空氣耦合超聲類瑞利波的表面應力檢測研究

摘 要： 該文針對鋼結構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傳播時間與表面應力的關系，搭建空氣耦合超聲類瑞利波應力檢測系統，根據Snell 定律確定檢測參數，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部或表面產生應力。對于比較薄的材料，積聚在表面的應力會使構件在表面或者近表面形成裂紋，這種隱藏在構件表面的應力是導致構件疲勞、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件的使用狀況具有非常重要的意義。

隨著應力檢測技術的發展，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、成本低等優點[2]，是無損檢測應力發展方向上最有前途的技術之一。超聲法應力檢測根據是否使用耦合劑（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，耦合劑需要均勻涂抹在試件表面，厚度不均勻將會直接影響聲時差的測量，對檢測效率以及檢測效果產生影響。

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。空氣耦合超聲檢測技術利用空氣作為耦合介質，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、材料限制少等優點，更容易實現智能化檢測。

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，研究了類瑞利波與表面應力的關系，將理論結合實驗初步驗證了空氣耦合類瑞利波法檢測鋼結構表面應力的可行性。