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(yi)、短時傅里葉變換

短時傅(fu)(fu)里(li)葉(xie)變(bian)(bian)換的實質是一(yi)種加(jia)窗后的移動傅(fu)(fu)里(li)葉(xie)變(bian)(bian)換，假(jia)設有一(yi)信號(hao)s(t),其短時傅(fu)(fu)里(li)葉(xie)變(bian)(bian)換的定義如下：

 根據(ju)式（4.9)~式（4.11),在某特(te)定(ding)時(shi)刻b,用寬(kuan)度為(wei)2τ的(de)時(shi)間(jian)窗截取信號(hao)(hao)(hao)s(t),對(dui)所得信號(hao)(hao)(hao)做快速傅里(li)葉變(bian)換，可獲得信號(hao)(hao)(hao)s(t)在特(te)定(ding)時(shi)刻b的(de)幅度譜，將時(shi)間(jian)窗后移，依次進行相同操作，最終(zhong)得到某一頻(pin)率(lv)的(de)信號(hao)(hao)(hao)在整個信號(hao)(hao)(hao)有效(xiao)時(shi)間(jian)內的(de)幅度譜，該方法(fa)稱為(wei)短(duan)時(shi)傅里(li)葉變(bian)換。

 1. 窗函數類型選擇(ze)

 對短時傅里(li)葉變換而言(yan)，窗函(han)(han)數與(yu)窗函(han)(han)數寬(kuan)度(du)的選擇是關(guan)鍵因素，不同的窗函(han)(han)數有各自(zi)的頻率特性，窗寬(kuan)度(du)的選擇要同時考慮時間分辨率和頻率分辨率。

  圖(tu)4.13為(wei)304奧氏(shi)體不銹鋼無縫管粗晶反(fan)射信號，反(fan)射信號長度(du)(du)為(wei)46個(ge)采(cai)樣點，按窗寬度(du)(du)50個(ge)采(cai)樣點選擇不同(tong)窗函數分別做STFT處(chu)理(li)。不同(tong)窗函數的STFT處(chu)理(li)結(jie)果如圖(tu)4.14所示。

 分(fen)析不(bu)同窗函數STFT圖，矩形窗、三角(jiao)形窗以(yi)及(ji)海(hai)明窗STFT處理(li)后的(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)粗糙，光順度(du)不(bu)夠，信(xin)(xin)號(hao)峰值(zhi)較難(nan)獲取，不(bu)宜(yi)采用；漢寧(ning)窗以(yi)及(ji)布萊克曼窗STFT處理(li)后的(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)比較順滑，信(xin)(xin)號(hao)峰值(zhi)較易確定。對比漢寧(ning)窗、布萊克曼窗，漢寧(ning)窗STFT處理(li)所得(de)信(xin)(xin)號(hao)幅值(zhi)較大(da)，分(fen)辨(bian)精(jing)度(du)較高(gao)，故選(xuan)擇(ze)該窗函數較為適宜(yi)。

2. 窗函(han)數寬度選擇

 分(fen)(fen)(fen)(fen)析窗寬度是短時傅里葉變換的(de)(de)一個重要參數(shu)，窗寬度的(de)(de)選擇決定能否正(zheng)確分(fen)(fen)(fen)(fen)析出原始信(xin)號中的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)變化(hua)情況。分(fen)(fen)(fen)(fen)析窗寬度越(yue)窄，局部頻(pin)(pin)譜(pu)的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)低，時間分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)高；相反，分(fen)(fen)(fen)(fen)析窗寬度越(yue)寬，局部頻(pin)(pin)譜(pu)的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)高，時間分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)低。因此需要找到(dao)一個合適(shi)的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)析窗寬度，使得局部頻(pin)(pin)譜(pu)在頻(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)與時間分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)(lv)達到(dao)最優(you)效(xiao)果。

 采用(yong)漢寧窗(chuang)，選(xuan)擇不同(tong)窗(chuang)寬度(du)對上述(shu)奧氏(shi)體不銹鋼粗晶(jing)反射信號(hao)做STFT處(chu)理，得到多個(ge)頻率(lv)的時(shi)間－幅值譜，其(qi)結果(guo)如圖4.15所示。

