微观结构性能的示例性系统10的框图。如图2中所示，系统10包括超声波传感器单元14和评估模块16，其可用于通过分析传送到样品12内的超声波的超声波反向散射效果来分析在结构样品12上或其内的一个或多个目标位置18处的局部应力。在某些实施例中，例如，系统10可用于通过分析从所述超声波传感器单元14传送到在样品12上或其内的目标位置18的多个超声波的超声波反向散射性能来确定微观结构材料性能，诸如铁路轨道样品12内的应力和应变。系统10还可用于分析其它类型的结构，诸如堤坝、桥梁、建筑物、储罐，和压力容器。

所述超声波传感器单元14包括多个超声波换能器20、22、24，每一个超声波换能器都配置成以脉冲-回波模式操作以便将脉冲的超声波传送到结构样品12内。将这些超声波传送到结构样品12内并且将这些超声波从结构样品12反射得到超声波反向散射，然后由以接收模式操作的超声波换能器20、22、24感测超声波反向散射。在一些实施例中，并且如本文参照图4进一步论述的那样，超声波传感器单元14包括配置成用于以相对于结构样品12的表面成倾斜角的方式传送入射超声波的两个超声波换能器20、22，以及以垂直于结构样品12表面的方式传送超声波的第三超声波换能器24。在其它实施例中，超声波换能器20、22、24的数目和配置可有所不同。例如，附加的超声波换能器可用于产生倾斜和垂直入射超声波并将其传送到样品12内。此外，在一些实施例中，单独的超声波换能器配置成以传送或接收模式独立地操作，并且由传送模式下的一个换能器所产生的超声波可由接收模式下的其它传感器接收。在一些实施例中，诸如水或油或固体耦合剂的声学耦合介质可放置于传感器单元壳体内以便有助于将超声波换能器20、22、24声学耦合到结构样品12。在一些实施例中，超声波传感器单元14是固定的。在其它实施例中，超声波传感器单元14配置成沿着样品12表面移动。在对铁路轨道的评估过程中，例如，超声波传感器单元14可固定地耦联到轨道或配置成沿着轨道表面诸如轨头或轨腰移动。

评估单元16配置成用于评估由以接收模式操作的每个超声波换能器20、22、24所接收到的超声波反向散射信号。在一些实施例中，评估单元16包括控制器26、模拟数字(A/D)和数字模拟(D/A)转换器28，以及脉冲发生器/接收器30。基于来自控制器26的控制信号，脉冲发生器/接收器30将电信号提供到超声波换能器20、22、24以便以传送模式产生脉冲的超声波。然后由脉冲发生器/接收器30对在超声波换能器20、22、24上所接收到的所得到的超声波反向散射波进行处理、数字化，并回馈到控制器26，以便由自相关算法32进行分析从而确定结构样品12的一个或多个微观结构性能。

从每个超声波换能器20、22、24所获得的超声波反向散射数据可被存储在记录单元34内和/或可被中继到一个或多个其它装置以便进一步处理。在一些实施例中，记录单元34存储从各超声波换能器20、22、24所获得的原始数据、通过自相关算法32计算出的结构数据，以及由系统所用于获得原始数据和计算出的数据的控制和操作参数。

在一些实施例中，评估单元16还包括诸如全球定位系统(GPS)装置的位置识别器36以便获取全球位置数据，所述全球位置数据可与由超声波传感器单元14所获得的反向散射数据测量值相关联。在一些实施例中，这种定位数据可用于跟踪超声波传感器单元14相对于所述结构样品12的位置，从而使得随着时间的推移所获得的反向散射数据测量值与样品12上的相应位置相关联。在对铁路轨道进行分析的过程中，例如，来自位置识别器36的全球位置数据可用于将沿着轨道特定位置所获得的反向散射数据测量值进行关联和得出趋势。在一些实施例中，系统10配置成得出该数据的趋势以便生成整个轨道的应力梯度场。与使用应变仪以便获得在沿着轨道的离散位置处的局部测量值的结构健康状态监测技术相比，系统10可用于分析整个结构内的应力和应变，从而提供对结构实际状况的更好认识。

