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(yi)、短時(shi)傅里葉變(bian)換

短時(shi)傅里(li)(li)葉變(bian)換的(de)實質是一(yi)種加窗后(hou)的(de)移動傅里(li)(li)葉變(bian)換，假設有一(yi)信號s(t),其短時(shi)傅里(li)(li)葉變(bian)換的(de)定義如下：

 根據式(shi)（4.9)~式(shi)（4.11),在(zai)某特定時(shi)(shi)(shi)刻(ke)b,用寬度為(wei)2τ的(de)時(shi)(shi)(shi)間窗截取信號(hao)s(t),對所得信號(hao)做(zuo)快(kuai)速傅里(li)葉變(bian)(bian)換(huan)，可獲得信號(hao)s(t)在(zai)特定時(shi)(shi)(shi)刻(ke)b的(de)幅度譜，將時(shi)(shi)(shi)間窗后(hou)移，依次進行相同(tong)操作，最終(zhong)得到(dao)某一頻率的(de)信號(hao)在(zai)整個信號(hao)有效時(shi)(shi)(shi)間內的(de)幅度譜，該方法稱為(wei)短時(shi)(shi)(shi)傅里(li)葉變(bian)(bian)換(huan)。

 1. 窗函數類型選擇(ze)

 對(dui)短時傅里葉變換(huan)而(er)言(yan)，窗函(han)數(shu)與(yu)窗函(han)數(shu)寬度的選擇是關鍵因素，不同的窗函(han)數(shu)有各自的頻(pin)率特性(xing)，窗寬度的選擇要同時考(kao)慮時間(jian)分(fen)辨率和頻(pin)率分(fen)辨率。

  圖(tu)4.13為304奧氏體不銹(xiu)鋼(gang)無縫管(guan)粗晶反射信號，反射信號長度為46個(ge)采樣(yang)點，按窗寬度50個(ge)采樣(yang)點選擇不同窗函數(shu)分別(bie)做STFT處理(li)。不同窗函數(shu)的STFT處理(li)結果如圖(tu)4.14所示。

 分析不(bu)同窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)函(han)(han)數STFT圖，矩(ju)形窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)、三角形窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)以(yi)及海明窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)STFT處理后的信號(hao)粗(cu)糙(cao)，光順(shun)度不(bu)夠(gou)，信號(hao)峰值(zhi)(zhi)較(jiao)難獲取，不(bu)宜采用；漢寧窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)以(yi)及布萊克曼窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)STFT處理后的信號(hao)比(bi)較(jiao)順(shun)滑，信號(hao)峰值(zhi)(zhi)較(jiao)易(yi)確定。對比(bi)漢寧窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)、布萊克曼窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)，漢寧窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)STFT處理所得信號(hao)幅值(zhi)(zhi)較(jiao)大，分辨精度較(jiao)高(gao)，故選(xuan)擇該窗(chuang)(chuang)(chuang)(chuang)函(han)(han)數較(jiao)為適宜。

2. 窗函數寬度選(xuan)擇(ze)

 分(fen)(fen)析窗寬度是短時(shi)傅里(li)葉變(bian)換的(de)(de)一個重要參數，窗寬度的(de)(de)選擇決定能否正確分(fen)(fen)析出(chu)原始(shi)信(xin)號中的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)變(bian)化情(qing)況。分(fen)(fen)析窗寬度越窄，局(ju)(ju)部(bu)頻(pin)(pin)譜(pu)的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)越低，時(shi)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)越高(gao)；相反，分(fen)(fen)析窗寬度越寬，局(ju)(ju)部(bu)頻(pin)(pin)譜(pu)的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)越高(gao)，時(shi)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)越低。因此需要找到一個合(he)適的(de)(de)分(fen)(fen)析窗寬度，使(shi)得局(ju)(ju)部(bu)頻(pin)(pin)譜(pu)在頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)與(yu)時(shi)間(jian)分(fen)(fen)辨(bian)率(lv)達到最優(you)效果。

 采用漢寧窗，選擇(ze)不同(tong)窗寬(kuan)度對上(shang)述奧氏體不銹鋼(gang)粗晶反射信號做STFT處(chu)理，得到(dao)多(duo)個頻率的時(shi)間－幅(fu)值譜(pu)，其結果(guo)如圖4.15所(suo)示。

