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、短時傅里葉變(bian)換
短時傅(fu)里葉(xie)變換(huan)的實質(zhi)是一種加(jia)窗后的移動(dong)傅(fu)里葉(xie)變換(huan)，假設有一信號s(t),其短時傅(fu)里葉(xie)變換(huan)的定義如下：
根據(ju)式(shi)（4.9)~式(shi)（4.11),在某特(te)定時(shi)(shi)刻b,用寬度為(wei)2τ的(de)時(shi)(shi)間(jian)窗截取(qu)信(xin)號s(t),對(dui)所(suo)得(de)信(xin)號做快(kuai)速(su)傅(fu)里(li)葉(xie)變換(huan)，可獲(huo)得(de)信(xin)號s(t)在特(te)定時(shi)(shi)刻b的(de)幅(fu)度譜，將時(shi)(shi)間(jian)窗后移(yi)，依次(ci)進行相同(tong)操作，最終得(de)到某一頻率的(de)信(xin)號在整個信(xin)號有效時(shi)(shi)間(jian)內的(de)幅(fu)度譜，該方法稱為(wei)短時(shi)(shi)傅(fu)里(li)葉(xie)變換(huan)。
1. 窗函數類型選擇
對(dui)短時(shi)傅里(li)葉變換(huan)而言，窗(chuang)(chuang)函(han)(han)數(shu)與窗(chuang)(chuang)函(han)(han)數(shu)寬(kuan)度的選(xuan)擇是關鍵因素，不(bu)同的窗(chuang)(chuang)函(han)(han)數(shu)有各自的頻率特性，窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度的選(xuan)擇要同時(shi)考慮時(shi)間分(fen)辨率和頻率分(fen)辨率。
圖(tu)4.13為(wei)(wei)304奧氏體不銹鋼無縫管粗晶反射信號，反射信號長度為(wei)(wei)46個采樣(yang)點，按(an)窗(chuang)(chuang)寬度50個采樣(yang)點選(xuan)擇不同窗(chuang)(chuang)函數(shu)分別(bie)做STFT處理。不同窗(chuang)(chuang)函數(shu)的(de)STFT處理結果如圖(tu)4.14所示。
分析不同窗(chuang)函數STFT圖，矩形窗(chuang)、三角形窗(chuang)以及(ji)海(hai)明(ming)窗(chuang)STFT處理后的信(xin)號(hao)(hao)粗糙，光順(shun)度不夠(gou)，信(xin)號(hao)(hao)峰值較難(nan)獲取(qu)，不宜(yi)采用；漢寧(ning)(ning)窗(chuang)以及(ji)布萊(lai)克曼窗(chuang)STFT處理后的信(xin)號(hao)(hao)比(bi)較順(shun)滑(hua)，信(xin)號(hao)(hao)峰值較易確(que)定。對比(bi)漢寧(ning)(ning)窗(chuang)、布萊(lai)克曼窗(chuang)，漢寧(ning)(ning)窗(chuang)STFT處理所得信(xin)號(hao)(hao)幅值較大(da)，分辨(bian)精度較高，故選擇該窗(chuang)函數較為適(shi)宜(yi)。
2. 窗(chuang)函數寬(kuan)度選擇
分(fen)(fen)析(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)(kuan)度(du)是(shi)短時(shi)(shi)傅里葉變換的(de)(de)一(yi)個重要參數，窗(chuang)寬(kuan)(kuan)(kuan)度(du)的(de)(de)選擇決定能否正(zheng)確分(fen)(fen)析(xi)出原始信號中的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)變化情況。分(fen)(fen)析(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)(kuan)度(du)越(yue)窄，局(ju)部頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)就越(yue)低(di)，時(shi)(shi)間分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)就越(yue)高；相(xiang)反，分(fen)(fen)析(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)(kuan)度(du)越(yue)寬(kuan)(kuan)(kuan)，局(ju)部頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)就越(yue)高，時(shi)(shi)間分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)就越(yue)低(di)。因此需要找(zhao)到一(yi)個合(he)適(shi)的(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)(kuan)度(du)，使得局(ju)部頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)(pu)在頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)與時(shi)(shi)間分(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)達到最優效(xiao)果。
采用(yong)漢寧窗(chuang)，選擇(ze)不(bu)同窗(chuang)寬度對上(shang)述奧氏體不(bu)銹鋼(gang)粗晶反(fan)射信號做STFT處理，得到多(duo)個頻率的時間(jian)－幅值(zhi)譜(pu)，其(qi)結果如圖4.15所示。
