汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧氏體不銹(xiu)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、短時傅里葉(xie)變換(huan)

短時(shi)傅里葉(xie)變換(huan)(huan)的(de)實(shi)質(zhi)是一種(zhong)加窗后的(de)移動傅里葉(xie)變換(huan)(huan)，假設(she)有一信號s(t),其短時(shi)傅里葉(xie)變換(huan)(huan)的(de)定義如下：

 根據式（4.9)~式（4.11),在某特(te)定(ding)時刻(ke)b,用(yong)寬度(du)為2τ的時間(jian)窗截取(qu)信(xin)號s(t),對所得(de)信(xin)號做(zuo)快速傅里葉(xie)變(bian)換(huan)，可(ke)獲得(de)信(xin)號s(t)在特(te)定(ding)時刻(ke)b的幅度(du)譜(pu)，將時間(jian)窗后移(yi)，依次(ci)進行相同操作(zuo)，最終(zhong)得(de)到某一頻率(lv)的信(xin)號在整個信(xin)號有效時間(jian)內(nei)的幅度(du)譜(pu)，該(gai)方法稱為短時傅里葉(xie)變(bian)換(huan)。

 1. 窗(chuang)函數類型(xing)選(xuan)擇

 對短時(shi)傅里葉變(bian)換(huan)而言，窗函數與窗函數寬(kuan)度(du)的(de)選(xuan)擇是(shi)關鍵因素，不同的(de)窗函數有各自的(de)頻率(lv)特性，窗寬(kuan)度(du)的(de)選(xuan)擇要同時(shi)考慮(lv)時(shi)間分辨率(lv)和頻率(lv)分辨率(lv)。

  圖4.13為304奧(ao)氏體(ti)不銹鋼無縫管(guan)粗晶反射信號，反射信號長度為46個(ge)采(cai)樣(yang)點(dian)(dian)，按窗(chuang)寬(kuan)度50個(ge)采(cai)樣(yang)點(dian)(dian)選擇不同(tong)窗(chuang)函(han)數分別(bie)做(zuo)STFT處理。不同(tong)窗(chuang)函(han)數的(de)STFT處理結果如圖4.14所示。

 分析不同窗函數(shu)STFT圖，矩形窗、三角形窗以(yi)及海明窗STFT處理后的信(xin)(xin)號粗糙，光順度(du)不夠，信(xin)(xin)號峰值較難獲取，不宜采用；漢寧窗以(yi)及布萊(lai)克曼(man)窗STFT處理后的信(xin)(xin)號比(bi)較順滑，信(xin)(xin)號峰值較易確(que)定。對(dui)比(bi)漢寧窗、布萊(lai)克曼(man)窗，漢寧窗STFT處理所(suo)得(de)信(xin)(xin)號幅值較大，分辨精度(du)較高，故選擇該窗函數(shu)較為適宜。

2. 窗函數寬度選擇

 分(fen)析窗寬(kuan)度是短時(shi)傅(fu)里(li)葉(xie)變換的(de)一(yi)個重(zhong)要參數，窗寬(kuan)度的(de)選擇決定(ding)能(neng)否(fou)正(zheng)確分(fen)析出原始信號中的(de)頻率(lv)變化情況。分(fen)析窗寬(kuan)度越(yue)(yue)窄，局(ju)(ju)部(bu)(bu)頻譜的(de)頻率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)越(yue)(yue)低(di)(di)，時(shi)間分(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)越(yue)(yue)高(gao)；相(xiang)反，分(fen)析窗寬(kuan)度越(yue)(yue)寬(kuan)，局(ju)(ju)部(bu)(bu)頻譜的(de)頻率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)越(yue)(yue)高(gao)，時(shi)間分(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)越(yue)(yue)低(di)(di)。因此(ci)需(xu)要找(zhao)到(dao)一(yi)個合適的(de)分(fen)析窗寬(kuan)度，使(shi)得局(ju)(ju)部(bu)(bu)頻譜在頻率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)與時(shi)間分(fen)辨(bian)率(lv)達到(dao)最優效果。

 采用漢寧窗(chuang)，選擇(ze)不(bu)同窗(chuang)寬度對上述(shu)奧氏體不(bu)銹鋼粗晶反(fan)射信號做STFT處理，得(de)到多(duo)個(ge)頻率的(de)時間－幅值譜，其結(jie)果(guo)如(ru)圖(tu)4.15所(suo)示。

