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、短時傅里葉變換

短(duan)時傅(fu)里葉(xie)變(bian)換(huan)的(de)實質是一種加窗后(hou)的(de)移動(dong)傅(fu)里葉(xie)變(bian)換(huan)，假設有一信號s(t),其短(duan)時傅(fu)里葉(xie)變(bian)換(huan)的(de)定(ding)義如下：

 根據式（4.9)~式（4.11),在(zai)某(mou)特(te)定時刻b,用寬(kuan)度(du)為2τ的(de)時間窗截取信號s(t),對所得信號做(zuo)快(kuai)速傅里葉變換，可(ke)獲得信號s(t)在(zai)特(te)定時刻b的(de)幅度(du)譜(pu)，將(jiang)時間窗后移(yi)，依次進行相同操作，最終得到某(mou)一頻率的(de)信號在(zai)整個信號有效時間內(nei)的(de)幅度(du)譜(pu)，該(gai)方法稱為短(duan)時傅里葉變換。

 1. 窗函數類(lei)型(xing)選擇(ze)

 對短時(shi)傅里葉變換而言，窗函(han)數與(yu)窗函(han)數寬(kuan)度(du)的選(xuan)(xuan)擇是關鍵因素(su)，不同的窗函(han)數有各自(zi)的頻率(lv)(lv)特性，窗寬(kuan)度(du)的選(xuan)(xuan)擇要同時(shi)考慮時(shi)間(jian)分(fen)辨率(lv)(lv)和(he)頻率(lv)(lv)分(fen)辨率(lv)(lv)。

  圖(tu)4.13為(wei)304奧氏體不(bu)銹鋼無縫管粗(cu)晶反射信號，反射信號長度為(wei)46個(ge)采樣點，按窗寬度50個(ge)采樣點選擇不(bu)同窗函數分(fen)別做(zuo)STFT處(chu)理。不(bu)同窗函數的STFT處(chu)理結果如圖(tu)4.14所示。

 分(fen)析不同(tong)窗(chuang)(chuang)(chuang)函數STFT圖(tu)，矩形(xing)窗(chuang)(chuang)(chuang)、三角形(xing)窗(chuang)(chuang)(chuang)以(yi)及(ji)海(hai)明窗(chuang)(chuang)(chuang)STFT處(chu)理后的信號(hao)粗糙，光順(shun)度(du)不夠，信號(hao)峰值(zhi)(zhi)較(jiao)(jiao)難獲取，不宜采用；漢(han)(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)(chuang)以(yi)及(ji)布(bu)(bu)萊克曼窗(chuang)(chuang)(chuang)STFT處(chu)理后的信號(hao)比較(jiao)(jiao)順(shun)滑，信號(hao)峰值(zhi)(zhi)較(jiao)(jiao)易確定。對比漢(han)(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)(chuang)、布(bu)(bu)萊克曼窗(chuang)(chuang)(chuang)，漢(han)(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)(chuang)STFT處(chu)理所得信號(hao)幅(fu)值(zhi)(zhi)較(jiao)(jiao)大，分(fen)辨精度(du)較(jiao)(jiao)高，故選(xuan)擇該(gai)窗(chuang)(chuang)(chuang)函數較(jiao)(jiao)為適(shi)宜。

2. 窗函(han)數寬度(du)選擇

 分(fen)析(xi)(xi)窗寬(kuan)(kuan)度是短時(shi)傅里葉變換(huan)的(de)一個(ge)重要(yao)(yao)參數，窗寬(kuan)(kuan)度的(de)選擇(ze)決(jue)定能(neng)否正確分(fen)析(xi)(xi)出原始信(xin)號(hao)中的(de)頻(pin)率(lv)變化情況(kuang)。分(fen)析(xi)(xi)窗寬(kuan)(kuan)度越(yue)(yue)窄，局部(bu)頻(pin)譜的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)就(jiu)越(yue)(yue)低(di)，時(shi)間(jian)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)就(jiu)越(yue)(yue)高；相反，分(fen)析(xi)(xi)窗寬(kuan)(kuan)度越(yue)(yue)寬(kuan)(kuan)，局部(bu)頻(pin)譜的(de)頻(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)就(jiu)越(yue)(yue)高，時(shi)間(jian)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)就(jiu)越(yue)(yue)低(di)。因(yin)此需要(yao)(yao)找到一個(ge)合(he)適的(de)分(fen)析(xi)(xi)窗寬(kuan)(kuan)度，使(shi)得(de)局部(bu)頻(pin)譜在頻(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)與時(shi)間(jian)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)達到最優效果。