分(fen)(fen)(fen)析圖(tu)4.15a,當窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)等于(yu)超(chao)聲反(fan)(fan)射(she)信(xin)號(hao)(hao)長度(du)(du)時，處理結(jie)果的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)不足，其中4MHz、5MHz單頻(pin)信(xin)號(hao)(hao)較難分(fen)(fen)(fen)辨；圖(tu)4.15b窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)增加到反(fan)(fan)射(she)信(xin)號(hao)(hao)長度(du)(du)的(de)1.2倍(bei)，單頻(pin)信(xin)號(hao)(hao)的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)有(you)所增加；圖(tu)4.15c窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)為(wei)反(fan)(fan)射(she)信(xin)號(hao)(hao)長度(du)(du)的(de)1.5倍(bei)，單頻(pin)信(xin)號(hao)(hao)的(de)時間(jian)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)及頻(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)均達到最優；圖(tu)4.15d窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)等于(yu)反(fan)(fan)射(she)信(xin)號(hao)(hao)長度(du)(du)的(de)2倍(bei)，單頻(pin)信(xin)號(hao)(hao)的(de)時間(jian)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)明顯降低。因此STFT處理的(de)窗(chuang)函數最佳寬(kuan)度(du)(du)應在超(chao)聲反(fan)(fan)射(she)信(xin)號(hao)(hao)長度(du)(du)的(de)1.5倍(bei)左右。
二(er)、粗(cu)晶奧氏體不銹(xiu)鋼管裂紋缺陷檢測
以外徑(jing)21mm、厚度3.2mm的304奧氏體(ti)不(bu)銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管為基管，細晶試(shi)樣(yang)(yang)不(bu)做熱處理，通過(guo)(guo)1280℃/4h的熱處理工(gong)(gong)藝獲得粗晶試(shi)樣(yang)(yang)，分別(bie)在細晶和粗晶樣(yang)(yang)管上通過(guo)(guo)電火花加工(gong)(gong)人工(gong)(gong)缺(que)陷長5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢(jian)測超(chao)聲中(zhong)心(xin)頻率5MHz,超(chao)聲檢(jian)測信號如圖4.16所示(shi)。
對上述信(xin)號(hao)(hao)做快速傅里葉變換處理(li)，得到各(ge)自的時(shi)頻信(xin)號(hao)(hao)圖如圖4.17所示。
分析圖4.17,當頻率(lv)較低(di)時(shi)，通常低(di)于(yu)4MHz情(qing)況下奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)樣管細晶(jing)－裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)超(chao)聲(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)間(jian)－幅度(du)譜(pu)(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅值(zhi)較大，粗晶(jing)無裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)超(chao)聲(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)間(jian)－幅度(du)譜(pu)(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅值(zhi)較小(xiao)；當頻率(lv)超(chao)過5MHz時(shi)，奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)樣管粗晶(jing)－裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)超(chao)聲(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)間(jian)－幅度(du)譜(pu)(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅值(zhi)較大，細晶(jing)－裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)超(chao)聲(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)間(jian)－幅度(du)譜(pu)(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅值(zhi)較小(xiao)。
上述差異(yi)表(biao)(biao)明超聲(sheng)波與奧(ao)(ao)氏體不銹鋼裂(lie)紋(wen)或晶(jing)(jing)粒(li)相互作用后，裂(lie)紋(wen)和(he)(he)晶(jing)(jing)粒(li)對(dui)超聲(sheng)波某(mou)些頻率的(de)(de)(de)抑制和(he)(he)增強作用不同(tong)，回波信號的(de)(de)(de)頻率成分(fen)會表(biao)(biao)現(xian)出差異(yi)，它體現(xian)在反射信號中不同(tong)頻率的(de)(de)(de)相對(dui)幅值隨時間的(de)(de)(de)變化(hua)規律(lv)不同(tong)，這代表(biao)(biao)著里面含有一(yi)定的(de)(de)(de)有關奧(ao)(ao)氏體不銹鋼裂(lie)紋(wen)和(he)(he)晶(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)(de)信息，對(dui)粗晶(jing)(jing)奧(ao)(ao)氏體不銹鋼缺(que)陷的(de)(de)(de)超聲(sheng)時域(yu)信號分(fen)辨提供了分(fen)析手段。
