鋼構件的應力狀態是結構安全性能的一個重要指標。為對存在安全隱患的鋼構件及時進行維護和加固，有必要開展鋼構件應力的無損檢測，通過采集和分析鋼構件應力數據，對結構的安全性能進行評估。超聲波法具有可以定向發射、穿透力強、檢測儀器便攜等優點，是目前應力無損檢測手段中應用最廣泛的一種。
HUGHES等提出的受力固體中彈性波波速的表達式為聲彈性理論奠定了基礎，也為基于聲彈性理論開發超聲無損檢測技術提供了可能。現有研究中，測量鋼構件單向應力的超聲無損檢測技術分為橫波法、縱波法、表面波法、導波法和臨界折射縱波法。當超聲橫波垂直入射到受力固體中時，將分解為兩個偏振方向相垂直、傳播速度不同的橫波分量。其中，粒子沿施加應力方向運動的橫波分量與粒子垂直于施加應力方向運動的橫波分量相比，前者的速度變化大于后者的速度變化。因此，兩個橫波分量的速度差可用于測量單向應力。
在此基礎上，譜分析技術的引入為超聲橫波無損檢測的進一步發展提供了可能。BLINKAl等發現，反映了兩波分量速度差異的兩波分量之間的干涉會影響入射橫波，從而產生回波頻譜。換句話說，回波頻譜是入射波頻譜在干涉因子作用下的結果。如果應力測量的靈敏度定義為應力變化引起的被測物理參數的變化，那么相對于傳統的聲時法，回波頻譜中的特征量對應力更為敏感。譜分析技術與超聲波法的結合為提高鋼構件應力測量的靈敏度提供了可能。
由此，筆者提出了一種利用超聲回波幅度譜中的一個特征量——第一特征頻率來檢測鋼構件應力的方法。
為了提高該方法的適用性，筆者對基于超聲回波幅度譜的鋼構件絕對應力檢測溫度影響進行研究，依據所提出的利用超聲回波幅度譜中第一特征頻率檢測鋼構件應力的方法，推導考慮溫度影響的鋼構件絕對應力檢測修正公式，并通過試驗來總結溫度對應力檢測的影響程度和規律，同時對修正公式進行驗證。
一、考慮溫度影響的鋼構件絕對應力檢測修正公式
在沒有考慮溫度影響的情況下，可利用超聲回波幅度譜中第一特征頻率檢測鋼構件應力，其檢測公式為：
（1）
式中：σ為鋼構件絕對應力；f*1為第一特征頻率；κ，γ為應力-波譜參數。應力-波譜參數與構件材料、構件厚度有關，其表達式為：
（2）
（3）
式中：t0為橫波在鋼構件無應力狀態下的傳播聲時；μ為Lamé常數；n為Murnaghan常數；α為初始聲各向異性因子。
Lamé常數μ和Murnaghan常數n是對溫度不敏感的常參數，初始聲各向異性因子α與初始材料織構有關，因此，溫度對應力-波譜參數的影響主要集中在鋼構件無應力狀態下橫波的傳播聲時t0上。
根據熱彈性理論，隨著溫度的升高，超聲波波速會逐漸降低，且兩者具有較好的線性關系：
（4）
式中：νT為溫度為T時的超聲波波速；νT0為溫度為T0時的超聲波波速；ξ為溫度-波速因子；ΔT為T與T0的溫差。
設待測構件在超聲橫波傳播方向上的初始尺寸為l0，待測構件的線膨脹系數為β，基準溫度為T0，無應力狀態基準溫度下的波速為νT0，對應的傳播聲時為tT0。當溫度發生變化，溫差達到ΔT時，溫度變化引起待測構件的熱脹冷縮，使得超聲回波聲程變為2l0(1+βΔT)。因此，溫度為T時的超聲回波傳播聲時為：
（5）
用麥克勞林公式來表達式(5)，再進行簡化得到：
（6）
基準溫度下，將無應力狀態對應的傳播聲時tT0代入式(2)中，可得基準溫度下應力-波譜參數κT0。同理，將發生ΔT溫度變化后溫度T下的傳播聲時tT代入式(2)中，可得溫度T下應力-波譜參數κT。根據式(6)，κT0和κT存在關系：
（7）
定義λ*為溫度修正因子，其表達式為：
（8）
由此，基于超聲回波幅度譜的鋼構件絕對應力檢測，在溫度為T時的修正公式為：