 采用漢寧窗，選(xuan)擇不同(tong)窗寬度對上述奧氏體不銹鋼粗(cu)晶反射信號做(zuo)STFT處理，得(de)到(dao)多個頻(pin)率的時(shi)間－幅值譜，其結果如(ru)圖(tu)4.15所示。

 分(fen)(fen)(fen)析(xi)圖4.15a,當窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)等(deng)于(yu)(yu)超聲(sheng)反射(she)信(xin)(xin)(xin)號長(chang)度(du)(du)時(shi)(shi)，處理結(jie)果的(de)(de)頻(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)不足，其中4MHz、5MHz單頻(pin)信(xin)(xin)(xin)號較難分(fen)(fen)(fen)辨；圖4.15b窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)增(zeng)加到(dao)(dao)反射(she)信(xin)(xin)(xin)號長(chang)度(du)(du)的(de)(de)1.2倍，單頻(pin)信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)頻(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)有所增(zeng)加；圖4.15c窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)為(wei)反射(she)信(xin)(xin)(xin)號長(chang)度(du)(du)的(de)(de)1.5倍，單頻(pin)信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)及(ji)頻(pin)率(lv)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)均達到(dao)(dao)最(zui)優；圖4.15d窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)等(deng)于(yu)(yu)反射(she)信(xin)(xin)(xin)號長(chang)度(du)(du)的(de)(de)2倍，單頻(pin)信(xin)(xin)(xin)號的(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)明(ming)顯降低。因此STFT處理的(de)(de)窗(chuang)(chuang)(chuang)函(han)數最(zui)佳(jia)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)應在(zai)超聲(sheng)反射(she)信(xin)(xin)(xin)號長(chang)度(du)(du)的(de)(de)1.5倍左右(you)。

二、粗(cu)晶奧氏體不銹鋼(gang)管裂紋缺陷(xian)檢測

 以外徑21mm、厚度3.2mm的304奧氏體不銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管為(wei)基管，細(xi)晶(jing)試樣(yang)不做熱(re)處(chu)理(li)，通(tong)過(guo)1280℃/4h的熱(re)處(chu)理(li)工藝(yi)獲(huo)得粗晶(jing)試樣(yang)，分別在(zai)細(xi)晶(jing)和(he)粗晶(jing)樣(yang)管上通(tong)過(guo)電火花加(jia)工人(ren)工缺(que)陷長5mm、深(shen)0.2mm、寬(kuan)0.2mm,檢測超聲中心頻率5MHz,超聲檢測信(xin)號如圖4.16所示。

 對(dui)上述信號做快速傅里葉變換處理(li)，得到各自(zi)的時頻(pin)信號圖(tu)如圖(tu)4.17所(suo)示。

 分析圖(tu)4.17,當頻率較(jiao)低時(shi)(shi)，通常低于4MHz情況下(xia)奧氏體不銹鋼樣(yang)管細晶－裂(lie)紋(wen)超(chao)聲信(xin)(xin)號(hao)時(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)大，粗晶無裂(lie)紋(wen)超(chao)聲信(xin)(xin)號(hao)時(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)小(xiao)；當頻率超(chao)過5MHz時(shi)(shi)，奧氏體不銹鋼樣(yang)管粗晶－裂(lie)紋(wen)超(chao)聲信(xin)(xin)號(hao)時(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)大，細晶－裂(lie)紋(wen)超(chao)聲信(xin)(xin)號(hao)時(shi)(shi)間－幅(fu)(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)小(xiao)。

上述差(cha)異(yi)表明(ming)超(chao)(chao)聲波(bo)與奧氏體(ti)不(bu)(bu)銹鋼(gang)裂紋或晶粒相(xiang)互作用后(hou)，裂紋和晶粒對(dui)超(chao)(chao)聲波(bo)某些頻率(lv)的(de)(de)抑制和增強作用不(bu)(bu)同，回(hui)波(bo)信號的(de)(de)頻率(lv)成分(fen)會(hui)表現出差(cha)異(yi)，它(ta)體(ti)現在(zai)反射信號中不(bu)(bu)同頻率(lv)的(de)(de)相(xiang)對(dui)幅值隨時(shi)間的(de)(de)變(bian)化規律(lv)不(bu)(bu)同，這代表著里面含有(you)(you)一定的(de)(de)有(you)(you)關奧氏體(ti)不(bu)(bu)銹鋼(gang)裂紋和晶粒的(de)(de)信息，對(dui)粗晶奧氏體(ti)不(bu)(bu)銹鋼(gang)缺(que)陷的(de)(de)超(chao)(chao)聲時(shi)域(yu)信號分(fen)辨提供(gong)了分(fen)析手段。