空氣耦合超聲類瑞利波的表面應(yīng)力檢測(cè)研究

摘 要： 該文針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力提出了非接觸式空氣耦合超聲類瑞利波檢測(cè)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(shí)間與表面應(yīng)力的關(guān)系，搭建空氣耦合超聲類瑞利波應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)Snell 定律確定檢測(cè)參數(shù)，采用聲時(shí)差算法提高測(cè)量精度，對(duì)Q420 鋼不同聲程下聲彈性系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定和擬合。在此基礎(chǔ)上對(duì)Q420 鋼進(jìn)行應(yīng)力無損檢測(cè)和評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)非接觸式空氣耦合一維表面應(yīng)力的超聲無損檢測(cè)。最后從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，證明了空氣耦合超聲類瑞利波檢測(cè)表面應(yīng)力方法的可行性。

關(guān)鍵詞： 空氣耦合; 超聲波; 表面應(yīng)力; 無損檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TB9; TB551 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 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(jī)械加工、熱加工的焊接、切割等[1]，不可避免地會(huì)在材料內(nèi)部或表面產(chǎn)生應(yīng)力。對(duì)于比較薄的材料，積聚在表面的應(yīng)力會(huì)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(yīng)力是導(dǎo)致構(gòu)件疲勞、斷裂、變形的重要因素，并具隱蔽性和危險(xiǎn)性。探究有效的應(yīng)力檢測(cè)方法對(duì)改善構(gòu)件的使用狀況具有非常重要的意義。

隨著應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測(cè)方法應(yīng)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(yīng)力檢測(cè)具有方便、檢測(cè)速度快、對(duì)人體無輻射傷害、成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]，是無損檢測(cè)應(yīng)力發(fā)展方向上最有前途的技術(shù)之一。超聲法應(yīng)力檢測(cè)根據(jù)是否使用耦合劑（如水、有機(jī)玻璃等）可分為接觸式和非接觸式。

接觸式超聲測(cè)量方法需要使用耦合劑來實(shí)現(xiàn)換能器與待測(cè)試件的有效耦合。邵營[3] 簡(jiǎn)化了聲彈性理論公式，通過拉伸標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力試件和懸臂梁試件，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了接觸法超聲表面波應(yīng)力檢測(cè)的可行性。Ma[4] 針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄壁導(dǎo)管的應(yīng)力檢測(cè)問題，提出了接觸式超聲蘭姆波應(yīng)力檢測(cè)方法。劉彥坤[5] 基于瑞利波平面應(yīng)力測(cè)量原理，實(shí)現(xiàn)了金屬平面應(yīng)力的測(cè)量。上述研究中普遍使用接觸法進(jìn)行檢測(cè)，在實(shí)際應(yīng)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)?huì)直接影響聲時(shí)差的測(cè)量，對(duì)檢測(cè)效率以及檢測(cè)效果產(chǎn)生影響。

非接觸式超聲測(cè)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(hào)，將樣本熵特征量方法應(yīng)用于鐵磁性材料的應(yīng)力檢測(cè)。劉海波[8] 提出一種電磁超聲橫縱波聯(lián)合測(cè)量單向應(yīng)力的方法，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)電磁超聲換能器和應(yīng)力測(cè)量方法的有效性。電磁超聲測(cè)量要求樣本由導(dǎo)電材料制成，對(duì)檢測(cè)材料具有局限性。姬保平[9] 研究了基于激光超聲導(dǎo)波的鋼板內(nèi)應(yīng)力檢測(cè)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(yīng)力分布。激光超聲使用激光脈沖立即加熱樣品表面，導(dǎo)致樣品快速熱膨脹，對(duì)特定的樣品材料有燒蝕風(fēng)險(xiǎn)。空氣耦合超聲檢測(cè)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(hào)，前置放大器補(bǔ)償超聲在空氣中的衰減，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料缺陷、表面應(yīng)力的檢測(cè)，具有完全非接觸、無污染、材料限制少等優(yōu)點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)。

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