汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧氏(shi)體不銹鋼的超聲波探傷歷來是行業內重點研究內容。因為奧氏體組織本身晶粒度較大，會產生大量的干擾信號，給時域內超聲缺陷信號判斷帶來極大困難。本書將以短時傅里葉變換信號處理技術為基礎，簡要介紹奧氏體不銹鋼無縫鋼管裂紋缺陷的信號處理方法。

一(yi)、短時傅里葉變(bian)換

短時(shi)(shi)傅里(li)葉變換(huan)的(de)實(shi)質是(shi)一種(zhong)加窗(chuang)后的(de)移(yi)動傅里(li)葉變換(huan)，假設有一信號(hao)s(t),其短時(shi)(shi)傅里(li)葉變換(huan)的(de)定義(yi)如下(xia)：

 根(gen)據式（4.9)~式（4.11),在(zai)某特定時刻b,用寬(kuan)度(du)為2τ的(de)時間窗截取(qu)信(xin)號(hao)s(t),對所得信(xin)號(hao)做快速傅里(li)葉(xie)變換，可獲得信(xin)號(hao)s(t)在(zai)特定時刻b的(de)幅度(du)譜，將時間窗后移(yi)，依次進行相同(tong)操作，最終得到某一頻率的(de)信(xin)號(hao)在(zai)整(zheng)個信(xin)號(hao)有效時間內(nei)的(de)幅度(du)譜，該方法(fa)稱(cheng)為短時傅里(li)葉(xie)變換。

 1. 窗函數類(lei)型選擇

 對短時(shi)傅里葉變換(huan)而言(yan)，窗函數與(yu)窗函數寬(kuan)度的(de)選(xuan)擇是關鍵因(yin)素，不(bu)同的(de)窗函數有各自(zi)的(de)頻率特性，窗寬(kuan)度的(de)選(xuan)擇要同時(shi)考慮時(shi)間分(fen)辨率和頻率分(fen)辨率。

  圖4.13為(wei)304奧氏體不銹鋼無(wu)縫管粗(cu)晶反(fan)射信號，反(fan)射信號長度為(wei)46個采(cai)樣點，按窗(chuang)寬度50個采(cai)樣點選(xuan)擇不同窗(chuang)函(han)數(shu)分別做STFT處理(li)。不同窗(chuang)函(han)數(shu)的STFT處理(li)結果如圖4.14所示。

 分析(xi)不同窗(chuang)(chuang)函數STFT圖，矩形窗(chuang)(chuang)、三角(jiao)形窗(chuang)(chuang)以(yi)及海明窗(chuang)(chuang)STFT處(chu)理(li)后(hou)的(de)信號(hao)粗糙，光順(shun)度(du)不夠，信號(hao)峰值較(jiao)(jiao)(jiao)難獲(huo)取，不宜(yi)(yi)采用；漢(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)以(yi)及布萊克(ke)曼(man)窗(chuang)(chuang)STFT處(chu)理(li)后(hou)的(de)信號(hao)比較(jiao)(jiao)(jiao)順(shun)滑(hua)，信號(hao)峰值較(jiao)(jiao)(jiao)易確定。對比漢(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)、布萊克(ke)曼(man)窗(chuang)(chuang)，漢(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)STFT處(chu)理(li)所得(de)信號(hao)幅(fu)值較(jiao)(jiao)(jiao)大，分辨精度(du)較(jiao)(jiao)(jiao)高(gao)，故(gu)選(xuan)擇該(gai)窗(chuang)(chuang)函數較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)適宜(yi)(yi)。

2. 窗函數寬度(du)選擇

 分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)是短時傅(fu)里葉變(bian)換的(de)一個重要參數，窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)的(de)選擇決定能否正確分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)出(chu)原始信號中的(de)頻(pin)率(lv)(lv)變(bian)化情況。分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)越窄(zhai)，局部頻(pin)譜(pu)的(de)頻(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)(jiu)越低，時間(jian)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)(jiu)越高；相(xiang)反，分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)越寬(kuan)(kuan)，局部頻(pin)譜(pu)的(de)頻(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)(jiu)越高，時間(jian)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)(jiu)越低。因此需要找到(dao)一個合適的(de)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)，使得局部頻(pin)譜(pu)在頻(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)與時間(jian)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)達到(dao)最優效果(guo)。