（9）
二、溫度修正因子的標定
基于超聲回波幅度譜的鋼構件絕對應力檢測修正公式中，基準溫度下應力-波譜參數κT0和應力-波譜參數γ可通過在基準溫度下進行標定試驗得到。對于溫度修正因子λ*，則可以通過其他試驗進一步確定。
結合式(6)和式(8)，可得：
（10）
式(10)揭示了溫度差異導致的傳播聲時變化率tT/tT0-1與溫度差異ΔT之間的關系。因此，可通過改變溫度來確定溫度修正因子λ*。
溫度修正因子標定的試驗步驟如下：
(1) 以65鋼為研究對象，試件尺寸為：長50 mm，寬29.71 mm，厚17.6 mm，在試件的檢測點涂耦合劑，將超聲純橫波探頭對準檢測點并固定在試件上，放入JQ-2000型恒溫箱。選用Olympus V156型超聲純橫波探頭，Olympus 5072PR型超聲發射接收器，Tektronix MDO3024型示波器。溫度修正因子標定試驗系統構成如圖1所示。
圖1 溫度修正因子標定試驗系統構成
(2) 從25 ℃開始，以5 ℃為間隔升溫。在每個溫度下維持2小時，以保證試件受熱均勻，然后采集其超聲回波信號。
(3) 以25 ℃為基準溫度T0，對應的傳播聲時為tT0。以回波的第一個波谷為參考點，通過計算一次回波與二次回波之間的延遲時間，得到不同溫度下的超聲回波傳播聲時，由此可計算得到溫度差異導致的傳播聲時變化率tT/tT0-1。
(4) 獲得不同溫差ΔT及其對應的傳播聲時變化率tT/tT0-1之間的對應關系，如表1所示，對其進行擬合，擬合結果如圖2所示。
表1 由不同溫差ΔT與傳播聲時變化率tT/tT0-1之間的對應關系
圖2 不同溫差ΔT及其引起的傳播聲時變化率tT/tT0-1的擬合直線
從圖2可以看出，標定試驗中，控制溫度從25 ℃開始上升，隨溫差ΔT的增大，傳播聲時變化率tT/tT0-1也增大，且表現出良好的線性趨勢。擬合得到的表達式可確定溫度修正因子λ*=1.626×10-4 ℃-1。
溫度對超聲檢測的影響主要體現在兩個方面，即溫度變化對超聲波波速的影響以及溫度變化引起的構件熱脹冷縮。根據式(8)，將溫度的影響集中在溫度修正因子λ*上。溫度修正因子λ*包含兩個部分，待測構件的線膨脹系數β和溫度-波速因子ξ。通過查詢資料，得到鋼的線膨脹系數β=1.21×10-5~1.35×10-5 ℃-1。因此，從量級上看，溫度對應力檢測的影響主要體現在溫度對波速的影響上。
三、考慮溫度影響的鋼構件單向絕對應力檢測試驗
同樣以上述試件為試驗對象，通過基于超聲回波幅度譜的鋼構件絕對應力檢測方法中標定應力-波譜參數的方法在基準溫度25 ℃下進行標定試驗，來確定應力-波譜參數κT0和γ，結果分別為13631.016和1563.165。結合溫度修正因子λ*=1.626×10-4 ℃-1，可得考慮溫度影響的基于超聲回波幅度譜的鋼構件絕對應力檢測修正公式，并根據此公式進行絕對應力檢測。
該試驗需要同時進行加載和控溫，因此，采用千斤頂作為加載裝置，如圖3所示，試驗時將其與待測構件、超聲波探頭放置在HYHW-12A型步入式恒溫箱中，應力檢測試驗現場如圖4所示。
圖3 加載裝置實物
圖4 應力檢測試驗現場
為驗證考慮溫度影響后，所提出的鋼構件應力檢測修正公式的準確性，將試驗結果與應變片法的檢測結果進行對比。將自補償應變片沿受力方向布置在待測構件的四周，用502膠水進行黏貼，并與應變采集儀連接，以驗證待測構件受到軸向力的作用，同時獲取應變。通過預加載，根據各應變片的變化值進行調整并固定千斤頂，以確保待測構件受力為軸向受力。
