Достижения в области ультразвуковой диагностики — той же технологии визуализации, которая использует звуковые волны для наблюдения за плодами в утробе матери, — применяются инженерами Калифорнийского университета в Сан-Диего для повышения эффективности инспекции железнодорожных путей. Обеспечение безопасности обширной сети железнодорожной инфраструктуры США протяженностью 140 000 миль имеет решающее значение, особенно с учетом роста этой цифры за счёт добавления новых высокоскоростных пассажирских железнодорожных линий.

В сотрудничестве с отраслевыми и государственными железнодорожными организациями инженеры-конструкторы из Калифорнийского университета в Сан-Диего применили инновационную форму ультразвука с новыми алгоритмами формирования луча для создания устройства, которое можно встроить в колесо тележки — а в будущем, возможно, и в сам поезд — для проверки каждого километра рельсов на наличие дефектов и внутренних трещин, невидимых невооруженным глазом. Эти внутренние трещины и разломы, если их не обнаружить или не контролировать, могут разрушиться под весом поезда, что может привести к перебоям в работе и снижению производительности.

Устройство обеспечивает получение в режиме реального времени изображений высокого разрешения любых внутренних дефектов по мере перемещения тележки по железнодорожным путям. Это улучшение по сравнению с существующими передовыми технологиями. В настоящее время ультразвуковые испытательные машины для рельсов, являющиеся частью автоматизированной программы инспекции путей Федерального управления железных дорог, движутся со скоростью примерно 25 миль в час по путям, обнаруживая участки, где могут быть внутренние аномалии. Затем инспекторы вручную проверяют отмеченные участки с помощью портативного ультразвукового дефектоскопа, который генерирует волновой сигнал (A-скан) ультразвука.

Это новое устройство позволяет получать не только ультразвуковой сигнал, но и реальные изображения внутренних дефектов, что даёт гораздо более чёткое представление о типе и местоположении дефектов внутри железнодорожного полотна. Кроме того, его можно использовать со скоростью ходьбы, что позволяет получать более качественную информацию гораздо быстрее, чем при использовании существующих методов.

Это последнее достижение — результат более чем двух десятилетий исследований, проведенных группой инженеров-конструкторов в лаборатории Франческо Ланца ди Скалеа, профессора кафедры строительной инженерии Инженерной школы им. Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего. Он также входит в состав двух ключевых комитетов по железнодорожному проектированию Совета по транспортным исследованиям Национальных академий и является членом нескольких профессиональных обществ.

«Раннее и точное обнаружение внутренних дефектов рельсов имеет первостепенное значение для обеспечения безопасности железнодорожных перевозок», — сказал Ланца ди Скалеа. «Ежегодно только в США сотни сбоев в работе происходят из-за необнаруженных дефектов рельсов. Калифорнийский университет в Сан-Диего на протяжении многих лет играет ведущую роль в этих исследованиях, работая над улучшением методов инспекции рельсов по нескольким направлениям».

В августе 2025 года во время Дней университета исследователи продемонстрировали эту технологию на специально построенном исследовательском центре MxV Rail в Колорадо. В настоящее время команда работает с исследователями MxV Rail над определением наиболее экономически эффективной конфигурации для полевого развёртывания и проведением обширных испытаний в Колорадо.

Высококачественные изображения, быстро

«Наша цель заключалась в том, чтобы это ультразвуковое устройство для контроля качества могло предоставлять пользователю изображения в реальном времени и перемещаться как можно быстрее, не теряя при этом мощности сигнала», — сказал Ченгян Хуан, научный сотрудник лаборатории Ланца ди Скалеа, чья работа над алгоритмами формирования луча имела решающее значение для обеспечения возможности получения изображений в реальном времени. «Это всегда инженерный компромисс — если вы двигаетесь быстрее, вы теряете сигнал. Ключевым моментом нашего исследования с этим устройством было то, как мы можем по-прежнему интерпретировать сигналы и получать качественное изображение изнутри железнодорожного пути в реальном времени, даже на высоких скоростях».