 分(fen)析圖(tu)(tu)4.15a,當窗(chuang)寬(kuan)度(du)等(deng)于超聲(sheng)反(fan)射信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)時，處(chu)(chu)理結果的(de)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率分(fen)辨率不足，其中4MHz、5MHz單(dan)頻(pin)(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)較難分(fen)辨；圖(tu)(tu)4.15b窗(chuang)寬(kuan)度(du)增加到(dao)反(fan)射信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)的(de)1.2倍(bei)，單(dan)頻(pin)(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率分(fen)辨率有所(suo)增加；圖(tu)(tu)4.15c窗(chuang)寬(kuan)度(du)為(wei)反(fan)射信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)的(de)1.5倍(bei)，單(dan)頻(pin)(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)時間分(fen)辨率及頻(pin)(pin)(pin)(pin)率分(fen)辨率均達到(dao)最優；圖(tu)(tu)4.15d窗(chuang)寬(kuan)度(du)等(deng)于反(fan)射信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)的(de)2倍(bei)，單(dan)頻(pin)(pin)(pin)(pin)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)時間分(fen)辨率明顯降低。因此STFT處(chu)(chu)理的(de)窗(chuang)函數最佳寬(kuan)度(du)應在超聲(sheng)反(fan)射信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)的(de)1.5倍(bei)左(zuo)右。

二、粗(cu)晶奧氏體不銹(xiu)鋼管裂紋缺陷(xian)檢測

 以外徑21mm、厚度3.2mm的304奧氏體不(bu)銹鋼無縫鋼管(guan)(guan)為基管(guan)(guan)，細晶(jing)試樣(yang)不(bu)做熱處(chu)理，通過1280℃/4h的熱處(chu)理工藝獲得粗晶(jing)試樣(yang)，分別在細晶(jing)和粗晶(jing)樣(yang)管(guan)(guan)上通過電(dian)火(huo)花加工人工缺陷長5mm、深(shen)0.2mm、寬0.2mm,檢(jian)測(ce)超聲中心頻率5MHz,超聲檢(jian)測(ce)信號如圖4.16所示。

 對上述(shu)信號做快速(su)傅里(li)葉變換處理，得(de)到各自的時頻(pin)信號圖(tu)如圖(tu)4.17所示。

 分析圖(tu)4.17,當頻率較(jiao)低時(shi)(shi)，通(tong)常低于4MHz情(qing)況下奧氏(shi)體不(bu)銹鋼樣管細晶(jing)－裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)(shi)間(jian)－幅(fu)度(du)譜相(xiang)對幅(fu)值較(jiao)大(da)，粗(cu)晶(jing)無裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)(shi)間(jian)－幅(fu)度(du)譜相(xiang)對幅(fu)值較(jiao)小(xiao)；當頻率超(chao)(chao)過5MHz時(shi)(shi)，奧氏(shi)體不(bu)銹鋼樣管粗(cu)晶(jing)－裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)(shi)間(jian)－幅(fu)度(du)譜相(xiang)對幅(fu)值較(jiao)大(da)，細晶(jing)－裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號(hao)時(shi)(shi)間(jian)－幅(fu)度(du)譜相(xiang)對幅(fu)值較(jiao)小(xiao)。

上述差異表(biao)明超聲波(bo)(bo)與奧氏體(ti)不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼裂紋或晶粒相(xiang)互作用(yong)后，裂紋和晶粒對超聲波(bo)(bo)某些(xie)頻(pin)率的抑制和增強作用(yong)不(bu)同(tong)(tong)，回波(bo)(bo)信(xin)號(hao)的頻(pin)率成分會表(biao)現出差異，它體(ti)現在(zai)反射信(xin)號(hao)中(zhong)不(bu)同(tong)(tong)頻(pin)率的相(xiang)對幅值(zhi)隨(sui)時間的變化(hua)規律不(bu)同(tong)(tong)，這代(dai)表(biao)著里面含有一定的有關奧氏體(ti)不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼裂紋和晶粒的信(xin)息，對粗晶奧氏體(ti)不(bu)銹(xiu)(xiu)鋼缺(que)陷的超聲時域信(xin)號(hao)分辨提供了分析手(shou)段。