本文基于声弹性理论研究了超声表面波在固体材料近表面的传播特性和表面应力之间的关系,优化了表面波声弹性公式,建立了结构表面应力和超声表面波相对传播时间差的简明关系,为表面应力的超声表面波无损检测提供了理论依据。搭建了超声检测基础实验平台,该实验系统由超声脉冲发生器、数字记忆示波器、计算机、表面波探头和信号采集装置组成。其中设计的一对微型表面波组合探头,采用一发一收的实验模式。系统具有很高的采样频率和稳定性,保证了时间测量的精确性。为准确提取超声表面波信号序列中的有用信息,信号采集系统将采集到的超声波形的数字信号存储在计算机中,对超声信号、进行了中值滤波预处理,分别引入了数字相关分析法和傅立叶变换法对超声信号进行了时域和频域处理,精确识别计算信号间的传播时间差。通过模拟计算,对相关运算的算法可靠性进行了验证,讨论了不同采样窗长对相关计算的影响,应用插值技术提高了时间差测量的计算精度。同时研究了采用傅立叶变换方法提取超声表面波信号的相位值,通过比较不同应力水平下对应的类正弦信号的相位差计算表面波的传播时间差。研究表明数字相关分析法在其精度和效率方面更具优势,故作为本课题的主要信号分析算法。对不同应力状态下采集的超声表面波信号的处理,实现了超声信号时间差的精确读取。通过单向拉伸标准实验标定了A3钢、铝合金和有机玻璃等材料的超声表面波传播时间差与表面应力关系的实验曲线,由此拟合得到了不同材料相应的声弹性系数。详细分析了声弹性实验的影响因素,包括试件表面粗糙度和平整度等特性对表面波传播时间测量的影响,并给出了金属材料在不同表面条件下的实验分析结果,为实验误差的抑制提供了有效途径。实现了一维表面应力的表面波声弹性无损测量,初步应用于工程实际,对桥梁的箱梁结构焊接件进行了残余应力无损检测及评价。并对二维复杂表面应力检测进行了研究,应用主应力分离技术解决了二维应力测量的关键基础性问题。