(57)【要約】本発明は、細長い構造要素の状態を監視するためのシステムに関し、より詳細には、限定はしないが、鉄道のレールで割れ及び破損を監視及び検出するためのシステムに関する。さらに本発明は、そのようなシステムを設計及び開発する方法論に及ぶ。方法は、細長い構造要素を通して長距離を移動することが予想できる伝播モード及び信号周波数を識別するステップと、好適な伝播モード及び動作周波数を選択するステップと、前記選択された周波数で前記選択されたモードを励振するように構成された変換器を設計するステップと、前記細長い構造要素に取り付けられた前記変換器を数値的にモデル化するステップと、前記変換器の設計を検証するために、前記変換器による励振に対する、前記選択された伝播モードの調和応答を解析するステップとを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換器ベースの故障検出システムを開発する、コンピュータ実装される方法であって、
細長い構造要素を通して長距離を移動することが予想できる伝播モード及び信号周波数を識別するステップと、
好適な伝播モード及び動作周波数を選択するステップと、
前記選択された周波数で前記選択されたモードを励振するように構成された変換器を設計するステップと、
前記細長い構造要素に取り付けられた前記変換器を数値的にモデル化するステップと、
前記変換器の設計を検証するために、前記変換器による励振に対する、前記選択された伝播モードの調和応答を解析するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
細長い構造要素を通して長距離を移動することが予想できる伝播モード及び周波数を識別する前記ステップが、所定の材料特性を有する特定のレール外形の数値モデルの使用を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
好適な伝播モード及び動作周波数の前記選択が、広い範囲の周波数にわたって低い減衰を有し、レール外形の小さな変化に対し比較的影響を受けない伝播モードを選択するステップを伴う、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記動作周波数で、前記選択された伝播モードの最適な応答を達成するために、変換器構成要素の寸法を反復的に変化させるステップと、前記変換器の電気的な励振に対する、前記レールの予測される変位時間応答を計算するステップと、をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記モデル化された変換器に従ってプロトタイプを製造するステップと、
前記変換器を所定の長さの前記構造要素に取り付けるステップと、
前記構造要素の表面で、変位応答を測定するステップと、
前記測定された応答を前記予測された変位時間応答と比較するステップと、
をさらに含む検証段階を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
鉄道軌道のレールにおける割れ又は破損を監視及び検出するためのシステムであって、前記システムの送信局及び受信局を規定する複数の変換器を含むシステムにおいて、前記変換器が請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法に従って設計されることを特徴とする、システム。
【請求項７】
鉄道軌道のレールにおける割れ又は破損を監視及び検出するためのシステムであって、前記システムの送信局及び受信局を規定する複数の変換器を含むシステムにおいて、前記変換器が、好ましくは前記レールの内側に配置されることを特徴とする、システム。
【請求項８】
前記複数の変換器が、所定の離間された位置に配置された一連の変換器の形態にあり、少なくとも１つの変換器が各所定の位置に設けられ、超音波が、送信器として使用される１つの変換器から受信器として使用される離間された変換器に、前記レールに沿って周期的に送信可能である、請求項６又は７に記載のシステム。
【請求項９】
前記複数の変換器が、所定の離間された位置に配置された一連の変換器の形態にあり、少なくとも１つの変換器が各所定の位置に設けられ、超音波が、送信器として使用される１つの変換器から前記レールに沿って周期的に送信可能であり、前記レールの割れによって、受信器としても使用される前記同じ変換器に反射される、請求項６又は７に記載のシステム。
【請求項１０】
複数の変換器が各所定の位置に配置される、請求項８又は９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記変換器が、約１〜３キロメートルの距離だけ離間される、請求項７〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記変換器が、約２キロメートルの距離だけ離間される、請求項７〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細長い構造要素の状態を監視するためのシステムに関し、より詳細には、限定はしないが、鉄道のレールにおける割れ及び破損を監視及び検出するためのシステムに関する。さらに本発明は、そのようなシステムを設計及び開発する方法論に及ぶ。
