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本书围绕超声导波在道岔尖轨缺陷检测中的应用，系统阐述了导波传播机理、仿真分析、检测系统设计、信号处理及智能识别方法，构建了一套完整的道岔尖轨导波检测技术体系。全书共8章。第1章重点阐述了超声导波检测的研究背景与发展现状，第2章分析了道岔尖轨中超声导波的基本特性，第3章研究了道岔尖轨导波有限元仿真技术，第4章设计了尖轨导波检测系统，第5章提出了基于小波基线的道岔尖轨缺陷检测方法，第6章研究了基于机器学习的智能检测技术，第7章探讨了基于主导模态的道岔尖轨缺陷检测实现方法，第8章通过实验测试和现场测试验证了道岔尖轨检测系统性能。本书适合铁路工程、无损检测、信号处理及人工智能等领域的研究人员、工程技术人员和高校师生参考使用。

第1章  绪论	1
1.1  高速铁路道岔的疲劳损伤机理	1
1.1.1  疲劳损伤形式	2
1.1.2  疲劳损伤机理	3
1.1.3  研究方法	3
1.1.4  未来发展方向	4
1.2  钢轨缺陷检测	5
1.2.1  磁粉检测	5
1.2.2  涡流检测	6
1.2.3  漏磁检测	6
1.2.4  机器视觉检测	7
1.2.5  超声波检测	7
1.2.6  声发射技术	9
1.2.7  机器学习方法	9
1.3  超声导波检测技术	11
1.3.1  超声导波的传播特性	11
1.3.2  超声导波模态分析与信号处理	13
1.3.3  超声导波模态激励方法	16
1.3.4  超声导波无损检测技术	17
1.4  道岔尖轨超声导波检测技术	18
1.5  本书内容结构	20
第2章  道岔尖轨中的超声导波	22
2.1  超声导波的基本特性	22
2.1.1  超声导波的基本概念	22
2.1.2  超声导波的速度和模态	23
2.1.3  超声导波的多模态和频散特性	26
2.2  道岔尖轨中超声导波的传播特性	27
2.2.1  道岔尖轨三维模型构建	28
2.2.2  频散曲线求解	29
2.2.3  振型分析	36
2.3  基于K-Means聚类算法的模态分类方法	49
2.3.1  K-Means聚类算法的基本原理	50
2.3.2  K-Means聚类算法的实现及分析	51
2.4  基于振动位移的激励节点选取	57
本章小结	60
第3章  道岔尖轨导波有限元仿真技术	61
3.1  道岔尖轨有限元仿真概述	61
3.1.1  有限元分析理论基础	62
3.1.2  三维模型构建及网格划分	63
3.1.3  仿真流程	64
3.2  模态振型存在性分析	66
3.2.1  基于波数的模态分析	66
3.2.2  基于位移的振型分析	71
3.3  基于时域特征的接收节点优选方法	76
3.4  质量块模拟缺陷研究	78
3.4.1  模拟缺陷模型构建	78
3.4.2  实验结果及分析	80
本章小结	83
第4章  道岔尖轨导波激励与采集	84
4.1  系统总体方案	84
4.2  超声导波激励与采集系统硬件	85
4.2.1  硬件方案	85
4.2.2  硬件电路	86
4.2.3  超声导波换能器	90
4.3  超声导波激励与采集系统软件	91
4.3.1  软件方案	91
4.3.2  开发工具介绍	91
4.3.3  激励端程序设计	93
4.3.4  接收端程序设计	97
4.4  人机交互界面与算法	100
4.4.1  需求分析	101
4.4.2  界面设计	101
4.4.3  程序设计与滤波算法	102
本章小结	107
第5章  基于小波基线的道岔尖轨缺陷检测	108
5.1  数据集	108
5.2  基于时域基线的道岔尖轨缺陷检测方法	111
5.2.1  信号预处理	112
5.2.2  时域基线法	114
5.3  频域基线法	118
5.4  小波基线法	122
5.5  缺陷识别	125
本章小结	128
第6章  基于机器学习的道岔尖轨缺陷检测方法	129
6.1  基于传统分类器的道岔尖轨缺陷检测方法	129
6.2  机器学习分类结果	133
6.3  基于CNN+LSTM的道岔尖轨缺陷检测方法	134
6.3.1  信号预处理	135
6.3.2  1D-CNN-LSTM道岔尖轨缺陷识别模型	136
6.3.3  1D-ResNet-SE-LSTM道岔尖轨缺陷识别模型	138
6.3.4  实验结果对比	140
本章小结	143
第7章  基于主导模态的道岔尖轨缺陷检测	144
7.1  基于基线法的道岔尖轨缺陷检测方法	144
7.2  超声导波传播特性分析	149
7.2.1  频散曲线求解	149
7.2.2  振型求解	152
7.2.3  基于振动位移的最佳激励节点选取	161
7.3  仿真分析	162
7.3.1  基于有限元仿真的模态存在验证	162
7.3.2  道岔尖轨缺陷的仿真分析	166
7.4  实验验证	168
本章小结	173
第8章  道岔尖轨缺陷检测实验与应用	174
8.1  缺陷检测算法	174
8.2  实验室测试	175
8.3  铁路现场测试	176
本章小结	179
参考文献	180

前  言
高速铁路的快速发展对轨道结构的可靠性和安全性提出了更高要求。道岔尖轨作为铁路轨道的关键部件，长期承受复杂交变载荷，容易产生疲劳裂纹、剥离等缺陷，严重影响行车安全。传统的无损检测技术在尖轨缺陷检测中存在效率低、精度不足等问题，而超声导波检测技术因传播距离远、覆盖范围广、灵敏度高等优势，为道岔尖轨缺陷检测提供了新的技术途径。
导波在波导介质中的传播特性主要由截面几何特征决定，不同截面形状通过约束振动自由度、调制反射路径，以及特征尺寸与波长的匹配关系共同调控导波模态的数量和类型。道岔尖轨因其独特的变截面结构，导致导波传播时的模态数量较导波在基本轨传播时的模态数量呈数量级增加，且各模态群速度和相速度差异显著，造成严重的模态混叠现象，使波包难以区分，给信号接收、处理和分析带来极大挑战。针对这一难题，本书从激励方法入手，通过优化激励条件，选择性激发特定模态，可有效减少干扰模态数量，为提升检测效率提供了关键突破口。
本书系统研究了超声导波在道岔尖轨缺陷检测中的理论方法与工程应用，通过多学科交叉融合，构建了从超声导波传播机理到智能检测的完整技术体系。全书结合理论分析、数值仿真、实验验证和机器学习方法，深入探讨了道岔尖轨导波的传播特性、模态选取、激励优化、信号处理及智能识别等关键技术，旨在为铁路无损检测领域的研究人员和工程技术人员提供系统的理论指导和实践参考。
本书是在中央高校基本科研业务费（2022JBQY002）课题经费资助下出版的。全书共8章，包括绪论、道岔尖轨中的超声导波、道岔尖轨导波仿真技术、道岔尖轨导波激励与采集、基于小波基线的道岔尖轨缺陷检测、基于机器学习的道岔尖轨缺陷检测、基于主导模态的道岔尖轨缺陷检测、道岔尖轨缺陷检测实验与应用。第1章由余祖俊、朱力强、史红梅和郭保青编写，其余章节由许西宁编写。在编写本书过程中，研究生高文、李祥、苏超明、李卓、温子谕等给予了大力协助，在此一并感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。

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道岔尖轨导波检测原理及应用