汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧氏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、短時(shi)傅里葉變換

短時傅(fu)里(li)葉變換(huan)的(de)(de)實(shi)質是一種加窗后的(de)(de)移動傅(fu)里(li)葉變換(huan)，假設(she)有一信(xin)號s(t),其短時傅(fu)里(li)葉變換(huan)的(de)(de)定義如(ru)下：

 根據式（4.9)~式（4.11),在某特(te)定時(shi)刻b,用寬度為(wei)2τ的(de)時(shi)間窗截(jie)取信(xin)號(hao)s(t),對(dui)所得信(xin)號(hao)做快速傅(fu)里葉變換(huan)，可獲得信(xin)號(hao)s(t)在特(te)定時(shi)刻b的(de)幅(fu)(fu)度譜，將(jiang)時(shi)間窗后移，依次進(jin)行相同操(cao)作，最終得到某一頻率的(de)信(xin)號(hao)在整個(ge)信(xin)號(hao)有效時(shi)間內的(de)幅(fu)(fu)度譜，該方法(fa)稱為(wei)短時(shi)傅(fu)里葉變換(huan)。

 1. 窗(chuang)函數類型選(xuan)擇

 對短時傅(fu)里(li)葉變(bian)換而言，窗(chuang)函數(shu)與窗(chuang)函數(shu)寬度的選擇是關(guan)鍵因素(su)，不同(tong)的窗(chuang)函數(shu)有各自的頻率特性，窗(chuang)寬度的選擇要同(tong)時考慮時間分辨率和頻率分辨率。

  圖(tu)4.13為304奧氏體不(bu)銹鋼無(wu)縫管粗晶反射信(xin)號，反射信(xin)號長度為46個采(cai)(cai)樣點(dian)，按窗寬度50個采(cai)(cai)樣點(dian)選(xuan)擇不(bu)同(tong)窗函數(shu)分別做STFT處(chu)理(li)。不(bu)同(tong)窗函數(shu)的STFT處(chu)理(li)結(jie)果如圖(tu)4.14所示。

 分析不同(tong)窗函(han)數(shu)STFT圖，矩(ju)形(xing)窗、三角(jiao)形(xing)窗以及海明(ming)窗STFT處理(li)后的(de)(de)信號(hao)粗糙，光(guang)順度不夠，信號(hao)峰值較(jiao)(jiao)難獲取(qu)，不宜采用；漢寧(ning)窗以及布萊克曼(man)窗STFT處理(li)后的(de)(de)信號(hao)比較(jiao)(jiao)順滑(hua)，信號(hao)峰值較(jiao)(jiao)易確(que)定。對比漢寧(ning)窗、布萊克曼(man)窗，漢寧(ning)窗STFT處理(li)所得(de)信號(hao)幅(fu)值較(jiao)(jiao)大，分辨(bian)精度較(jiao)(jiao)高，故選擇該窗函(han)數(shu)較(jiao)(jiao)為(wei)適宜。

2. 窗函(han)數(shu)寬度選擇

 分(fen)(fen)析(xi)窗寬(kuan)(kuan)度(du)是(shi)短(duan)時傅(fu)里葉變換的(de)(de)一個(ge)重要參(can)數，窗寬(kuan)(kuan)度(du)的(de)(de)選(xuan)擇決定能否正確(que)分(fen)(fen)析(xi)出(chu)原始信(xin)號(hao)中的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)變化(hua)情況。分(fen)(fen)析(xi)窗寬(kuan)(kuan)度(du)越(yue)(yue)窄，局(ju)(ju)部頻(pin)(pin)譜的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)就越(yue)(yue)低，時間(jian)(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)就越(yue)(yue)高(gao)(gao)；相反，分(fen)(fen)析(xi)窗寬(kuan)(kuan)度(du)越(yue)(yue)寬(kuan)(kuan)，局(ju)(ju)部頻(pin)(pin)譜的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)就越(yue)(yue)高(gao)(gao)，時間(jian)(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)就越(yue)(yue)低。因此需要找到一個(ge)合適的(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)窗寬(kuan)(kuan)度(du)，使得局(ju)(ju)部頻(pin)(pin)譜在頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)與時間(jian)(jian)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)達到最優效(xiao)果。

