圖 4A：為鐵路檢測定制的超聲波檢測設(shè)備。由赫爾佐格提供。

疲勞缺陷是抵抗動態(tài)載荷的鋼部件失效的常見原因。出于這個原因，此類部件的適用性評估幾乎總是包括旨在檢測疲勞缺陷存在的特定檢查。不幸的是，檢測缺陷可能非常困難。這主要是因為疲勞裂紋通常非常薄，具有可測量的長度和寬度，但厚度可以忽略不計。因此，即使一個大的疲勞缺陷從一個部件的表面延伸出來，它也可能只是一條非常細的、微弱的線，肉眼不容易看到——很容易錯過。

有時疲勞缺陷不會延伸到部件的表面，而是完全包裹在其中。這種缺陷被稱為內(nèi)部缺陷或亞表面缺陷，并且基本上是不可見的。這在鐵路輪輞和軌頭的疲勞缺陷中很常見。例如，圖 1(下圖)說明了鋼軌頭的典型橫向疲勞缺陷。缺陷被染成綠色，位于鋼軌上表面附近，但略低于上表面。重要的問題是：如何檢測這些缺陷?一種方法是使用聲波能量。

圖 1：軌頭疲勞裂紋示意圖。通常，軌頭和輪輞上的裂縫是完全封閉的，不可見的。

圖 2(下圖)是一張在寧靜的夏日午后漂浮在威尼斯運河中的貢多拉的照片。當(dāng)船滑行時，船頭和船夫的槳會產(chǎn)生小波浪。如果我們仔細觀察照片中的品紅色正方形插圖，我們可以看到其中一些波在遇到建筑物的墻壁后被反射回運河中。

圖 2. 威尼斯運河中墻壁反射的水波。由 Gary T. Fry 提供。

波動是技術(shù)的基本原理，它使我們能夠在醫(yī)學(xué)檢查中創(chuàng)建身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像，并“看到”實心鋼內(nèi)部的隱形疲勞缺陷。這也是一些動物在完全黑暗中如何定位和捕捉食物，同時避開障礙物、競爭對手和捕食者的方式。該技術(shù)被稱為超聲波、超聲波無損檢測(NDT)、超聲波檢測(UT)或回聲定位。

顧名思義，超聲波檢測涉及高頻聲能。具體來說，超聲波意味著超越人類聽覺。超聲波檢測中使用的頻率通常在以 500 萬赫茲為中心的范圍內(nèi)。這適用于醫(yī)療應(yīng)用以及鋼材檢測。相比之下，敏感的人耳可檢測到的最高頻率聲音約為 20,000 赫茲。

有四個術(shù)語可以幫助我們理解超聲波檢測的基本特征。為此，我們將再次參考圖 2。吊艙是一個波浪發(fā)生器。運河中的水是波的傳播介質(zhì)。建筑物的墻壁是波反射器。而你，檢查照片的讀者，可能被視為檢波器。這些是要記住的四個基本術(shù)語——都與波有關(guān)：產(chǎn)生、傳播、反射和檢測。

有了這些基本術(shù)語，我們就可以描述超聲波檢測的工作原理。產(chǎn)生高頻聲能波并將其引入傳播介質(zhì)。如果傳播波遇到障礙物——傳播介質(zhì)中的不連續(xù)性，例如疲勞缺陷——就會產(chǎn)生反射波。當(dāng)檢測到反射波時，這直接表明傳播介質(zhì)中存在不連續(xù)性。

例如，蝙蝠和海豚等動物的回聲定位能力可能被認為是超聲波測試的一種形式。這些動物以大約 100,000 赫茲的頻率發(fā)出咔噠聲，即超聲波能量波。對于蝙蝠來說，傳播介質(zhì)是空氣;對海豚來說，它是水。然后，他們能夠檢測反射波并可視化引起反射的物體——顯然非常準確，因為蝙蝠可以通過這種方式檢測和捕捉蚊子。

在我們的示例中，傳播介質(zhì)是可能具有內(nèi)部疲勞缺陷的鋼軌。當(dāng)波在鋼中傳播時，如果存在缺陷，它將充當(dāng)反射器，將反射波發(fā)送到與原始波相比新的方向。在基本層面上，從缺陷反射的波可以被檢測并簡單地用于指示缺陷的存在。在全功能應(yīng)用中，反射波還可用于創(chuàng)建缺陷的精細 3D 視覺圖像，并量化其位置、大小、形狀和方向。或許作為超聲波檢測最精細的例子，掃描聲學(xué)顯微鏡 (SAM) 可用于創(chuàng)建非常小的物體及其包含的缺陷的 3D 圖像。

超聲波測試在工程系統(tǒng)的服務(wù)評估中具有廣泛的應(yīng)用。圖 3(下圖)是技術(shù)人員使用相控陣超聲波檢測來檢查固定燃氣輪機的長螺栓螺紋的照片。如圖所示，技術(shù)人員只需接近每個螺栓的一端即可進行全面檢查。

圖 3. 技術(shù)人員使用超聲波檢測來檢查燃氣輪機上的螺栓。 

圖 4A(上圖)和圖 4B(下圖)是為檢查鋼軌定制的超聲波檢測技術(shù)的照片： A) 安裝用于鋼軌動態(tài)檢測的設(shè)備(Herzog 系列 7000 Duramax);B) 技術(shù)人員在顯示器上解釋數(shù)據(jù)。

圖 4B：技術(shù)人員解讀超聲波檢測數(shù)據(jù)。由赫爾佐格提供。

疲勞缺陷很難檢測到，尤其是當(dāng)它們完全位于組件內(nèi)部時。如今，業(yè)主可以使用超聲波檢測技術(shù)對他們的關(guān)鍵部件和系統(tǒng)進行無損檢測。在鐵路應(yīng)用中，使用超聲波檢測對鋼軌進行常規(guī)檢查。通過這種方式，可以檢測并消除軌頭內(nèi)部的疲勞缺陷。輪輞承受與鋼軌相似的動態(tài)接觸載荷，并且還會產(chǎn)生內(nèi)部疲勞缺陷。超聲波檢測可以有效地檢測車輪中的這些缺陷。

超聲波測試使我們能夠使用聽不見的聲能創(chuàng)建不可見缺陷的圖像。這是一項真正受大自然啟發(fā)的技術(shù)。