用户界面38配置成用于允许用户查看和分析经由超声波传感器单元14所获得的原始数据和经处理的数据、对评估单元16进行编程以及执行其它的系统功能。在某些实施例中，用户界面38包括图形用户界面(GUI)，其可用于以实时的方式或基于存储在记录单元34内的数据来查看与一个结构或多个结构相关联的图表、表格或其它可视化数据。在一些实施例中，数据发送器/接收器40配置成用于在评估单元16和装配有远程用户界面的远程装置42之间以无线的方式来回中继数据、设置和其它信息。由于具有用户界面38，远程用户界面44也可用于查看经由超声波传感器单元14所获得的原始数据和经处理的数据、对评估单元16进行编程以及执行其它的系统功能。在一些实施例中，远程装置42可进一步配置成运行自相关算法32，以确定结构样品12的一个或多个特征(例如，应力、应变等)。

评估单元16和/或远程装置42的一个或多个组件可以软件、硬件或两者的组合来实施。在一些实施例中，本文所述的系统和方法可作为可编程计算机或包括具有易失性和/或非易失性存储器的数据存储系统的处理器上的计算机可读指令来执行。

图3是用于以超声波的方式分析铁路轨道48的微观结构性能的示例性系统46的示意图。图2例如可表示用于测量连续焊接轨道(CWR)样品中的温度导致的纵向应力的图2所示系统10的实施方式。在图3所示的示例性实施例中，超声波传感器单元14经由臂和旋转轮组合件52耦联到轨道车辆40，并且配置成将超声波传送到轨道48的部分诸如轨头54或轨腰56内。在其它实施例中，超声波传感器单元14可耦联到轨道车辆50上的其它位置，包括车轮58之一。在一些实施例中，多个超声波传感器单元14可耦联到轨道车辆50，并且可配置成感测沿着同一轨道48或沿着两个轨道48的不同位置。在一些实施例中，例如，第一超声波传感器单元14的任务是获得沿着第一轨道的超声波反向散射测量值而第二超声波传感器单元14的任务是获得沿着另一轨道的超声波反向散射测量值。多个超声波传感器单元14可用于测量沿同一轨道的不同位置，诸如轨道轨腰和轨头。其它配置也是可能的。

在轨道车辆50沿着轨道移动的过程中，超声波传感器单元14将超声波传送到轨道48内并感测所得到的反向散射波。该数据然后被馈送到评估单元16以便进行分析。经由GPS系统60所获得的位置数据还由评估单元16接收，并连同反向散射测量值一起存储于记录单元34内。在一些实施例中，原始的反向散射数据和位置数据以无线的方式传送到远程装置42，其处理所述数据以便确定与轨道48相关联的一个或多个微观结构性能。在其它实施例中，评估单元16计算出与轨道48相关联的一个或多个微观结构性能并将该数据以实时的方式或在稍后的时间传送到远程装置42以便进行进一步的分析。在某些实施例中，评估单元16配置成将原始数据和经处理的数据存储于记录单元34内并以周期性的间隔和/或根据需要将该数据传送到远程装置42。

图4是用于在结构样品中产生纵向和斜向超声波反向散射的示例性几何超声波换能器配置的示意图。图4例如可表示由图2所示的超声波传感器单元14使用的超声波换能器20、22、24的示例性空间配置。在图4所示的实施例中，两个超声波换能器20、22相对于结构样品12的入射表面62以不同的倾斜角度取向，并且配置成产生/检测在分别大致由箭头64和66分别所示方向上的剪切波超声波。第三超声波换能器24接着垂直于入射表面62取向，并且配置成产生/检测在大致由箭头68所示方向上的纵波超声波。重要的是要注意到，在换能器之间可发生传送和接收的任何组合，这样由一个换能器所产生的信号可由一个或多个其它换能器接收。

