汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧氏體不(bu)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

短時傅里(li)葉(xie)變(bian)(bian)換(huan)(huan)的實質是一種加窗后(hou)的移動傅里(li)葉(xie)變(bian)(bian)換(huan)(huan)，假設有一信號s(t),其短時傅里(li)葉(xie)變(bian)(bian)換(huan)(huan)的定義如下(xia)：

 根據式（4.9)~式（4.11),在某(mou)特定(ding)時刻b,用寬度(du)為2τ的時間窗截取信(xin)號(hao)s(t),對所得信(xin)號(hao)做快速(su)傅里(li)葉變換(huan)，可獲得信(xin)號(hao)s(t)在特定(ding)時刻b的幅度(du)譜，將時間窗后移，依次(ci)進(jin)行相(xiang)同操作，最終得到某(mou)一(yi)頻率的信(xin)號(hao)在整個信(xin)號(hao)有效時間內的幅度(du)譜，該方(fang)法稱為短時傅里(li)葉變換(huan)。

 1. 窗函數(shu)類型選擇

 對短時傅里葉變(bian)換而言，窗(chuang)函(han)數與窗(chuang)函(han)數寬(kuan)度的選擇(ze)(ze)是(shi)關鍵因素(su)，不同的窗(chuang)函(han)數有各自的頻率(lv)(lv)特(te)性(xing)，窗(chuang)寬(kuan)度的選擇(ze)(ze)要同時考(kao)慮(lv)時間分辨率(lv)(lv)和頻率(lv)(lv)分辨率(lv)(lv)。

  圖(tu)4.13為304奧氏(shi)體不(bu)銹鋼無(wu)縫管粗晶反(fan)射信號(hao)，反(fan)射信號(hao)長度(du)為46個采樣(yang)(yang)點(dian)，按窗寬度(du)50個采樣(yang)(yang)點(dian)選擇不(bu)同(tong)窗函數(shu)(shu)分別(bie)做(zuo)STFT處理。不(bu)同(tong)窗函數(shu)(shu)的STFT處理結果如圖(tu)4.14所示。

 分析不(bu)同(tong)窗(chuang)(chuang)(chuang)函(han)數STFT圖，矩形窗(chuang)(chuang)(chuang)、三角(jiao)形窗(chuang)(chuang)(chuang)以(yi)(yi)及海(hai)明窗(chuang)(chuang)(chuang)STFT處理后的(de)信(xin)號(hao)(hao)粗糙，光順度不(bu)夠，信(xin)號(hao)(hao)峰值較(jiao)難獲取，不(bu)宜采用(yong)；漢寧(ning)窗(chuang)(chuang)(chuang)以(yi)(yi)及布(bu)萊克(ke)(ke)曼窗(chuang)(chuang)(chuang)STFT處理后的(de)信(xin)號(hao)(hao)比(bi)(bi)較(jiao)順滑，信(xin)號(hao)(hao)峰值較(jiao)易確定。對比(bi)(bi)漢寧(ning)窗(chuang)(chuang)(chuang)、布(bu)萊克(ke)(ke)曼窗(chuang)(chuang)(chuang)，漢寧(ning)窗(chuang)(chuang)(chuang)STFT處理所得信(xin)號(hao)(hao)幅(fu)值較(jiao)大，分辨精度較(jiao)高，故選擇(ze)該窗(chuang)(chuang)(chuang)函(han)數較(jiao)為適宜。

2. 窗(chuang)函數寬度選擇

 分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度是(shi)短時(shi)(shi)傅里葉變換的(de)(de)一個(ge)重要參(can)數，窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度的(de)(de)選擇決(jue)定能否(fou)正確分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)出(chu)原始信號中的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)變化情況。分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度越(yue)窄，局(ju)部(bu)頻(pin)(pin)譜(pu)的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越(yue)低，時(shi)(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越(yue)高(gao)；相反，分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度越(yue)寬(kuan)，局(ju)部(bu)頻(pin)(pin)譜(pu)的(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越(yue)高(gao)，時(shi)(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越(yue)低。因此(ci)需要找(zhao)到(dao)一個(ge)合適(shi)的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度，使得局(ju)部(bu)頻(pin)(pin)譜(pu)在頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)與時(shi)(shi)間(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)達(da)到(dao)最優效果。