 分(fen)(fen)(fen)析圖(tu)4.15a,當窗寬(kuan)度(du)(du)等于超(chao)聲(sheng)反(fan)(fan)射信(xin)號(hao)長(chang)度(du)(du)時，處(chu)理結果的(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)不足(zu)，其中4MHz、5MHz單(dan)頻(pin)(pin)(pin)信(xin)號(hao)較難分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)；圖(tu)4.15b窗寬(kuan)度(du)(du)增加到(dao)反(fan)(fan)射信(xin)號(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)1.2倍(bei)(bei)，單(dan)頻(pin)(pin)(pin)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)有所增加；圖(tu)4.15c窗寬(kuan)度(du)(du)為反(fan)(fan)射信(xin)號(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)1.5倍(bei)(bei)，單(dan)頻(pin)(pin)(pin)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)時間分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)及頻(pin)(pin)(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)均達到(dao)最優；圖(tu)4.15d窗寬(kuan)度(du)(du)等于反(fan)(fan)射信(xin)號(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)2倍(bei)(bei)，單(dan)頻(pin)(pin)(pin)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)(de)時間分(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)明(ming)顯(xian)降(jiang)低。因此(ci)STFT處(chu)理的(de)(de)(de)(de)窗函數(shu)最佳寬(kuan)度(du)(du)應在超(chao)聲(sheng)反(fan)(fan)射信(xin)號(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)1.5倍(bei)(bei)左右。

二(er)、粗(cu)晶奧氏體不銹鋼管(guan)裂紋缺陷檢測(ce)

 以外徑21mm、厚(hou)度3.2mm的(de)304奧(ao)氏(shi)體不銹鋼無縫鋼管(guan)為基管(guan)，細晶試(shi)樣不做熱處(chu)理，通過1280℃/4h的(de)熱處(chu)理工藝獲得粗晶試(shi)樣，分別在細晶和粗晶樣管(guan)上(shang)通過電火(huo)花加工人(ren)工缺陷(xian)長(chang)5mm、深(shen)0.2mm、寬0.2mm,檢(jian)(jian)測(ce)超聲中心頻率(lv)5MHz,超聲檢(jian)(jian)測(ce)信(xin)號如(ru)圖4.16所示(shi)。

 對上述(shu)信(xin)號做快(kuai)速(su)傅里葉變換處理，得到各自的時頻信(xin)號圖如圖4.17所示。

 分(fen)析(xi)圖4.17,當頻(pin)率較低時(shi)，通(tong)常(chang)低于4MHz情(qing)況下奧氏體不銹(xiu)鋼(gang)樣(yang)管細(xi)晶－裂(lie)(lie)紋(wen)超聲(sheng)(sheng)信號時(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)值(zhi)(zhi)較大，粗晶無(wu)裂(lie)(lie)紋(wen)超聲(sheng)(sheng)信號時(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)值(zhi)(zhi)較小(xiao)(xiao)；當頻(pin)率超過5MHz時(shi)，奧氏體不銹(xiu)鋼(gang)樣(yang)管粗晶－裂(lie)(lie)紋(wen)超聲(sheng)(sheng)信號時(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)值(zhi)(zhi)較大，細(xi)晶－裂(lie)(lie)紋(wen)超聲(sheng)(sheng)信號時(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)值(zhi)(zhi)較小(xiao)(xiao)。

上述差(cha)異(yi)表(biao)明超(chao)聲(sheng)波(bo)與奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼(gang)裂紋或晶粒相互作(zuo)用(yong)后，裂紋和(he)晶粒對超(chao)聲(sheng)波(bo)某些頻(pin)率(lv)的(de)(de)(de)抑制和(he)增強作(zuo)用(yong)不同，回波(bo)信(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)成(cheng)分會表(biao)現(xian)出差(cha)異(yi)，它(ta)體(ti)現(xian)在反射信(xin)號(hao)(hao)中(zhong)不同頻(pin)率(lv)的(de)(de)(de)相對幅值(zhi)隨(sui)時(shi)間的(de)(de)(de)變(bian)化規律不同，這代(dai)表(biao)著(zhu)里(li)面含有一定的(de)(de)(de)有關(guan)奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼(gang)裂紋和(he)晶粒的(de)(de)(de)信(xin)息，對粗晶奧(ao)氏(shi)體(ti)不銹鋼(gang)缺(que)陷的(de)(de)(de)超(chao)聲(sheng)時(shi)域信(xin)號(hao)(hao)分辨(bian)提供了分析手段。