在诸如铁路轨道的多晶材料中，超声波反向散射通常由在晶界处由于单晶弹性模量变化而发生的大量反射和折射导致。晶界是单相界面，其中在晶界每一侧上的晶体除了它们的取向之外几乎相同。超声波在多晶材料中的散射通过该材料弹性模量的协方差与所施加的应力相关联。垂直入射(即纵向)和倾斜入射(即剪切)测量值随施加的应力而变化，尽管变化的程度基于包含多个变量的函数而有所不同。为了以统计学的方式得到晶粒的各向同性分布情况，可以闭型(closed-form)计算模量的协方差。

在一些实施例中，基于漫射的超声波反向散射的统计方法可用于获得关于材料微观结构的信息，包括裂纹、空隙、夹杂物的存在和位置或会损害结构强度和耐疲劳性的其它性能。统计方法也可用于求出金属中的晶粒尺寸，其中粒径在超声波波长的数量级内。对于诸如由图2所示系统10所使用的脉冲-回波配置而言，评估单元16可配置成在对应于材料体积内不同位置的部分时域响应上执行统计分析。在一些实施例中，统计模型将超声波换能器20、22、24的传递函数连同从非均匀介质产生的适当时域散射响应考虑在内以便进行分析。如果材料的空间微观结构性能以先验性的方式已知，则可从弹性模量的协方差推断出材料内的应力场。

图5示出图表70，其示出与从钢样品所获得的实验波形数据74相比较的从单一散射响应(SSR，single scattering response)模型所获得的示例性反向散射响应Φ(t)数据72。如图5中所示，超声波散射测量值在不同测量位置产生非均匀的或“带有噪声”的样品幅值，且来自不同测量位置的样品可以是不同的，因此为了分析这些信号，必须使用复杂的统计方法，如本文所论述的那样。对于其中剪切波能量比纵向模式低数个数量级的垂直入射配置而言，SSR模型数据72在初始响应时间段(即约40微秒)内非常接近于实验波形数据，然后在响应的后面部分偏离于散射信号。这种偏离可归因于高阶散射效应，因为增加的时间受到多重散射的影响。

图6是使用图2所示的系统10和自相关函数的用于确定和监测微观结构材料性能变化的所建立的示例性方法的框图76。方法76通常可由框78开始，在框78处将超声波传送到结构样品12内以便在样品材料内产生超声波反向散射。在一些实施例中，例如，包括各自以传送模式操作的多个超声波换能器20、22、24的超声波传感器单元14可用于在样品12内产生纵波和剪切波以便形成可测量的超声波反向散射。在一些实施例中，使用脉冲发生器/接收器30所产生的高斯调制脉冲来激发超声波换能器20、22、24，所述脉冲发生器/接收器30诸如为可购自于纽约皮茨福德(Pittsford，New York)的想象和JSR超声公司(Imaginant and JSR Ultrasonics)的DPR500。

如图2和图4最佳示出的那样，在示例性系统中，通过将超声波传送到样品内所产生的超声波反向散射数据由以接收模式操作的超声波换能器20、22、24感测(框80)。这已经先前在PCT申请PCT/US2011/062383中有所描述，该申请于2012年6月7日公布且题为“用于以超声波的方式评估结构性能的系统和方法(System and Method for UltrasonicallyEvaluating Structural Properties)”，该申请通过引用并入本文。简而言之，使用反向散射数据，系统10可以计算出结构样品的一个或多个微观结构材料性能(框96)。在一些实施例中，例如，自相关数据可与校准数据结合使用以便计算在结构样品上每个目标位置处的应力和/或应变以及确定裂纹、空隙、夹杂物或其它异常的位置和存在。使用自相关数据也可以确定其它特性，诸如样品内的应力场梯度。

先前的超声波应力测量技术已被尝试，而这些技术都基于波速度测量，但迄今为止它们都失败了，因为它们具有低的测量分辨率，需要一致的几何形状，而且由于无法评估残余应力而只能够产生相对的测量值。在克服这些限制的尝试中，本系统的示例性实施例旨在提供一种基于应力导致的微观结构变化的绝对应力测量方法而不依赖于材料的几何形状。

