缺陷和残余应力会影响机械构件的综合性能,尤其是力学性能、疲劳寿命。如何能够快速无损的检测出构件的缺陷和残余应力,一直是国内外工业界和学术界的研究热点。针对缺陷和残余应力检测问题,本文研究了两种形式的超声波,即Rayleigh波和临界折射纵波(LCR波),基于Rayleigh波波动理论研究了空耦超声表面波金属表面缺陷检测技术,基于临界折射纵波检测理论研究了复合材料残余应力临界折射纵波检测技术。文中首先介绍了缺陷和残余应力的研究背景和意义,分析总结了国内外表面波检测技术、空气耦合超声检测技术、临界折射纵波检测技术、复合材料应力检测技术的研究现状,突显了空气耦合缺陷检测技术和复合材料残余应力检测技术研究的必要性。其次,本文推导了Rayleigh波的振动和传播理论公式,介绍了Rayleigh波的产生方式和性质,研究了超声波在空气中的衰减特性和阻抗特性,提出了空气耦合方式的实现难点,为空耦表面波检测系统的搭建提供了理论支撑。基于声弹性理论,研究了弹性波的传播声速与应力的关系,介绍了临界折射纵波的激励方式,推导了临界折射纵波声时法应力检测的理论公式,为临界折射纵波检测系统的搭建奠定了理论基础。基于推导总结出的理论依据,文中搭建了空耦超声表面波检测系统和复合材料残余应力临界折射纵波检测系统。文中介绍了空耦超声表面波检测系统的主要硬件组成,利用该套检测系统验证了表面波的激励和接收情况,进一步研究了表面波空气耦合方式检测表面缺陷的可行性。文中对复合材料残余应力临界折射纵波检测系统的硬件组成和软件组成进行了介绍,对软件采用的计算算法进行了分析,并通过两种典型复合材料的拉伸实验,研究了应用临界折射纵波方法检测复合材料残余应力的可行性。空耦超声表面波检测技术和复合材料残余应力临界折射纵波检测技术有着良好的应用前景,对其进行理论和实验研究,探究其检测规律,对完善这些检测技术,有着重要的实践意义。