基于LFMCW的L_(CR)波切向正应力检测方法的研究

　　1 引 言

　　应力的检测和分析是工程结构分析中一个非常重要的方面, 在航空航天、工业生产、交通运输等领域中, 显得尤为重要, 如螺栓、钢轨、桥梁、飞机两翼等的安全状态都可以通过其内部的应力状况反映出来。目前, 超声检测已广泛应用于工业测试中, 基于声弹性理论的超声应力检测技术受到广泛的关注。LCR波, 即临界折射纵波, 作为一种特殊的超声纵波, 其沿浅表面传播, 对沿其传播方向的正应力有着很强的敏感性。因此, 利用特殊的发射和接收装置, 得到 LCR波的传播时间, 就可以在表面直接测量物体内部的切向正应力[1]。

　　LCR波切向正应力检测中, LCR波在介质中传播时的衰减较大, 这就要求LCR波具有较大的发射能量,同时, 应力的变化引起波速的变化较小, 这样在一定传播距离上, 应力的变化引起传播时间的变化也相对较小。再者, 在激发 LCR波的同时将会因折射过程中的波形转换同时激发出超声横波, 其频率相同但波速不同, 与 LCR波一起在介质中传播, 这样, 在接收的LCR波脉冲中, 就伴随着多个成分的同频超声波, 如何有效的分离LCR波与其他超声波成为一个棘手的问题。相对于脉冲波方式激发[2], 采用线性调频连续波(linear frequency modulated continuous wave,LFMCW)来激发 LCR波, 能有效的解决上述问题, 从而实现 LCR波对切向正应力的便捷精确检测。

　　2 LCR波应力测量原理

　　2.1 LCR波的产生机理

　　超声波从波速较慢的介质I 斜入射到波速较快的介质 II, 将会发生反射、折射和波型的转换, 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), 另一部分进入到介质II 中, 形成折射横波和折射纵波。

　　折射现象中的折射角(θS, θ1)不仅与入射角有关系, 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 定理进行描述, 即:

　　式中: 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, 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传播到波速较快的介质中时, 会有一个特殊入射角使折射纵波的折射角等于 90°, 这个角度就是第一临界角, 该角度为：

　　根据声弹性理论, 应力和波速之间存在近似的线性关系, 应力的变化会引起介质中波速的改变,因此 θcr并非是恒定不变的[3-4]。只不过一般情况下,在折射角θ1接近90°时, 声波可以认为是近似的沿表面平行传播, 这种微小的变化是可忽略的, 所以这里近似认为 θcr是一个常量。

　　当超声纵波以第一临界角入射到两种介质的界面时, 折射波大部分能量将以“非均匀压缩波”的形式沿表面传播, 并随着传播的深度而呈指数级衰减,这种复杂的超声波就是 LCR波, 也称为次表面纵波(subsurface longitudinal wave, SSLW)。