可利用纵向到纵向(L－L)、模式转换的纵向到横向(L－T)以及剪切到剪切(T－T)的扫描模式来研究超声波散射对残余应力的依赖性。可在以退火的方式去除经淬火的1080钢块中的残余应力之后用L－L、L－T和T－T模式对空间变异幅值的变化进行量化。图7示出来自多晶材料的示例性超声波散射测量值。

已研发出统计反向散射模型来估测微观结构参数，诸如晶粒尺寸或夹杂物并求出残余应力。这种模型依赖于所谓的空间变异。该量通过扫描材料、收集多个信号，然后从均值平方信号减去平方均值信号而通过实验计算得出。这将确定单个信号和平均值的差异。在该实施例中，信号的空间变异可通过首先确定空间平均值来计算得出：

$b\left(t\right)=\frac{1}{M}\underset{i}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i\left(t\right)$

其中，M是位置的数目以及V_i(t)是在位置i处的测量信号。空间变异公式进一步包括关于换能器和材料的信息。因此所获取的信号的空间变异可表示如下：

$\mathrm{\&Phi;}\left(t\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(V_i\left(t\right)-b\left(t\right))}^2=<V^2>-{<V>}^2$

其中V(t)是在常规的超声波C-扫描中在不同位置处所获取信号的矩阵。

在理想情况下，使用具有<V>²＝0的材料，但并非总是这种情况。当<V>²＝0时，则晶粒完全随机取向并具有相同的晶粒尺寸。变异计算<V²>-<V>²使得材料无需满足这些要求，并允许我们的模型对这些非最优的晶粒性能也适用。在变异计算中所看到的波动大小是在横截面面积上声照(insonified)晶粒数量的函数。在理想的情况下，应收集大量信号以便将由此产生的波动最小化。然而在许多实际应用中，较大的扫描区域由于材料的几何形状和换能器耦联的约束并不总是可行的。

利用三个聚焦的超声波换能器20、22、24来测量超声波反向散射，所述超声波换能器20、22、24以脉冲/回波配置操作并具有诸如图4中所示的几何配置。由于反向散射系数依赖于入射超声波的方向，因此换能器的不同取向将对于单轴负荷更加敏感。因此，倾斜入射的换能器20、22取向为与图4中的轴线3333成16－24°，且生成的剪切波波型在样品12的横截面上正交于彼此传播。垂直入射超声波换能器24产生垂直于加载方向的纵波波型可使用约16至24度的入射角度来在材料中主要产生剪切波。

所述超声波换能器20、22、24可通过充满水的外壳而安装到样品12上，其在换能器和样品12之间提供声学耦合。超声波换能器20、22、24与样品12之间的距离或水程选择成使得每个换能器20、22、24聚焦到相同的晶粒体积上。倾斜入射超声波换能器20、22和垂直入射超声波换能器24分别使用为2.65英寸(6.73厘米)和2.4英寸(6.11厘米)的水程。这些水程在材料内提供约0.16英寸(0.4厘米)的焦深。在某些实施例中，纵波和剪切波速度上的差异可如本领域内已知的那样所考虑。

由于散射可预测当前应力，因此温度数据可用于对轨道进行适当的调节以便将导致压缩应力临界值的较大温度梯度最小化。计算机上的数据库存储数据，包括在特定的时间间隔下的作为位置的函数的波速度的统计量。然后数据库将当前数据与以前的数据(以及随后的数据)进行比较以便确定轨道状况中的变化(如果有的话)。目标是提供一种系统，其提供沿着路轨每一位置的结构完整性的信息。仅进行局部测量往往是不够的，因为相差近至50英尺的位置就可能处于完全不同的结构状态下。

图8示出了根据下述的明确的散射峰值：

Φ(t)=<V²>-<V>²

该峰值由本文公式(1)所述的公式在理论上建模，其包括多个单独的分量。如本文进一步所述的那样，第二项限定当所述换能器由脉冲激发时的输入高斯波束特性，而第一项包含应力依赖性以及具体的依赖于应力的协方差张量，其将在本文中进行定义。

