Zur Lösung des Problems der geringen elektromagnetischen Störfestigkeit und der schlechten Anpassungsfähigkeit an komplexe Betriebsbedingungen herkömmlicher Prüfverfahren wurde eine Ultraschallprüfmethode auf der Grundlage eines optoakustischen Sensors auf Basis nanostrukturierter Gold-Kompositmaterialien (Au-PDMS) für die hochpräzise Detektion von Mikrorissen in HRB400-Schienenstählen entwickelt. Zunächst wurde das optoakustische Wandlermodell untersucht und Proben von Au-PDMS-Dünnschichtfolien mit Konzentrationen von 4,01 wt%, 5,23 wt%, 6,01 wt% und 7,69 wt% hergestellt. Anschließend wurden Ultraschallsignale mit einem 532 nm gepulsten Laser angeregt, die Daten mit einer Kombination aus Bandpass-Filterung nach Butterworth und einer Discrete-Wavelet-Transformationsmethode nach db4 verarbeitet. Schließlich wurde durch den Aufbau eines Finite-Elemente-Modells für HRB400-Stahl auf Basis von COMSOL Multiphysics der quantitative Zusammenhang zwischen den multidimensionalen Merkmalen des Ultraschallsignals und der Riss-Tiefenanalyse durchgeführt. Die quantitative Analyse ergab, dass das Ultraschallsignal der Probe mit einer Konzentration von 5,23 wt% eine Hauptfrequenz von 4,58 MHz und ein Signal-Rausch-Verhältnis von 19,56 dB aufwies. Die gemessene Genauigkeit der Riss-Tiefenmessung betrug 640 μm. Quantitative Untersuchungen zeigten, dass die Amplitude des ersten Signals bei einer Rissentiefe von 1 mm ansteigt, dass sich die Wellenform bei einer Tiefe von 3 mm in eine Doppelgipfelstruktur aufspaltet und der Abstand zwischen den Gipfeln 1,50 μs beträgt. Durch Aufbau eines kooperativen Reaktionsmodells mit mehreren Parametern wie Rissentiefe, Spitzenamplitude, Energie, Hauptfrequenz und Ankunftszeit wurde eine quantitative Erfassung von Mikrorissen in HRB400-Stahl realisiert. Das System zeichnet sich durch eine Mikrometer-Auflösung, eine hohe elektromagnetische Störfestigkeit und Anpassungsfähigkeit an komplexe Betriebsbedingungen aus und bietet zuverlässige technische Unterstützung für die strukturelle Gesundheitsüberwachung von Hochgeschwindigkeitszug-Infrastrukturen.

Optoakustik; Ultraschallprüfung; HRB400-Stahl; Mehrphysik-Simulation; Mikroriss-Wachstum