【背景技術】
【０００２】
細長い構造要素、特に鉄道のレールの完全性を監視するために提案されたいくつかの方法及びシステムがある。これらの方法及びシステムは、レールの割れが完全な破損に進展する前に、レールの割れを検出すること、並びにレールの割れが既に発生した鉄道網で破損を検出することを目的とする。レールの割れ又は破損が事前に検出されないと、軌道上を移動する鉄道車両の脱線をもたらす可能性がある。そのような脱線が、金銭的損失を引き起こし、負傷及び人命の損失をもたらす可能性もあることが理解されよう。さらに、鉄道に対して言及されているが、これらのシステムは、例えば採掘用シャフト及び橋など、長い構造的な鉄鋼が利用される他の応用分野に等しく適用可能であることに留意されたい。
【０００３】
鉄道軌道のレールで割れ及び破損を検出する１つの方法は、南アフリカ国特許第９９／６９３６号に開示されており、その内容は、本明細書に参照により組み込まれる。方法は、いくつかの自律音響送信器ユニット、及び送信器ユニット間に配置されたいくつかの音響受信器ユニットを用意するステップを含む。様々なユニットは、所定の距離だけ、互いに離間されている。送信器ユニットが、特定の周波数組成を有する一連の音響パルスをレールに導入し、受信器ユニットが、パルスを検出及び解析して、レールに関係する任意の望ましくない状態を監視する。この方法は、レールの状態を監視するために、送信器の使用及び受信器の使用を必要とする。
【０００４】
鉄道のレールにおける割れ及び破損を検出及び監視するこの方法に関し、変換器の開発が、Ｐｈｉｌｉｐ  Ｗ．  Ｌｏｖｅｄａｙ著、「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ｆｏｒ  ａ  ｒａｉｌｗａｙ  ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ」、Ｓｍａｒｔ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２０００：Ｓｍａｒｔ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｆｏｒ  Ｂｒｉｄｇｅｓ、  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ、  ａｎｄ  Ｈｉｇｈｗａｙｓ、ＳＰＩＥ議事録Ｖｏｌ．３９８８、２０００年、Ｎｅｗｐｏｒｔ  Ｂｅａｃｈ、３３０〜３３８頁に論じられている。システムは、軌道の外側でレールの頭頂部の下に装着（クランプ）された、圧電変換器を使用する。圧電変換器をクランプする方法は、ＰＣＴ特許出願国際公開第２００４／０９８９７４号パンフレットに記載されており、その内容は、本明細書に参照により組み込まれる。
【０００５】
圧電変換器は、鉄道網の長さに沿って離間され、超音波をレールを通して周期的に送信する。波は、１つの変換器から、受信局としての役割を果たす下流の変換器に向かって、軌道を通して伝播する。典型的には、変換器は、約１ｋｍ離れて離間される。超音波信号が受信器局で検出されない場合、レールが割れを有すること又は破損したことを示す警報を、受信器局が作動させる。
【０００６】
上のシステムに関連する欠点は、圧電変換器が、軌道の外側の、レールの頭頂部の下に取り付け（クランプ）されることである。圧電変換器は大きく、列車の車輪と干渉することになるので、軌道の内側の頭頂部の下に取り付けることができない。枕木の下の砕石を詰め直すために使用される「地固め」機が、頭頂部の外側と係合する車輪を有するので、日常行う軌道保守の期間、圧電変換器は、レールから取り外さなければならない。圧電変換器の取り外し及び再取り付けは（再取り付け後２週間でクランプの再締め付けが必要であり）、システムの保守費用を増加させ、システムが作動しない期間をもたらす。
【０００７】
加えて、送信される信号が十分強いものではなく、また伝播及び動作周波数の観点から見て、取り付けられることになる特定の構造要素に変換器が正確に整合しないので、既存のシステムは、１ｋｍを超える距離には適さない。
【０００８】
上記の検出システムは、変換器及びレールの応答が数学的にモデル化され、次いで変換器が反復的な手段で設計される数学的なモデル化技法の使用を最適に組み込んでいない設計方法論を使用して、一般的に開発されてきた。このことにより、特定の応用分野に必ずしも最適化されていない変換器を選択することになった。また、このことにより、変換器が実際に必要とされるより大きくなり、一方、信号の送信及び受信に関する限り、最適に動作しない場合がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、上記の欠点に対処した、鉄道のレールで割れ及び破損を監視及び検出するためのシステムを提供することが、本発明の目的である。
