图 4A：为铁路检测定制的超声波检测设备。由赫尔佐格提供。

疲劳缺陷是抵抗动态载荷的钢部件失效的常见原因。出于这个原因，此类部件的适用性评估几乎总是包括旨在检测疲劳缺陷存在的特定检查。不幸的是，检测缺陷可能非常困难。这主要是因为疲劳裂纹通常非常薄，具有可测量的长度和宽度，但厚度可以忽略不计。因此，即使一个大的疲劳缺陷从一个部件的表面延伸出来，它也可能只是一条非常细的、微弱的线，肉眼不容易看到——很容易错过。

有时疲劳缺陷不会延伸到部件的表面，而是完全包裹在其中。这种缺陷被称为内部缺陷或亚表面缺陷，并且基本上是不可见的。这在铁路轮辋和轨头的疲劳缺陷中很常见。例如，图 1(下图)说明了钢轨头的典型横向疲劳缺陷。缺陷被染成绿色，位于钢轨上表面附近，但略低于上表面。重要的问题是：如何检测这些缺陷?一种方法是使用声波能量。

图 1：轨头疲劳裂纹示意图。通常，轨头和轮辋上的裂缝是完全封闭的，不可见的。

图 2(下图)是一张在宁静的夏日午后漂浮在威尼斯运河中的贡多拉的照片。当船滑行时，船头和船夫的桨会产生小波浪。如果我们仔细观察照片中的品红色正方形插图，我们可以看到其中一些波在遇到建筑物的墙壁后被反射回运河中。

图 2. 威尼斯运河中墙壁反射的水波。由 Gary T. Fry 提供。

波动是技术的基本原理，它使我们能够在医学检查中创建身体内部结构的图像，并“看到”实心钢内部的隐形疲劳缺陷。这也是一些动物在完全黑暗中如何定位和捕捉食物，同时避开障碍物、竞争对手和捕食者的方式。该技术被称为超声波、超声波无损检测(NDT)、超声波检测(UT)或回声定位。

顾名思义，超声波检测涉及高频声能。具体来说，超声波意味着超越人类听觉。超声波检测中使用的频率通常在以 500 万赫兹为中心的范围内。这适用于医疗应用以及钢材检测。相比之下，敏感的人耳可检测到的最高频率声音约为 20,000 赫兹。

有四个术语可以帮助我们理解超声波检测的基本特征。为此，我们将再次参考图 2。吊舱是一个波浪发生器。运河中的水是波的传播介质。建筑物的墙壁是波反射器。而你，检查照片的读者，可能被视为检波器。这些是要记住的四个基本术语——都与波有关：产生、传播、反射和检测。

有了这些基本术语，我们就可以描述超声波检测的工作原理。产生高频声能波并将其引入传播介质。如果传播波遇到障碍物——传播介质中的不连续性，例如疲劳缺陷——就会产生反射波。当检测到反射波时，这直接表明传播介质中存在不连续性。

例如，蝙蝠和海豚等动物的回声定位能力可能被认为是超声波测试的一种形式。这些动物以大约 100,000 赫兹的频率发出咔哒声，即超声波能量波。对于蝙蝠来说，传播介质是空气;对海豚来说，它是水。然后，他们能够检测反射波并可视化引起反射的物体——显然非常准确，因为蝙蝠可以通过这种方式检测和捕捉蚊子。

在我们的示例中，传播介质是可能具有内部疲劳缺陷的钢轨。当波在钢中传播时，如果存在缺陷，它将充当反射器，将反射波发送到与原始波相比新的方向。在基本层面上，从缺陷反射的波可以被检测并简单地用于指示缺陷的存在。在全功能应用中，反射波还可用于创建缺陷的精细 3D 视觉图像，并量化其位置、大小、形状和方向。或许作为超声波检测最精细的例子，扫描声学显微镜 (SAM) 可用于创建非常小的物体及其包含的缺陷的 3D 图像。

超声波测试在工程系统的服务评估中具有广泛的应用。图 3(下图)是技术人员使用相控阵超声波检测来检查固定燃气轮机的长螺栓螺纹的照片。如图所示，技术人员只需接近每个螺栓的一端即可进行全面检查。

图 3. 技术人员使用超声波检测来检查燃气轮机上的螺栓。 

图 4A(上图)和图 4B(下图)是为检查钢轨定制的超声波检测技术的照片： A) 安装用于钢轨动态检测的设备(Herzog 系列 7000 Duramax);B) 技术人员在显示器上解释数据。

图 4B：技术人员解读超声波检测数据。由赫尔佐格提供。

疲劳缺陷很难检测到，尤其是当它们完全位于组件内部时。如今，业主可以使用超声波检测技术对他们的关键部件和系统进行无损检测。在铁路应用中，使用超声波检测对钢轨进行常规检查。通过这种方式，可以检测并消除轨头内部的疲劳缺陷。轮辋承受与钢轨相似的动态接触载荷，并且还会产生内部疲劳缺陷。超声波检测可以有效地检测车轮中的这些缺陷。

超声波测试使我们能够使用听不见的声能创建不可见缺陷的图像。这是一项真正受大自然启发的技术。