 采用漢寧窗，選擇不(bu)同窗寬度對上述奧氏(shi)體(ti)不(bu)銹(xiu)鋼粗晶(jing)反射信號做STFT處(chu)理，得到多(duo)個頻(pin)率的時間－幅值譜，其(qi)結果如(ru)圖4.15所(suo)示。

 分(fen)析圖4.15a,當窗寬(kuan)度(du)(du)等于超聲反(fan)(fan)射(she)(she)(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)時，處理結果(guo)的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)不足，其中4MHz、5MHz單(dan)(dan)頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)較難(nan)分(fen)辨(bian)；圖4.15b窗寬(kuan)度(du)(du)增加(jia)到反(fan)(fan)射(she)(she)(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)的(de)1.2倍(bei)，單(dan)(dan)頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)有所增加(jia)；圖4.15c窗寬(kuan)度(du)(du)為反(fan)(fan)射(she)(she)(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)的(de)1.5倍(bei)，單(dan)(dan)頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)時間分(fen)辨(bian)率(lv)及頻(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)均達到最優(you)；圖4.15d窗寬(kuan)度(du)(du)等于反(fan)(fan)射(she)(she)(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)的(de)2倍(bei)，單(dan)(dan)頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)時間分(fen)辨(bian)率(lv)明(ming)顯降(jiang)低。因此STFT處理的(de)窗函數最佳寬(kuan)度(du)(du)應在超聲反(fan)(fan)射(she)(she)(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)的(de)1.5倍(bei)左右(you)。

二、粗晶奧氏體不銹鋼管裂(lie)紋缺陷檢測

 以外徑21mm、厚度3.2mm的304奧(ao)氏體不銹(xiu)鋼無縫鋼管(guan)為基管(guan)，細晶(jing)(jing)試樣(yang)不做熱處(chu)理，通(tong)過(guo)1280℃/4h的熱處(chu)理工藝獲(huo)得(de)粗(cu)晶(jing)(jing)試樣(yang)，分別在細晶(jing)(jing)和(he)粗(cu)晶(jing)(jing)樣(yang)管(guan)上通(tong)過(guo)電火花(hua)加工人工缺陷長(chang)5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢測超聲中心(xin)頻率5MHz,超聲檢測信(xin)號如(ru)圖(tu)4.16所示。

 對(dui)上述信號做(zuo)快速傅里葉(xie)變換處理(li)，得到各自的時頻(pin)信號圖如圖4.17所示。

 分析圖4.17,當頻率較低時(shi)，通常低于(yu)4MHz情況下奧(ao)(ao)氏體不銹鋼樣管細(xi)晶(jing)(jing)－裂紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)(xin)號時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)度(du)譜相(xiang)(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值較大(da)，粗晶(jing)(jing)無裂紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)(xin)號時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)度(du)譜相(xiang)(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值較小；當頻率超(chao)(chao)過5MHz時(shi)，奧(ao)(ao)氏體不銹鋼樣管粗晶(jing)(jing)－裂紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)(xin)號時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)度(du)譜相(xiang)(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值較大(da)，細(xi)晶(jing)(jing)－裂紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)(xin)號時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)度(du)譜相(xiang)(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值較小。

上述差(cha)(cha)異表(biao)明超(chao)(chao)聲(sheng)波與奧氏體(ti)不(bu)銹鋼(gang)裂(lie)紋或晶(jing)(jing)粒相(xiang)互作(zuo)用后，裂(lie)紋和晶(jing)(jing)粒對(dui)超(chao)(chao)聲(sheng)波某些頻(pin)率的(de)抑(yi)制和增強(qiang)作(zuo)用不(bu)同(tong)，回波信號的(de)頻(pin)率成分(fen)(fen)會(hui)表(biao)現出差(cha)(cha)異，它體(ti)現在反射信號中不(bu)同(tong)頻(pin)率的(de)相(xiang)對(dui)幅(fu)值隨時間(jian)的(de)變化規律不(bu)同(tong)，這(zhe)代表(biao)著里面含有(you)(you)一定的(de)有(you)(you)關奧氏體(ti)不(bu)銹鋼(gang)裂(lie)紋和晶(jing)(jing)粒的(de)信息，對(dui)粗晶(jing)(jing)奧氏體(ti)不(bu)銹鋼(gang)缺陷的(de)超(chao)(chao)聲(sheng)時域信號分(fen)(fen)辨(bian)提供了分(fen)(fen)析(xi)手段。