【００１０】
本発明によるシステムで使用するための圧電変換器を提供することも、本発明の目的である。
【００１１】
上記の欠点を少なくとも部分的に克服し、既存の設計方法論に対し新規で有用な代替でもある、変換器ベースの故障検出システムを開発する方法を提供することが、本発明のさらなる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、変換器ベースの故障検出システムを開発する方法が提供され、この方法は、
細長い構造要素を通して長距離を移動することが予想できる伝播モード及び信号周波数を識別するステップと、
好適な伝播モード及び動作周波数を選択するステップと、
選択された周波数で選択されたモードを励振するように構成された変換器を設計するステップと、
細長い構造要素に取り付けられた変換器を数値的にモデル化するステップと、
変換器の設計を検証するために、変換器による励振に対する、選択された伝播モードの調和応答を解析するステップと
を含む。
【００１３】
細長い構造要素を通して長距離を移動することが予想できる伝播モード及び周波数を識別するステップが、所定の材料特性を有する特定のレール外形の数値モデルの使用を含むことが好ましい。
【００１４】
好適な伝播モード及び動作周波数の選択が、広い範囲の周波数にわたって低い減衰を有し、レール外形の小さな変化に対し比較的影響を受けない伝播モードを選択するステップを伴うことが好ましい。
【００１５】
方法は、動作周波数で選択された伝播モードの最適な応答を達成するために、変換器構成要素の寸法を反復的に変化させるステップ、及び変換器の電気的な励振に対する、レールの予測される変位時間応答を計算するステップといった、さらなるステップを含むことができる。
【００１６】
方法は、
モデル化された変換器に従ってプロトタイプを製造するステップと、
変換器の自由電気透過率を測定し、測定された自由電気透過率を上記のモデルにより予測される透過率と比較するステップと
を含む検証段階をさらに含むことができる。
【００１７】
検証段階は、
変換器を所定の長さの構造要素に取り付けるステップと、
構造要素の表面で、変位応答を測定するステップと、
測定された応答を予測された変位時間応答と比較するステップと
をさらに含むことができる。
【００１８】
検証段階は、選択されたモードの励振並びに低減衰での伝播を確認するために、使用時現場測定を実行するサブステップをまたさらに含むことができる。
【００１９】
本発明の第２の態様によれば、鉄道軌道のレールにおける割れ及び破損を監視及び検出するためのシステムが提供され、システムは、システムの送信局及び受信局を規定する複数の変換器を含み、変換器が、好ましくはレールの内側に配置されることを特徴とする。
【００２０】
所定の離間された位置に配置された一連の単一変換器の形態にされる複数の変換器が設けられ、超音波が、送信器として使用される１つの変換器から受信器として使用される次の変換器に、レールに沿って周期的に送信される。
【００２１】
所定の間隔で離間された一連の単一変換器の形態にされる複数の変換器がやはり設けられ、超音波が、送信器として使用される１つの変換器から、レールに沿って周期的に送信され、レールの割れによって、受信器としても使用される同じ変換器に反射される。
【００２２】
変換器のアレイを規定するように、各所定の位置に配置される複数の変換器がさらに設けられる。いくつかのアレイを設けて、変換器のアレイを、所定の間隔で離間することができる。
【００２３】
１つの実施形態では、変換器は、レールの内側で、レールに永続的に取り付けられる。
【００２４】
レールが、ウェブ及び頭頂部を含み、頭頂部の下に取り付ける、あるいはレールのウェブに取り付けるために、変換器が設けられることが好ましい。
【００２５】
変換器が、レール上を移動する鉄道車両の車輪と干渉することなく、レールに変換器の取り付けを可能にする幾何学的サイズ、形状及び構成であることは有利である。
【００２６】
１つの実施形態では、上流の変換器がレールに沿って超音波を送信し、レールに割れ又は破損がない場合、下流の変換器により受信されるようにシステムが構成される。下流の変換器が、上流の変換器により送信された超音波を受信しない場合、警報が起動され、レールに割れ又は破損が存在する可能性を警告するように、システムがさらに構成される。
【００２７】
別の実施形態では、変換器がレールに沿って超音波を送信し、超音波がレールの割れにより反射される場合には、同じ変換器が超音波を受信するように、システムが構成される。変換器が反射された超音波を受信する場合、警報が起動され、レールに割れ又は破損が存在する可能性を警告するように、システムがさらに構成される。
【００２８】
またさらなる実施形態では、システムは、上記の両方の機能性を備える。
【００２９】
１つの実施形態では、変換器は、約１〜３キロメートルの距離だけ離間される。変換器は、約２キロメートルの距離だけ離間されることが好ましい。
【００３０】
