基于分段正弦信号激发的LCR波应力检测的研究

　　0　引言

　　构件的内部应力能有效反应构件的质量及工作状态，因此检测构件的内部应力对于提高工件的安全性，预防安全事故的发生有重要意义。超声波作为一种有效的检测手段，以其无损、快速和精确的优点，在构件的应力检测中已广泛应用。

　　临界折射纵波(LCR波)，在介质表面以下平行于表面进行传播，对沿其传播方向的应力变化有很强的敏感性，且具有较低的衰减率[1]。因此，它的发现为超声波检测应力提供了新的思路。但在利用脉冲信号激发LCR波检测构件应力时，LCR波在被测材料中传播时会有较大的衰减，这就需有较大的发射能量来激发LCR波;同时，LCR波在被测材料中传播时碰到耗散介质，由于耗散介质的吸收或反射，会使接收到的LCR波产生变形[2-3]，这给提高数据处理精度带来难度。

　　本文提出基于分段正弦信号激发 LCR的应力检测方法，利用分段正弦电压信号驱动超声换能器，能以较小的能量在试件中激励出 LCR波，同时，使2个接收探头接收到的 LCR波波形相似度得到提高，从而实现构件内部应力的高精度检测。

　　1　LCR波应力检测原理

　　1.1　LCR波产生原理

　　超声纵波在2种不同声阻抗介质的界面会发生反射、折射及波型的转换。如图1所示，在介质Ⅰ中，入射纵波的一部分能量被界面反射，另一部分能量进入介质Ⅱ中，形成折射纵波和折射横波。图中，φ0为超声纵波入射角，φ1与φ2为超声纵波和横波的折射角。

　　根据Snell定律[4]，超声波的折射角不仅跟入射角有关，也跟介质中超声波的传播速度相关，即

　　式中：v0、v1分别为超声纵波在介质Ⅰ、Ⅱ中的传播速度;v2为超声横波在介质Ⅱ中的传播速度。

　　当φ1=90°时，称此时对应的纵波入射角为第一临界角。根据Snell定律，第一临界角

　　根据应力和波速间的线性关系，应力的变化会引起介质中波速的改变，因此φ并非恒定不变[5]。一般情况下，这种微小变化是可忽略，近似认为φ是一个常量。当超声纵波以第一临界角入射时，折射纵波的大部分能量以“非均匀压缩波”的形式平行于物体表面向前传播，这种波就被称为临界折射纵波，即LCR波。

　　1.2　LCR波测量应力原理

　　运用LCR波进行应力检测是利用声速与应力间的关系，通过测量声速的变化来测量应力。

　　Hughes利用超声波测定出晶体三阶弹性系数后，与Kelly共同提出了在各向同性材料中声速与应力关系的早期表达形式，建立了声波在材料中传播速度与应力间的关系[6]。Bray等研究表明[7]，纵波对沿波传播方向的应力变化最敏感，其次是横波，而其他波几乎不受影响，所以纵波较适合用于对应力的状态进行评估。