在搭建的應力檢測試驗系統上進行驗證試驗，獲取超聲回波信號，經過信號處理，得到第一特征頻率，將其代入標定了溫度修正因子和應力-波譜參數的應力檢測溫度修正公式，計算得出不同溫度下鋼構件的絕對應力。
選擇5個溫度點，在每個溫度點隨機加載，并根據文中方法求解鋼構件絕對應力，并對鋼構件重復進行三組考慮溫度影響的絕對應力檢測試驗，三組試驗的檢測結果如表2~4所示。
表2 考慮溫度效應的第一組應力檢測結果
表3 考慮溫度效應的第二組應力檢測結果
表4 考慮溫度效應的第三組應力檢測結果
從表2~4可以看出，不同溫度下，基于超聲回波幅度譜的鋼構件絕對應力檢測結果與應變片法檢測結果的相對誤差隨控制溫度的上升而增大。產生誤差的主要原因是高溫條件下，超聲回波信號出現了衰減，且受到一定程度的干擾。總體而言，通過溫度修正后的應力檢測公式，可以在8%的誤差范圍內檢測應力，說明該方法具有一定的準確性。
四、溫度對超聲橫波信號傳播衰減的影響
在溫度修正因子標定試驗中發現，高溫條件下，超聲回波信號會出現衰減，且受到一定程度的干擾。圖5和圖6分別為25 ℃和45 ℃下的超聲回波信號。
圖5 25 ℃下的超聲回波信號
圖6 45 ℃下的超聲回波信號
分析信號傳播衰減的原因，主要考慮以下三個方面：
1、由于長時間處于高溫狀態，耦合劑的界面耦合作用減弱；
2、高溫影響了探頭對信號的發射接收；
3、在高溫環境下，超聲橫波信號的傳播受到阻礙，原因是傳播介質即鋼試件中的粒子熱運動加劇，使得傳播介質傳遞波的能力減弱。
對于第一點，筆者所選用的耦合劑適用溫度最高為550 ℃（其對超聲信號影響不大），因此，文章針對后兩點可能造成超聲信號衰減的原因進行試驗，探求超聲信號衰減的主因。
以基準溫度下超聲回波信號幅值的峰值為基準峰值，用不同溫度下超聲回波信號幅值的峰值與基準峰值做比（即幅值峰值比）來反映超聲信號的衰減程度。幅值峰值比越接近于1（100%），說明超聲信號衰減程度越小，反之，幅值峰值比越小則代表超聲信號衰減程度越大。
第一組試驗采用兩個超聲橫波探頭對接（一發一收），轉動兩探頭使得直角連接器朝向一致，以確保兩探頭發射和接收的橫波偏振方向相同，并用膠布對其固定。完成一組變溫試驗后，交換兩探頭發射和接收的作用，重復一組變溫試驗，試驗結果如圖7所示。
圖7 探頭對接變溫試驗中接收信號幅值峰值比曲線
由圖7可以看出，隨著溫度的升高，接收信號幅值的峰值比降低，但因探頭受高溫影響而產生的超聲波衰減程度并不嚴重，說明所選用的探頭在工作時受溫度的影響不大，性能較為穩定。
第二組試驗研究了傳播介質溫度對超聲回波信號幅值衰減的影響，將探頭固定在鋼試件上后，用具有信號屏蔽功能的膠布包裹探頭，減少外部干擾對探頭的影響；再將探頭和鋼試件放入恒溫箱進行變溫試驗，計算幅值峰值比，試驗結果如圖8所示。
圖8 介質變溫試驗中接收信號幅值峰值比曲線
分析圖8可知，接收信號幅值的峰值比隨著溫度的升高顯著降低。當溫度達到75 ℃，幅值峰值比下降到20.30%，此時接收信號嚴重衰減，其強度已經接近噪聲信號強度。如果溫度繼續上升，將難以分辨噪聲信號和接收信號。對比探頭對接試驗結果，可以認為超聲信號的衰減主要是在介質中傳播時產生的，溫度升高導致了鋼試件內部粒子熱運動加劇，超聲橫波信號的傳播受到阻礙，傳播介質傳遞波的能力減弱。
五、結論
1、提出了基于超聲回波幅度譜的鋼構件應力檢測受溫度影響的修正公式，并進行了考慮溫度影響的鋼構件單向絕對應力檢測試驗，驗證了所提方法的可靠性和準確性。
2、探究得出高溫影響下超聲信號衰減的主因，即溫度升高導致傳播介質即鋼試件中的粒子熱運動加劇，傳播介質傳遞波的能力減弱。