変換器は、圧電変換器であることが好ましい。
【００３１】
本発明の別の態様によれば、鉄道軌道のレールにおける割れ又は破損を監視及び検出するシステムで使用するのに好適な変換器が提供され、システムが、システムの送信局及び受信局を規定する複数の変換器を含み、変換器がレールの内側に配置されることを特徴とする。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態は、非限定的な例として、添付の図面を参照して記載される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の１つの実施形態によるシステムを示し、レールの割れ又は破損を監視及び検出するために、鉄道軌道のレールに取り付けられる２つの圧電変換器をシステムが含む図である。
【図２】特定のレール外形に適した伝播モード及び動作周波数を選択するために使用される、初期モデル化処理の出力を示す図である。
【図３】従来技術のシステムと本発明によるシステムの性能間の、実験的な比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（設計方法論の例）
本発明による変換器ベースの故障検出システムを開発するために使用される方法論及び開発手順が、図２を参照して記載される。方法は、コンピュータ実装される方法である。
【００３５】
１．減衰支持体上のレール外形の分散の解析
このステップは、レールの材料特性も組み込んだレール外形の数値（半解析的有限要素法）モデルを開発することを必要とした。半解析的有限要素モデルの開発は、当技術分野で知られた方法論であるが、この特定の応用分野では、これまで適用されていなかった。どの伝播モード及び周波数が長距離を移動すると予想できるのかを決定するために、モデルが解析された。小さい減衰で移動すると予想されたいくつかの伝播モード及び周波数が、図２に矢印で示されている。点のサイズは、予想された伝播性能を表す。点は、異なる伝播モードを表す曲線を形成する。矢印は、好適な可能性のある３つのモードを表し、したがって、矢印の場所を中心とする周波数を備える信号を使用することを決定した。
【００３６】
２．好適な伝播モード及び周波数の選択
ステップ１からの結果に基づいて、伝播モード及び動作周波数が選択された。選択されたモードは、周波数の適度に広い範囲にわたって小さい減衰を有し、したがって、温度の範囲にわたって動作することが予想できた。この解析は、最も小さい相対減衰率を備えるモード及び周波数が考慮された、定性的手順である。解析では、実際の減衰を定量化することは、試みなかった。当業者なら、この定性的な手法を理解し正しく適用することが可能であろう。本質的に、特定のタイプの割れを検出することをシステムが要求される場合、選択された伝播モードは、割れが発生した領域にエネルギーを含まなければならない。伝播モード及び周波数の範囲は、例えばレール外形の研磨又はレールの軸荷重の変化に起因する、レール幾何形状の変化に対し、比較的影響を受けないように選択された。この特定の例では、３５ｋＨｚで８２ｒａｄ／ｍの波数を備えるモードが選択され、選択された点がレールの研磨、温度変化及び軸荷重に対し確実に影響を受けないように、追加の解析が実施された。
【００３７】
３．変換器構成の概念的な設計
続いて、レールへの永続的な取り付けのための好適な変換器構成を概念化した。この例では、レールの頭頂部の下に取り付けられるのに好適なサンドイッチタイプの変換器が設計された。変換器の設計は、既存の変換器の設計に対し、構造及び構成で基本的には異ならないが、統合された設計方法論により、全体としてシステムとより良好に整合することが予想された。
【００３８】
４．要求される周波数で大きな応答を達成するための、レールに取り付けられた変換器構成の数値モデル化及びサイズ決定
圧電変換器の数値モデル（３Ｄ有限要素法）が準備され、レールの数値モデル（半解析的有限要素法）に結合された。変換器の電気的な励振に対する選択されたモードの調和応答が、次に解析された。次いで、選択されたモードの最適な応答を動作周波数で達成するために、変換器構成要素の寸法を反復的に変化させた。この方法論は、本発明者により以前に開発され、Ｌｏｖｅｄａｙ  Ｐ  Ｗ著、「Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｇｕｉｄｅｄ  Ｗａｖｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，  Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，  ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｎｔｒｏｌ、ｖｏｌ．  ５４  ｎｏ．  １０、２００７年１０月に、より詳細に記載されており、その内容は、本明細書に参照により組み込まれる。最後に、変換器のトーンバースト方式電気励振に起因するレールの予測される変位時間応答が、後の検証段階で使用するために決定された。