超声波技术评价应力研究现状

根据声弹性研究的结果，在无外界应力作用时，超声波在各向同性构件中的传播速度与有外界应力作用时的传播速度是不同的[6]。传播速度的不同与所作用的主应力大小有关。如果能分别获取有应力和无应力作用时，构件内横波和纵波的传播速度的变化，就可以测得应力的大小。超声波法的一个方案是基于超声波速度对应力状况的依赖关系，测量正交偏振两横波的回拨时间，简称为回振法。超声波法的另一个方案是在构件表面采用瑞利波与纵波，评价因应变-位移关系弱非线性引起的速度差别，由此确定其残余应力[7]。86176

超声波的产生和接收是利用超声传感器探头中压电晶体片的压电效应来实现的。超声波探伤仪产生电振荡，以高频电压的形式加载于探头中压电晶体片的两面电极上时[8]，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。弱压电晶体片与焊件表面耦合良好时，机械产生的振动便会通过超声波的形式进入被检测的工件里面，这时就产生了超声波。相反，当晶体片由于超声波的作用发生伸缩时，正压电效应会让晶体片的两面产生相反极性的电荷，这会导致超声频率的高频电压，以回波电信号的形式经探伤仪显示，这就是超声波的接收。

通过声弹性理论可以得出，进行应力评价时，超声波检测法一般都是通过建立起应力-时间差的互相关系图，从而实现材料的超声无损评价。因此，在评价应力时，计算好高精度的信号间时间差是极其关键的。但是，有很多因素会影响它的计算结果，所以研究有哪些影响计算精度的因素是必不可少的。

当超声波在工件里传播时，应力因素对超声波传播速度快慢的影响是非常小的，传播速度的变化非常小，所以很难对超声波速度进行精确的测量，并且这对我们的测量仪器也提出了很高的要求。研究结果告诉我们，当应力变化时，超声波波形基本不变，在介质中的传播距离也不变。初始信号开始的时间相同时，接收信号有偏移的现象，这就是时间差，时间差可以反应应力对超声波速度的影响。

超声波技术不仅是五大常规无损检测技术之一，也是应用领域最广的一种检测技术，具有使用方便、安全可靠、对人体无伤害、检测速度快、可实现在线检测以及定量评价等优点，因而在无损评价领域得到广泛应用。超声波技术是利用超声波在介质中传播时与异质界面发生反射、散射、透射及模式转换等相互作用[9]，并通过对其信号进行分析而实现材料质量评价的一种技术。

如今，超声波技术飞速发展，对信号处理的技术也在不断进步，超声波检测技术已经成为应用最广泛的一种无损检测技术。它不仅能实现材料组织结构、硬度、缺陷等的评价，还可实现材料某些力学性能的评价，但对材料早期应力损伤的评价（出现宏观缺陷之前），常规超声波技术却无能为力。非线性超声波技术是在常规超声波技术基础上发展而成的一种新技术，通过提高激励电压，并提取检测信号中的非线性信号从而实现材料早期损伤的无损评价。但由于检测设备价格昂贵、技术不成熟等原因严重制约了该技术的应用。因此，寻找一种能够对材料早期应力损伤进行评价的方法就显得非常重要。

超声波应力检测技术的发展经历的较长的过程。1929年，由S。Y。Sokolov第一次提出利用超声波穿透法寻找金属中隐藏的并且不连续的缺陷，并发明了基于压电效应的成像管。1931年，Q。Muhlhanser申请了超声无损检测的第一个专利，提出了基于超声连续波的不连续性检测方法。1944年，F。A。Fireston发明了采用超声脉冲反射法的探伤装置和测量仪器，同时在焊缝的横波检测和换能器的阻尼方法以及表面超声波超声检测方面的研究取得了显著的进展。这标志着超声波用于探伤检测的开始。1946年，D。O。Sproule提出发射和接收换能器分开的脉冲回波技术并研制出了应用于钢材探伤的A型脉冲发射式超声波探伤仪。1964年，Krautkramer公司成功研制出小型超声探伤仪，这是超声波检测发展道路上的一个里程碑[10]。