 采用漢寧(ning)窗，選擇不同(tong)窗寬度對上述奧氏體不銹鋼(gang)粗晶反(fan)射信號做(zuo)STFT處(chu)理(li)，得(de)到多個頻(pin)率的時間－幅值譜(pu)，其結果(guo)如(ru)圖4.15所示。

 分(fen)析圖4.15a,當窗(chuang)寬(kuan)(kuan)(kuan)度(du)(du)等(deng)于超聲(sheng)反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)時，處理(li)結果的(de)(de)(de)(de)頻率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)不足(zu)，其中4MHz、5MHz單頻信(xin)(xin)號(hao)(hao)較(jiao)難分(fen)辨(bian)；圖4.15b窗(chuang)寬(kuan)(kuan)(kuan)度(du)(du)增(zeng)加到反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)1.2倍，單頻信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)頻率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)有所增(zeng)加；圖4.15c窗(chuang)寬(kuan)(kuan)(kuan)度(du)(du)為反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)1.5倍，單頻信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)時間(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)及頻率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)均(jun)達到最優；圖4.15d窗(chuang)寬(kuan)(kuan)(kuan)度(du)(du)等(deng)于反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)2倍，單頻信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)時間(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)明顯降低。因此STFT處理(li)的(de)(de)(de)(de)窗(chuang)函數最佳寬(kuan)(kuan)(kuan)度(du)(du)應(ying)在超聲(sheng)反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)1.5倍左右。

二(er)、粗晶奧氏體不(bu)銹鋼管裂紋缺陷檢(jian)測

 以外徑21mm、厚度3.2mm的304奧氏體不銹鋼無縫鋼管(guan)(guan)為基管(guan)(guan)，細晶(jing)試樣不做(zuo)熱處理(li)，通(tong)過(guo)1280℃/4h的熱處理(li)工藝獲得(de)粗(cu)晶(jing)試樣，分(fen)別在細晶(jing)和(he)粗(cu)晶(jing)樣管(guan)(guan)上通(tong)過(guo)電(dian)火花加工人工缺陷(xian)長(chang)5mm、深(shen)0.2mm、寬0.2mm,檢測超(chao)聲(sheng)中心頻率(lv)5MHz,超(chao)聲(sheng)檢測信號如圖4.16所示。

 對上述信(xin)(xin)號(hao)做快速傅里葉(xie)變換處(chu)理，得(de)到各自(zi)的(de)時頻信(xin)(xin)號(hao)圖(tu)如圖(tu)4.17所示。

 分析圖(tu)4.17,當頻率較(jiao)低時(shi)(shi)(shi)，通常低于(yu)4MHz情況下奧氏(shi)體不銹鋼樣管細晶－裂(lie)(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)度(du)(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)值較(jiao)大，粗晶無裂(lie)(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)度(du)(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)值較(jiao)小；當頻率超(chao)(chao)過5MHz時(shi)(shi)(shi)，奧氏(shi)體不銹鋼樣管粗晶－裂(lie)(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)度(du)(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)值較(jiao)大，細晶－裂(lie)(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)度(du)(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)(fu)(fu)(fu)值較(jiao)小。

上(shang)述差(cha)異(yi)表明超聲(sheng)波(bo)與(yu)奧氏體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)裂紋(wen)或晶粒相互作用后，裂紋(wen)和(he)晶粒對(dui)超聲(sheng)波(bo)某些頻(pin)率的抑(yi)制和(he)增強作用不(bu)(bu)(bu)同(tong)，回波(bo)信號(hao)的頻(pin)率成分(fen)會表現出差(cha)異(yi)，它體(ti)現在反射信號(hao)中(zhong)不(bu)(bu)(bu)同(tong)頻(pin)率的相對(dui)幅值隨時間的變化規律不(bu)(bu)(bu)同(tong)，這代表著里面含有一定的有關奧氏體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)裂紋(wen)和(he)晶粒的信息，對(dui)粗晶奧氏體(ti)不(bu)(bu)(bu)銹鋼(gang)缺陷的超聲(sheng)時域信號(hao)分(fen)辨提供(gong)了分(fen)析手段(duan)。