摘要：随着我国铁路向高速重载方向发展,对钢轨的质量要求显著提高,实现钢轨缺陷的无损检测受到广泛重视。针对传统的钢轨超声检测方法中存在检测盲区较大和探头有效检测区域不明确等问题,本论文开展超声波在钢轨内传播规律的研究,为钢轨超声无损检测提供理论与方法指导。利用多元高斯声束理论对声场进行建模,并将其应用于矩形和圆形平面探头辐射声场声压的计算。分析了声束在不同介质界面处以不同角度斜入射时的反射和透射特性,以及曲面界面对声束传播的影响,并建立了声束在多层介质中传播的多元高斯声束模型,实现了声场在多层介质中分布的快速计算。基于所建立的多元高斯声束传播模型,研究探头辐射入钢轨内部的声场分布特性。选择圆形直探头和矩形楔块斜探头对钢轨不同区域内不同类型缺陷进行检测,通过各探头辐射入钢轨的声场模拟,了解轨头曲面对声场的影响,分析探头在不同检测位置下的检测盲区和有效检测区域,指导钢轨检测工艺的设计。为验证声束模拟指导钢轨检测的有效性,设计了钢轨缺陷的超声检测系统,包括实验装置设计和相应软件的开发。实验装置设计包括钢轨试块等的设计和超声探头、耦合剂等的选择。钢轨缺陷的超声检测软件采用VC++和MALAB混合编程方式完成,软件主要包含有超声数据采集与显示、钢轨自动扫描、超声B成像和缺陷信号分析等功能,可实现钢轨的快速检测。采用钢轨内部缺陷超声检测实验系统,开展了钢轨超声无损检测实验,实验显示该检测系统能够有效的检测出位于钢轨轨头、轨腰和轨底的探头有效检测区域范围内的缺陷。本文研究结果表明,利用超声波在钢轨内的传播模拟进行指导缺陷检测,是一种能够有效的实现钢轨的全面准确的无损检测的方法。