この方法論は、本発明者によって以前にやはり開発され、Ｌｏｖｅｄａｙ  Ｐ  Ｗ著、「Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  Ａｔｔａｃｈｅｄ  ｔｏ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，  Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，  ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｃｏｎｔｒｏｌ、ｖｏｌ．  ５５  ｎｏ．  ９、２００８年９月に、より詳細に記載されており、その内容は、本明細書に参照により組み込まれる。
【００３９】
５．変換器のプロトタイプ製造及び研究室での測定
上記のモデル化に基づいて、いくつかのプロトタイプの変換器が製造された。各変換器の自由電気アドミタンスが測定され、正しく製造されたことを検証するために、モデル化された予測と比較された。変換器は、次に、研究室環境で、短い長さのレールに取り付けられ、そこに電気的なトーンバースト方式励振が印加された。１ｍ以上の距離で、レール表面の変位応答が、レーザ振動計を使用して測定された。測定された結果が、次いで、ステップ４からの予測された変位時間応答と比較された。
【００４０】
６．変換器性能及びレールの伝播モードを確認するための現場測定
変換器は、次に、現場で実際のレールに取り付けられ、電気的に駆動された。走査レーザ振動計測定が、変換器から異なる距離で（例えば、５ｍ、３００ｍ、５００ｍ）、レール表面で実施された。測定データに存在するモードが抽出され、選択されたモードが励振されており、実際に小さい減衰で伝播することを確認した。新規の変換器を用いて遠距離送受信測定が実施され、従来技術の変換器を用いて実施された同じ測定と比較された。
【００４１】
７．変換器の工業化
上記の変換器設計処理の後で、変換器が工業化された。この処理は、製造データパック並びに認定及び受入試験手順の準備を含んだ。
【００４２】
上記の処理は、要求された設計基準を満たし、一方同様の故障検出応用分野で使用される既存の変換器と比較して比較的小さいサイズでもある、最適化された変換器設計を生んだ。
【００４３】
設計方法論は、応用分野及び外形が固有である変換器の最適化設計でさらに使用することができ、したがって、故障検出システムで使用する変換器の、さらに正確な設計をもたらすこととなる。
【００４４】
（システムの実施形態の説明）
上の設計方法論を使用して設計された比較的小さいサイズの変換器によって、ここで図１を参照してより詳細に一般的に記載される、新規の構成を使用することが可能になる。
【００４５】
典型的には、鉄道軌道は、枕木１２に装着される２本の平行なレール１１を含む。レール１１は、典型的には、枕木１２に載っている基部１３、基部１３から上向きに延在するウェブ１４、ウェブ１４から横方向に延在し、鉄道車両の車輪１６が移動する頭頂部１５を含む外形を有する。しかし、本発明のシステムは、修正することで、任意のレール外形に使用できることが理解されよう。記載された実施形態は鉄道の応用分野での１つの特定の使用に関するが、システムは、例えば橋及び採掘用シャフトといった、長い構造的な鉄鋼を含む任意の応用分野で同様に利用できることが理解されよう。
【００４６】
本発明によれば、システム１０は、レールの割れ及び破損を検出するための変換器１７を含む。本システムで使用される変換器は、圧電変換器１７である。圧電変換器１７は、永続的に、レールの頭頂部１５の下に取り付ける、又はレール１１のウェブ１４に取り付けることができる。圧電変換器１７は、レール１１を利用する鉄道車両の車輪１６と干渉せずにレール１１に取り付けることができるような、幾何学的サイズ、形状及び構成である。本発明の好ましい実施形態では、これらの圧電変換器１７は、レール１１の内側でレール１１に配置される。
【００４７】
圧電変換器１７は、レール１１に沿って移動する超音波を送信し、レール１１に沿って送信された超音波を受信するための受信器としても動作する。これらの圧電変換器１７は、周期的にレール１１に沿って超音波を送信し、レール１１の状態を監視、すなわちレール１１の割れ及び破損を検出する。
【００４８】
圧電変換器１７は、レール１１に沿って所定の距離で互いに離間される。典型的には、圧電変換器１７は、約１〜３キロメートルの距離だけ互いに離間される。
【００４９】
レール１１の上流に配置される変換器１７がレール１１に沿って超音波の形態で信号を送信し、上流の変換器１７の下流に配置される変換器１７により信号が受信されるようにシステム１０が構成される。上流の変換器１７により送信された超音波が下流の変換器１７により受信される場合、システム１０は、レール１１に割れ又は破損がないと決定する。しかし、上流の変換器１７が超音波を送信し、超音波が下流の変換器１７に到達しない場合、システム１０は、レール１１に割れ又は破損がある可能性があると決定する。