模型化的系数通过建立考虑到噪声和微观结构/材料性能的系数来推导出来：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{LL}}^1\left(t\right)={\mathrm{\&phi;}}_0\left[\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\frac{{\mathrm{\&omega;}}_0^4}{c_L^8}{\widetilde{\mathrm{\&eta;}}}_{\mathrm{LL}}\left(L\right){\mathrm{\&Xi;}}_{...\mathrm{ijkl}}^{...\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}\left(T\right)\right]\exp [-\frac{t^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}]\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\left(\frac{w_0^2}{w^2\left(z\right)}\right)\exp [-4z\frac{c_{L}t-z}{{\mathrm{\&sigma;}}^2{c}_L^2}-4{\mathrm{\&alpha;}}_{L}z]\mathrm{dz}---\left(1\right)$

其中包括空间相关性函数，其是微观结构性能；

包括协方差张量，其是材料性能；

包括依赖于应力的反向散射系数；以及

$\exp [-\frac{t^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}]\underset{-\&infin;}{\overset{\&infin;}{\&Integral;}}\left(\frac{w_0^2}{w^2\left(z\right)}\right)\exp [-4z\frac{c_{L}t-z}{{\mathrm{\&sigma;}}^2{c}_L^2}-4{\mathrm{\&alpha;}}_{L}z]\mathrm{dz}$

包括输入波形和换能器波束特性。

因此，理论上的依赖于应力的反向散射系数给定为：

${\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{LL}}^1\left(t\right)=\left[{\widetilde{\mathrm{\&eta;}}}_{\mathrm{LL}}\left(L\right){\mathrm{\&Xi;}}_{...\mathrm{ijkl}}^{...\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}\left(T\right)\right]\exp [-\frac{t^2}{{\mathrm{\&sigma;}}^2}]$

从该方程中，换能器性能稍后可消除，留下涉及晶粒尺寸和残余应力的项。空间相关性函数被定义为：

${\tilde{n}}_{\mathrm{LL}}\left(L\right)=\frac{L^3}{{\mathrm{\&pi;}}^2{[1+{\left(\frac{4\mathrm{\&pi;f}}{C_L}L\right)}^2]}^2}$

其中L为平均晶粒尺寸。这是依赖于频率的以及依赖于晶粒尺寸的。对频率的依赖性是已知的。

图9至10中示出理论上的空间变异的并入。再次，通过示例的方式，实验结果可被认为是由依赖于应力的项和相关于晶粒尺寸的因数修正的高斯脉冲。该描述产生用于确定残余应力测量值的模型。

图10示出适于不同类型换能器组合的曲线图，该曲线图是预测作为应力的函数的钢和铝的散射幅值的理论曲线图，其中3333/1111代表纵向到纵向的散射，以及2323/1313代表剪切到剪切的散射。同样，各曲线通过从彼此接收并测量不同的应力状态的换能器而给出。

用于依赖于应力的幅度系数预先存在的模型预测为随着应力以二次函数的方式变化。因此适于单晶的在二阶和三阶弹性模量方面的依赖于负荷的有效弹性模量G_ijkl可表示为如下：

G_ijkl＝C_ijkl+(δ_jlδ_kPδ_iQ+2C_ijkrS_lrPQ+C_ijklmnS_mnPQ)T_PQ

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Xi;}}_{...\mathrm{ijkl}}^{...\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}\left(T\right)=<G_{\mathrm{ijkl}}{G}_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}>-<G_{\mathrm{ijkl}}><G_{\mathrm{\&alpha;\&beta;\&gamma;\&delta;}}>\\ =K_0+K_{1}T+K_2{T}^2\end{array}$

其中：

T_PQ是应力张量；

C_ijklmn是限定三阶弹性模量的六阶张量；

C_ijkl是二阶弹性模量张量；以及

S_ijkl＝C_ijkl是二阶柔度张量。当考虑到负荷的具体情况时，诸如当轨道中产生单轴应力时，推导出最后一个方程。对于期望的负荷情况，每个K_i是依赖于材料的系数以及K₀是无应力的系数。

可由在相同的方向上取向的两个不同的换能器进行残余应力的测量，以便分离两个不同的变量：晶粒尺寸L和应力T。鉴于两个换能器具有不同的空间变异，它们由本发明的系统给定为：

