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声表面波器件是用来进行残余应力无损检测的方法之一，工程实践表明构件中加工残余应力为渐变型非均匀应力。本文根据工程中可能存在的残余应力分布情况，研究表面梯度残余应力对弹性波层状结构中广义Rayleigh面波的影响。含残余应力的半空间结构被视作有残余应力的覆盖层和无残余应力的弹性半空间复合而成的层状结构。当梯度残余应力呈非单调变化时，分别采用双层结构模型和三层结构模型。运用弹性动力学基本理论、波函数的试探解将问题转化为求解二阶变系数常微分方程组。残余应力可表示为幂级数的形式并采用幂级数法得到渐近解析解。通过对计算结果的精度进行分析，当残余应力呈非单调变化时，两种结构模型均可得到精确的广义Rayleigh面波的频散曲线。数值算例的结果表明，当残余应力单调变化时，表面层压应力的增大会引起广义Rayleigh面波波速的降低和模态的增加；反之，表面层拉应力的增大会导致广义Rayleigh面波波速的增加，模态数不变。这些结果为利用广义Rayleigh波实现梯度残余应力无损检测提供理论基础。