 采用(yong)漢(han)寧(ning)窗，選擇不(bu)同窗寬度(du)對(dui)上述奧氏體不(bu)銹鋼粗晶反射信號做STFT處理，得到多個頻率的時間(jian)－幅值譜，其結果如圖4.15所示(shi)。

 分(fen)(fen)析(xi)圖(tu)4.15a,當窗寬(kuan)度(du)等(deng)于超(chao)聲反射(she)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)度(du)時(shi)，處理(li)結果(guo)的(de)(de)頻率(lv)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)不(bu)足，其中4MHz、5MHz單(dan)頻信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)較難(nan)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)；圖(tu)4.15b窗寬(kuan)度(du)增加到反射(she)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)度(du)的(de)(de)1.2倍，單(dan)頻信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)頻率(lv)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)有所增加；圖(tu)4.15c窗寬(kuan)度(du)為反射(she)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)度(du)的(de)(de)1.5倍，單(dan)頻信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)時(shi)間分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)及頻率(lv)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)均達到最優(you)；圖(tu)4.15d窗寬(kuan)度(du)等(deng)于反射(she)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)度(du)的(de)(de)2倍，單(dan)頻信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)時(shi)間分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率(lv)明(ming)顯降低(di)。因此STFT處理(li)的(de)(de)窗函(han)數最佳(jia)寬(kuan)度(du)應在(zai)超(chao)聲反射(she)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)度(du)的(de)(de)1.5倍左右。

二、粗(cu)晶奧氏體不銹鋼管裂紋缺陷檢測

 以外徑21mm、厚度(du)3.2mm的304奧氏體(ti)不銹鋼無縫(feng)鋼管為基(ji)管，細(xi)晶(jing)(jing)試(shi)樣不做熱處理，通(tong)過1280℃/4h的熱處理工藝(yi)獲得粗晶(jing)(jing)試(shi)樣，分別在(zai)細(xi)晶(jing)(jing)和粗晶(jing)(jing)樣管上通(tong)過電(dian)火花加工人工缺(que)陷(xian)長(chang)5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢(jian)測(ce)(ce)超聲中心頻(pin)率5MHz,超聲檢(jian)測(ce)(ce)信號如圖4.16所示。

 對(dui)上述信號做快速傅里葉(xie)變換處理(li)，得到各(ge)自的時頻(pin)信號圖如圖4.17所(suo)示。

 分析圖4.17,當(dang)頻率(lv)較低時(shi)(shi)，通常低于4MHz情況下奧氏體不(bu)(bu)銹鋼樣(yang)管細晶(jing)－裂紋超聲信號時(shi)(shi)間(jian)(jian)－幅度譜相對(dui)幅值(zhi)(zhi)較大，粗晶(jing)無裂紋超聲信號時(shi)(shi)間(jian)(jian)－幅度譜相對(dui)幅值(zhi)(zhi)較小(xiao)；當(dang)頻率(lv)超過(guo)5MHz時(shi)(shi)，奧氏體不(bu)(bu)銹鋼樣(yang)管粗晶(jing)－裂紋超聲信號時(shi)(shi)間(jian)(jian)－幅度譜相對(dui)幅值(zhi)(zhi)較大，細晶(jing)－裂紋超聲信號時(shi)(shi)間(jian)(jian)－幅度譜相對(dui)幅值(zhi)(zhi)較小(xiao)。

上述差異(yi)表明超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)與奧(ao)氏體不銹(xiu)(xiu)鋼裂紋或晶粒(li)(li)相(xiang)(xiang)互作(zuo)用(yong)后，裂紋和晶粒(li)(li)對超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)某些頻率(lv)(lv)的(de)(de)抑制(zhi)和增強(qiang)作(zuo)用(yong)不同，回波(bo)信(xin)(xin)號的(de)(de)頻率(lv)(lv)成分會表現出(chu)差異(yi)，它體現在反射信(xin)(xin)號中不同頻率(lv)(lv)的(de)(de)相(xiang)(xiang)對幅值隨時間的(de)(de)變化(hua)規律不同，這代表著里面含有一定的(de)(de)有關(guan)奧(ao)氏體不銹(xiu)(xiu)鋼裂紋和晶粒(li)(li)的(de)(de)信(xin)(xin)息，對粗晶奧(ao)氏體不銹(xiu)(xiu)鋼缺陷(xian)的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)時域信(xin)(xin)號分辨提供了分析(xi)手段。