其中假定晶粒尺寸L是材料常数，且可用任一换能器同样地测量。

图11至12示出由不同的换能器进行的实际测量。如图所示，使用在7.5MHz和10MHz下的两个浸没式换能器(如前面所述)。对沿着对称轴线的固定水程位置处进行扫描(图18)。超声波焦点设定在轨道内的8毫米处，使得所述反向散射信号在相应的时间下达到最大值。图11至12中示出10MHz至7.5MHz换能器的结果。通过求出响应的比率：

$\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{LL}}^{1,\exp }\left(t\right)={\tilde{n}}_{\mathrm{LL}}\left({L,f}_1\right){\mathrm{\&Xi;}}_{1111}^{1111}\left(T\right)...\&times;o(z,t)}{{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{LL}}^{2,\exp }\left(t\right)={\tilde{n}}_{\mathrm{LL}}(L,f_2){\mathrm{\&Xi;}}_{1111}^{1111}\left(T\right)...\&times;o(z,t)}$

可以分离出依赖于应力的项：

${\mathrm{\&Xi;}}_{1111}^{1111}\left(T\right)...\&times;o(z,t)$

因此，只留下确定相关长度的项：

$\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{LL}}^{1,\exp }\left(t\right)={\tilde{n}}_{\mathrm{LL}}\left({L,f}_1\right)}{{\mathrm{\&Phi;}}_{\mathrm{LL}}^{2,\exp }\left(t\right)={\tilde{n}}_{\mathrm{LL}}(L,f_2)}\&equiv;A$

以及得出晶粒尺寸的近似值：

$L=\frac{C_L}{4\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{\sqrt{A-1}}{f_2^2-\sqrt{A}{f}_1^2}}$

在确定了L之后，该值可代入到任何先前提出的由特纳(Turner)和高沙尔(Ghoshal)2010年提出的模型内，并求解T：

$T=\frac{K_1}{2K_2}+\frac{\sqrt{K_1^2-4(K_0-{\mathrm{\&Xi;}}^{\exp })K_2}}{{2K}_2}$

从而解出晶粒长度L以及应力T。

图13示出所收集波形的计算出的变异。然后根据本文所述的方法求出变异曲线的峰值响应，并且确定晶粒尺寸L和应力T。然后确定压缩应力曲线。

图14示出与使用其中无残余应力校正的现有技术模型所计算出的晶粒尺寸相比较的所估测的晶粒尺寸(使用本文所述的应力补偿模型方法计算)。将考虑应力的晶粒尺寸定义为且将未考虑应力的晶粒尺寸定义为：<δC₃₃₃₃(X)δC₃₃₃₃(X)>。

图15A至15D示出使用本发明方法(图15A)的某些实施例和其它现有技术所获得的纵向残余应力的结果，所述其它现有技术包括中子衍射(图15B)，X射线衍射(图15C)，以及有限元方法(图15D)。从该比较可以清楚看出，本发明的系统和方法能够精确地评估纵向残余应力。

Claims (8)

1.一种用于确定和监测样品微观结构性能的系统，其包括：

a.多个换能器，每个换能器配置成向样品发送超声波和从样品接收超声波；

b.处理器，其配置成从所接收到的超声波信号计算出微观结构性能值。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，样品的微观结构性能选自下述材料性能：残余应力、晶粒尺寸、张力、晶粒伸长率、纹理和孔隙度。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括配置成存储残余应力值的数据库。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个换能器以在约0度至33度之间的角度取向。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，由每个换能器接收到的散射的超声波信号包括纵波和剪切波两者。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括处理器，其配置成从散射的超声波信号计算作为时间的函数的空间变异值。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述样品是轨道。

8.一种用于以超声波的方式检查样品的方法，包括：

a.将超声波从多个换能器传送到样品上的位置；

b.响应于传送的超声波在每一换能器上接收散射的超声波信号；

c.将每个换能器接收到的散射的超声波信号数字化；以及

d.从散射的超声波信号确定残余应力值。