超声导波技术因具有检测频率低、检测距离长、抗电磁干扰能力强、覆盖范围大等特点,因此在断轨实时检测应用中具有潜在优势。本文以超声导波断轨检测应用为研究背景,重点研究压电超声换能器的特性优化,以期提高超声导波在钢轨中的传播效率。由于超声导波在钢轨中传播时受能量衰减、多模态、频散和现场噪声等影响,从而导致接收超声导波信号的幅度低下且信噪比差。因此,本文主要从压电超声换能器阻抗匹配、驱动电路优化、激励信号优化等方面入手系统地研究压电超声换能器的特性优化问题,主要工作如下:1.为了深入地研究纵向振动夹心式压电超声换能器(以下简称为压电超声换能器)的机电特性,基于一维波动和传输线理论,建立了纵向振动夹心式压电超声换能器PSpice等效电路模型和一发一收装置PSpice等效电路模型。分别从时域和频域对建立的压电超声换能器PSpice模型和一发一收装置PSpice模型进行分析,并通过实验验证了所建模型的准确性。研究发现,上述建立的压电超声换能器PSpice模型扩展性强,可与放大器、驱动电路、二极管等相结合。2.为了解决压电超声换能器与驱动电路以及钢轨表面的阻抗匹配问题,分别从电学端和声学端研究了阻抗匹配对压电超声换能器机电特性的影响。在电学端,从时域和频域两方面研究了不同电阻抗匹配网络对压电超声换能器机电特性的影响,研究表明,在两种LC阻抗匹配网络中,采用串联电感与并联电容构成的匹配网络效果更佳;在声学端,采用实验方法研究了声阻抗匹配对压电超声换能器瞬态特性的影响,得出了当环氧树脂中掺入比例为10%的钨粉末且涂抹厚度为8 mm时,声阻抗匹配效果更佳的结论。3.为了解决现有驱动电路中存在激励电压不够高、需外加高压直流电压及无电阻抗匹配等问题,本文基于全桥拓扑提出一种高压脉冲驱动电路。该驱动电路考虑了功率MOSFET关断时的过冲和振荡的抑制,同时对压电超声换能器进行电阻抗匹配和激励信号拖尾吸收。其中,过冲和振荡的抑制采用RC缓冲电路,拖尾吸收采用泄放电阻和双向可控硅实现。通过实验验证了提出的高压脉冲驱动电路的正确性和有效性,并发现将电阻抗匹配和吸收电路结合使用,可以有效提升压电超声换能器的能量转换效率。4.为了获得压电超声换能器的最佳性能,从激励信号频率和激励编码两方面对压电超声换能器激励信号进行优化。首先,为解决换能器带载后产生谐振频率偏移的问题,提出一种基于数字带通跟踪滤波器的最佳激励频率跟踪方法,并通过现场实验验证了其正确性和可靠性;其次,为提高超声导波信号的信噪比,提出将巴克编码激励方法应用在断轨检测中,在接收端采用脉冲压缩技术实现对信号特征的快速识别;最后,针对脉冲压缩后的信号由于带宽、多径及噪声等影响而产生不期望的峰值旁瓣的情况,提出一种基于数字带通滤波器、三角滤波和希尔伯特变换等的自适应峰值检测算法。通过实验验证了上述巴克编码激励方式和自适应峰值检测算法的准确性和有效性。本文研究为超声导波在钢轨中传播效率的提升提供了可行方案,同时为超声导波实时断轨检测系统规模化应用提供了理论指导。