基于TDC的LCR波切向应力检测方法的研究

　　1　引言

　　应力的检测和分析一直是工程结构中不可缺少的重要环节,它们在工业生产,尤其是国防、航空航天以及交通运输等领域中具有十分重要的作用。小到金 属螺栓,大到钢轨、桥梁,甚至飞机两翼,它们的安全状态都可以通过其内部的应力状况反映出来。多年来国内外各研究单位一直致力于工程结构应力检测和分析领 域的研究,不少应力检测技术已经应用到实际工程中。

　　近年来,超声波检测技术以其良好的无损性和较高的测量精度以及便捷性等优势得到很大的发展,许多超声波应力检测技术和测量仪器相继出现,其中许 多检测方法已发展为很成熟的技术。目前常规的超声波检测方法主要包括纵波法、表面波法等等[1]。然而,纵波法仅适用于测量具有相对端面且两端面距离较近 物体的法向应力,对于长距离内无相对端面的连续体,则无法使用这种方法进行测量,如无缝钢轨中应力的分布情况。表面波法利用声表面波频率与应力的线性变化 关系体现对应力的敏感性,表面波沿介质表面传播,其发射和接收装置也能够安装在被测物体表面,因此能直接在零件表面测量其中的应力状况,但声表面波进入介 质的深度较浅,通常仅为一个波长左右,因此无法完整、准确反映零件的内部应力。

　　临界折射纵波(critically refracted longitudinal wave,LCR)的发现为超声波应力测量开辟了新的思路。LCR波在物体表面以下平行于表面进行传播,传播深度通常能达到数个波长。作为一种特殊的纵 波,LCR波对沿其传播方向的切向应力有很强的敏感性,此外,LCR波还具有较低的衰减率[2]。利用特殊的发射和接收装置,可以从表面测得波传播方向上 切向应力的大小。

　　2　用LCR波检测切向应力的基本原理

　　2.1　LCR波的产生机理和特性

　　当一束超声波以一定的入射角到达两种不同声阻抗介质间的分界面时,在分界面处会发生波型的转换。如图1所示,一部分能量在介质Ⅰ中被界面反射, 反射角等于入射角(θ0);另一部分能量进入到介质Ⅱ中,形成折射横波和折射纵波。其中,折射现象中的折射角不仅与入射角有关,还与超声波在两种介质中的 传播速度有关,这种关系可以用Snell定理[3]进行描述,即

　　其中,V0和VL分别为纵波在介质Ⅰ和介质Ⅱ中的传播速度,VS为横波在介质Ⅱ中的传播速度,θ0为介质Ⅰ中纵波的入射角,θL和θS分别为介质Ⅱ中纵波和横波的折射角。

　　当纵波从波速较慢的介质(比如有机玻璃)传播到波速较快的介质(比如45钢)当中时,会有一个特殊入射角使折射纵波的折射角等于90°,这个角度即是第一临界角θCR,该角度为