空氣耦合超聲類瑞利波的表面應力檢測研究

摘 要： 該文針對鋼結(jié)構(gòu)表面應力提出了非接觸式空氣耦合超聲類瑞利波檢測方法。首先基于聲彈性理論，研究了類瑞利波在鋼表面?zhèn)鞑r間與表面應力的關(guān)系，搭建空氣耦合超聲類瑞利波應力檢測系統(tǒng)，根據(jù)Snell 定律確定檢測參數(shù)，采用聲時差算法提高測量精度，對Q420 鋼不同聲程下聲彈性系數(shù)進行標定和擬合。在此基礎上對Q420 鋼進行應力無損檢測和評價，實現(xiàn)非接觸式空氣耦合一維表面應力的超聲無損檢測。最后從理論和實驗兩方面對實驗結(jié)果進行分析，證明了空氣耦合超聲類瑞利波檢測表面應力方法的可行性。

關(guān)鍵詞： 空氣耦合; 超聲波; 表面應力; 無損檢測

中圖分類號： TB9; TB551 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）03–0046–07

0 引 言

在零件材料的生產(chǎn)加工過程中，如機械加工、熱加工的焊接、切割等[1]，不可避免地會在材料內(nèi)部或表面產(chǎn)生應力。對于比較薄的材料，積聚在表面的應力會使構(gòu)件在表面或者近表面形成裂紋，這種隱藏在構(gòu)件表面的應力是導致構(gòu)件疲勞、斷裂、變形的重要因素，并具隱蔽性和危險性。探究有效的應力檢測方法對改善構(gòu)件的使用狀況具有非常重要的意義。

隨著應力檢測技術(shù)的發(fā)展，無損檢測方法應用范圍更加廣泛，主要包括中子衍射法、X 射線衍射法、磁性法和超聲法，其中超聲法應力檢測具有方便、檢測速度快、對人體無輻射傷害、成本低等優(yōu)點[2]，是無損檢測應力發(fā)展方向上最有前途的技術(shù)之一。超聲法應力檢測根據(jù)是否使用耦合劑（如水、有機玻璃等）可分為接觸式和非接觸式。

接觸式超聲測量方法需要使用耦合劑來實現(xiàn)換能器與待測試件的有效耦合。邵營[3] 簡化了聲彈性理論公式，通過拉伸標準應力試件和懸臂梁試件，進行實驗驗證了接觸法超聲表面波應力檢測的可行性。Ma[4] 針對航空發(fā)動機薄壁導管的應力檢測問題，提出了接觸式超聲蘭姆波應力檢測方法。劉彥坤[5] 基于瑞利波平面應力測量原理，實現(xiàn)了金屬平面應力的測量。上述研究中普遍使用接觸法進行檢測，在實際應用范圍內(nèi)，耦合劑需要均勻涂抹在試件表面，厚度不均勻?qū)苯佑绊懧晻r差的測量，對檢測效率以及檢測效果產(chǎn)生影響。

非接觸式超聲測量方法主要分為三類：電磁超聲、激光超聲和空氣耦合超聲[6]。陳炫宇[7] 基于磁聲發(fā)射信號，將樣本熵特征量方法應用于鐵磁性材料的應力檢測。劉海波[8] 提出一種電磁超聲橫縱波聯(lián)合測量單向應力的方法，驗證了所設計電磁超聲換能器和應力測量方法的有效性。電磁超聲測量要求樣本由導電材料制成，對檢測材料具有局限性。姬保平[9] 研究了基于激光超聲導波的鋼板內(nèi)應力檢測方法。千志科[10] 采用激光超聲方法研究了金屬試樣噴丸后的表面殘余應力分布。激光超聲使用激光脈沖立即加熱樣品表面，導致樣品快速熱膨脹，對特定的樣品材料有燒蝕風險?？諝怦詈铣暀z測技術(shù)利用空氣作為耦合介質(zhì)，使用與空氣聲阻抗匹配的多孔材料作為換能器的耦合層，解決了壓電晶片與空氣聲阻抗失配問題[11]，通過空氣耦合換能器發(fā)射和接收超聲信號，前置放大器補償超聲在空氣中的衰減，進而實現(xiàn)材料缺陷、表面應力的檢測，具有完全非接觸、無污染、材料限制少等優(yōu)點，更容易實現(xiàn)智能化檢測。

本文基于聲彈性理論，提出了空氣耦合超聲類瑞利波檢測表面應力的方法。搭建了空氣耦合超聲波檢測系統(tǒng)，研究了類瑞利波與表面應力的關(guān)系，將理論結(jié)合實驗初步驗證了空氣耦合類瑞利波法檢測鋼結(jié)構(gòu)表面應力的可行性。