Исследователям удалось преодолеть компромисс между качеством изображения и скоростью, объединив лучшие элементы двух разных типов ультразвука — фазированной антенной решетки и сфокусированного ультразвука с синтезированной апертурой.

Существующие методы обнаружения дефектов с использованием ультразвука основаны на фазированной ультразвуковой решетке. В этом методе множество преобразователей направлены в одном направлении для получения изображения конкретной области. Это обеспечивает высокую мощность сигнала, поскольку луч физически сфокусирован, но требует дорогостоящего мультиплексорного оборудования, которое также может быть громоздким.

В отличие от этого, в методе сфокусированного ультразвука с разреженной синтетической апертурой используется один преобразователь без мультиплексирования, что перекладывает процесс направления ультразвуковых волн в определенное место — так называемое формирование луча — на алгоритмы, а не на электронику. Такой подход позволяет охватывать гораздо большую площадь с более высоким эффективным разрешением, чем фиксированная фазированная решетка, при этом значительно упрощая необходимое оборудование и, следовательно, снижая стоимость. Однако он не всегда обеспечивает ту же мощность сигнала, что и метод с фазированной решеткой.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали гибридную версию , используя субмассив вместо одного массива преобразователей, что позволило переложить часть мультиплексирования, необходимого в фазированной ультразвуковой решетке, на алгоритмы формирования луча, используемые в методах фокусировки с синтезированной апертурой. Упрощение аппаратной части и перенос нагрузки на программное обеспечение обеспечили как мощность сигнала, так и изображения высокого разрешения. Это позволило создать недорогое и компактное устройство, которое поместилось бы внутри небольшого колеса, при этом сохраняя высокое разрешение и высокую скорость получения изображений.

Ещё одним ключевым моментом, сделавшим их новый инструмент пригодным для использования отраслевыми партнёрами, стала технология обработки ультразвукового видео, которая удаляет нежелательные артефакты из изображений с синтезированной апертурой. Эти изображения фактически формируются в виде видео, которые иногда могут содержать отражения от колеса или поверхности пути, а также другие нежелательные артефакты, скрывающие истинные дефекты. Используя разработанный ими метод машинного обучения без учителя, называемый фильтрацией SVD на основе физических принципов, инструмент удаляет эти нежелательные артефакты, так что отображаются только дефекты рельсов. Это достижение , недавно опубликованное в журнале Ultrasonics , также может быть применено в других областях, требующих видеоанализа, включая оптику и тепловизионную съёмку.

Более безопасные конструкции — на железной дороге и за её пределами

В настоящее время исследователи работают с компанией MxV Rail над дальнейшим усовершенствованием своего прототипа для таких железнодорожных перевозчиков, как BNSF, Amtrak и Union Pacific. По мере улучшения возможностей генерации высококачественных изображений в реальном времени и с высокой скоростью, они надеются в будущем встроить аналогичное устройство в интеллектуальные поезда для пассивного и точного мониторинга железнодорожных путей и шпал.

Области применения этой технологии визуализации не ограничиваются поездами. Результаты исследований также используются для неразрушающего мониторинга в морской и авиационной отраслях. Например, команда адаптировала гибридный подход к визуализации для осмотра сложных композитных панелей самолётов с использованием простого и недорогого оборудования, опираясь на последние достижения в области волновой физики и методов обработки сигналов .

Это новейшее устройство является результатом многолетней работы исследователей из лаборатории Ланца ди Скалеа, в ходе которой были разработаны различные методы неразрушающего мониторинга и оценки целостности конструкций — от железных дорог и мостов до энергетической инфраструктуры и даже самолётов.

Их достижения используются для того, чтобы помочь американским военным лучше обнаруживать скрытые взрывчатые вещества на дорогах ; проводить ультразвуковую диагностику конструкций неправильной формы, таких как ветряные турбины или детали двигателей; и неразрушающим методом проверять структурную целостность компонентов самолётов.

Контакты, администрация и авторы