 分(fen)析圖(tu)4.15a,當窗(chuang)寬度(du)(du)等(deng)于(yu)超(chao)聲(sheng)反射(she)信(xin)號長度(du)(du)時(shi)，處理(li)(li)結(jie)果的(de)頻率分(fen)辨(bian)率不足(zu)，其中(zhong)4MHz、5MHz單(dan)頻信(xin)號較(jiao)難分(fen)辨(bian)；圖(tu)4.15b窗(chuang)寬度(du)(du)增(zeng)加(jia)到反射(she)信(xin)號長度(du)(du)的(de)1.2倍(bei)(bei)(bei)，單(dan)頻信(xin)號的(de)頻率分(fen)辨(bian)率有所(suo)增(zeng)加(jia)；圖(tu)4.15c窗(chuang)寬度(du)(du)為反射(she)信(xin)號長度(du)(du)的(de)1.5倍(bei)(bei)(bei)，單(dan)頻信(xin)號的(de)時(shi)間分(fen)辨(bian)率及頻率分(fen)辨(bian)率均達到最優；圖(tu)4.15d窗(chuang)寬度(du)(du)等(deng)于(yu)反射(she)信(xin)號長度(du)(du)的(de)2倍(bei)(bei)(bei)，單(dan)頻信(xin)號的(de)時(shi)間分(fen)辨(bian)率明顯降(jiang)低。因(yin)此STFT處理(li)(li)的(de)窗(chuang)函數最佳寬度(du)(du)應(ying)在超(chao)聲(sheng)反射(she)信(xin)號長度(du)(du)的(de)1.5倍(bei)(bei)(bei)左(zuo)右。

二、粗晶奧氏體(ti)不銹鋼管(guan)裂紋缺陷檢測

 以外徑(jing)21mm、厚度(du)3.2mm的(de)304奧氏體不銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管(guan)(guan)為(wei)基管(guan)(guan)，細(xi)晶(jing)試樣不做熱處理(li)(li)，通過(guo)1280℃/4h的(de)熱處理(li)(li)工藝(yi)獲(huo)得粗晶(jing)試樣，分(fen)別在細(xi)晶(jing)和粗晶(jing)樣管(guan)(guan)上通過(guo)電火花加工人工缺(que)陷(xian)長5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢測超(chao)(chao)聲(sheng)中心頻率5MHz,超(chao)(chao)聲(sheng)檢測信號如圖4.16所示。

 對上述(shu)信號做(zuo)快速傅里葉變換(huan)處理(li)，得到各自的時頻信號圖如(ru)圖4.17所示(shi)。

 分析圖4.17,當頻率較(jiao)(jiao)低時(shi)(shi)(shi)，通常低于4MHz情況下奧氏體不銹鋼(gang)樣管(guan)細晶(jing)－裂(lie)紋(wen)超聲(sheng)信號時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)(jiao)大(da)，粗(cu)晶(jing)無裂(lie)紋(wen)超聲(sheng)信號時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)(jiao)小；當頻率超過5MHz時(shi)(shi)(shi)，奧氏體不銹鋼(gang)樣管(guan)粗(cu)晶(jing)－裂(lie)紋(wen)超聲(sheng)信號時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)(jiao)大(da)，細晶(jing)－裂(lie)紋(wen)超聲(sheng)信號時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)(jiao)小。

上述差(cha)異表(biao)明超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波與奧(ao)氏體(ti)不銹鋼(gang)裂紋或晶(jing)粒相互作用后，裂紋和(he)(he)晶(jing)粒對超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)波某些頻率的(de)(de)抑制和(he)(he)增強作用不同，回(hui)波信號的(de)(de)頻率成(cheng)分(fen)(fen)會表(biao)現(xian)出差(cha)異，它(ta)體(ti)現(xian)在反(fan)射信號中不同頻率的(de)(de)相對幅值(zhi)隨時(shi)間的(de)(de)變化規律不同，這代表(biao)著里面含有一定的(de)(de)有關奧(ao)氏體(ti)不銹鋼(gang)裂紋和(he)(he)晶(jing)粒的(de)(de)信息，對粗晶(jing)奧(ao)氏體(ti)不銹鋼(gang)缺陷的(de)(de)超(chao)聲(sheng)(sheng)(sheng)時(shi)域信號分(fen)(fen)辨提供了分(fen)(fen)析手段(duan)。