【００５０】
下流に配置された変換器１７が上流の変換器１７により送信された超音波を受信しない場合には、レール１１に割れ又は破損が存在する可能性を示す信号を生成するようにシステム１０が構成される。信号は、レール１１に割れ又は破損が存在する可能性を警告する警報を起動する。警報は、基地局又は鉄道軌道を利用する鉄道車両に送信される。
【００５１】
上の例では、システムは、信号送信システムとして利用される。しかし、別の実施形態（図示せず）では、同じ変換器がパルス−エコー構成でも使用することができ、ここでは同じ変換器が信号を送受信する。信号が変換器により送信され、レールに割れがある場合、信号が同じ変換器に反射して戻されることとなり、この場合、同じ変換器が受信器としての役割も果たすことになる。上記の設計方法論を使用して開発された変換器は、信号強度が高められていることに起因して、このタイプのパルス−エコー監視システムにも、特に好適となる。
【００５２】
システム構成（パルス−エコー又は送信）にかかわらず、（例えば４つの）変換器のアレイを各所定の位置に設け、システムの性能を改善することができる。その理由は、追加の変換器によって、励振されるモード並びにレールに沿った１つの方向への送信及び１つの方向からの受信の制御をより良好に行うことが可能となるからである。
【００５３】
送信とパルス−エコーシステムの組合せが最適の解決策となることが理解されよう。このことは、動作状態により良く整合する変換器をもたらし、したがってより強い信号強度である一方、使用される変換器のサイズの著しい減少ももたらす新規の設計方法論により、今や可能である。従来では、頑丈な設計を備えるより大きい変換器が使用されて、レールを通して波を伝播した。このことは、部分的には、システムの詳細なモデル化を欠いていたこと、及び変換器の物理的なサイズ以上に、使用された設計方法論は、最適な信号強度及びそのような信号をレールを通して伝播することが可能でなかったことに起因していた。今や、上記の方法論の結果として、システムが最適化され、波の伝播の結果をより正確に予測することができる。数学的なモデル化及び実験の結果として、変換器を当初考えられたものよりも小さくすることができ、より小さい変換器が、より古く、より大きく、頑丈な変換器よりも良好に機能することが見いだされたことは、意外であった。変換器の幾何学的サイズ、形状及び構成がより小さいことの結果として、システムが最適化されて、機能性を改善し、特に、上記の欠点に対処している。
【００５４】
鉄道軌道の特定の長さで、従来技術のシステムと新規システムの性能間の比較が行われた。新規の変換器の送信性能及び受信性能は、両方とも、従来技術の変換器を２０ｄＢ以上改善したことが結論された。上記のことは、図３にグラフで図示されている。図３では、グラフの左手側の２本のバーは、鉄道の２本の隣接したレールに固定された従来技術のシステムの性能を表す。送信電圧は、１３００Ｖｐであった。中央の２本のバーは、組み合わされたシステムからの結果を表す。ここでは、旧システムの送信器が使用され、一方受信器は新規の設計方法論に従って設計された変換器であった。送信電圧は、この場合も、１３００Ｖｐであった。右手側の２本のバーは、新規のシステム、すなわち、送信及び受信変換器の両方が新規の設計方法論を使用して設計されたものの結果を表す。しかしこの場合、送信電圧は、２８０Ｖｐであった。４０ｄＢの改善が観察されたことに留意されたい。
【００５５】
この４０ｄＢの送受信性能の結果として、従来技術のシステムが、単に９００ｍ間隔で動作することができた一方、この特定のレール部分において、新規の変換器は、２０００ｍ間隔での動作が可能であったことが見いだされた。
【００５６】
本発明のシステムは、上で論じた問題に対処する。第１に、日常行う軌道保守の期間、圧電変換器を取り外す必要、及び軌道保守後に圧電変換器を再び取り付ける必要が解消される。本発明の圧電変換器が、頭頂部の下に取り付けられ、又はレールの内側でレールのウェブに取り付けられ、したがって日常行う軌道保守の期間、圧電変換器を取り除く必要がないことは、有利である。さらに、以前のシステムによる、再取り付けの２週間後にクランプを再締め付けする必要が解消される。第２に、システムは、従来技術のシステムよりも良好に機能し、以前は単に９００ｍが可能であった、劣悪な状態のレールで、２０００ｍの動作距離用に首尾よく実装することができる。このことは、より大きい信号送信及び改善した受信感度をもたらす新規の設計方法論の、直接の結果である。
【００５７】
上記のことは、本発明の単に１つの実施形態であり、本発明の精神及び／又は範囲から逸脱することなく多くの変形形態があり得ることを理解されたい。
【図１】
2014524584.tif 000003
【図２】
2014524584.tif 000004
【図３】
2014524584.tif 000005
【国際調査報告】
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