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(xie)變(bian)換

短時傅里葉(xie)變(bian)換(huan)的實質是一種(zhong)加窗后的移(yi)動傅里葉(xie)變(bian)換(huan)，假設有(you)一信(xin)號s(t),其(qi)短時傅里葉(xie)變(bian)換(huan)的定義(yi)如下(xia)：

 根據(ju)式(shi)（4.9)~式(shi)（4.11),在(zai)某(mou)特(te)定時(shi)(shi)刻(ke)b,用寬(kuan)度為2τ的(de)時(shi)(shi)間(jian)窗截取信號(hao)(hao)s(t),對(dui)所得(de)信號(hao)(hao)做快速傅(fu)里葉(xie)變換，可(ke)獲得(de)信號(hao)(hao)s(t)在(zai)特(te)定時(shi)(shi)刻(ke)b的(de)幅(fu)度譜，將時(shi)(shi)間(jian)窗后移(yi)，依(yi)次(ci)進(jin)行相同操作，最終得(de)到(dao)某(mou)一頻率(lv)的(de)信號(hao)(hao)在(zai)整個信號(hao)(hao)有效時(shi)(shi)間(jian)內的(de)幅(fu)度譜，該方法稱為短時(shi)(shi)傅(fu)里葉(xie)變換。

 1. 窗(chuang)函數類型選(xuan)擇

 對短時傅里(li)葉變換而言，窗(chuang)函數(shu)與窗(chuang)函數(shu)寬度的(de)選擇是關鍵因(yin)素，不同的(de)窗(chuang)函數(shu)有各自(zi)的(de)頻率(lv)特(te)性(xing)，窗(chuang)寬度的(de)選擇要(yao)同時考慮時間分(fen)辨率(lv)和頻率(lv)分(fen)辨率(lv)。

  圖4.13為304奧氏體(ti)不銹鋼無縫(feng)管粗晶反射(she)信(xin)號，反射(she)信(xin)號長度(du)為46個(ge)采樣點，按(an)窗寬度(du)50個(ge)采樣點選擇不同窗函(han)數分別做(zuo)STFT處(chu)(chu)理(li)。不同窗函(han)數的STFT處(chu)(chu)理(li)結(jie)果如圖4.14所示。

 分析不同窗(chuang)函(han)數STFT圖，矩形窗(chuang)、三角形窗(chuang)以(yi)及海(hai)明窗(chuang)STFT處(chu)理(li)后的信(xin)(xin)號粗糙，光順度不夠，信(xin)(xin)號峰(feng)值較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)難獲(huo)取(qu)，不宜(yi)采用；漢寧(ning)窗(chuang)以(yi)及布(bu)萊克曼窗(chuang)STFT處(chu)理(li)后的信(xin)(xin)號比較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)順滑，信(xin)(xin)號峰(feng)值較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)易確定。對比漢寧(ning)窗(chuang)、布(bu)萊克曼窗(chuang)，漢寧(ning)窗(chuang)STFT處(chu)理(li)所(suo)得信(xin)(xin)號幅(fu)值較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)大(da)，分辨(bian)精度較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)高，故(gu)選擇(ze)該窗(chuang)函(han)數較(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)適宜(yi)。

2. 窗函數寬度選(xuan)擇

 分析(xi)(xi)窗寬(kuan)度(du)(du)(du)是短時傅(fu)里葉變(bian)換(huan)的一個(ge)(ge)重要參(can)數，窗寬(kuan)度(du)(du)(du)的選擇決定能否正確分析(xi)(xi)出原始信號中的頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)變(bian)化(hua)情(qing)況。分析(xi)(xi)窗寬(kuan)度(du)(du)(du)越(yue)(yue)窄，局部頻(pin)(pin)(pin)譜的頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)(jiu)越(yue)(yue)低(di)(di)，時間分辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)(jiu)越(yue)(yue)高(gao)；相反(fan)，分析(xi)(xi)窗寬(kuan)度(du)(du)(du)越(yue)(yue)寬(kuan)，局部頻(pin)(pin)(pin)譜的頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)(jiu)越(yue)(yue)高(gao)，時間分辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)(jiu)越(yue)(yue)低(di)(di)。因此(ci)需(xu)要找到一個(ge)(ge)合(he)適的分析(xi)(xi)窗寬(kuan)度(du)(du)(du)，使得(de)局部頻(pin)(pin)(pin)譜在頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分辨(bian)率(lv)(lv)與時間分辨(bian)率(lv)(lv)達到最(zui)優(you)效果。

 采用漢寧(ning)窗，選擇(ze)不同窗寬度對上述奧氏體不銹鋼粗晶反射信號做STFT處理，得到多個頻(pin)率的時間(jian)－幅值譜，其結果(guo)如圖4.15所示。

 分(fen)析圖4.15a,當窗(chuang)(chuang)寬度等(deng)于(yu)超聲(sheng)反射(she)信(xin)(xin)(xin)號(hao)長(chang)(chang)度時，處理(li)結(jie)果(guo)的(de)頻率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)不足，其中4MHz、5MHz單(dan)頻信(xin)(xin)(xin)號(hao)較難分(fen)辨(bian)(bian)；圖4.15b窗(chuang)(chuang)寬度增加到反射(she)信(xin)(xin)(xin)號(hao)長(chang)(chang)度的(de)1.2倍(bei)(bei)，單(dan)頻信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)頻率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)有所(suo)增加；圖4.15c窗(chuang)(chuang)寬度為反射(she)信(xin)(xin)(xin)號(hao)長(chang)(chang)度的(de)1.5倍(bei)(bei)，單(dan)頻信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)時間(jian)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)及頻率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)均(jun)達到最優；圖4.15d窗(chuang)(chuang)寬度等(deng)于(yu)反射(she)信(xin)(xin)(xin)號(hao)長(chang)(chang)度的(de)2倍(bei)(bei)，單(dan)頻信(xin)(xin)(xin)號(hao)的(de)時間(jian)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)明顯降低。因此STFT處理(li)的(de)窗(chuang)(chuang)函數最佳寬度應在超聲(sheng)反射(she)信(xin)(xin)(xin)號(hao)長(chang)(chang)度的(de)1.5倍(bei)(bei)左右。

二、粗晶奧氏體不銹鋼(gang)管(guan)裂紋缺陷檢測

 以外徑21mm、厚度3.2mm的(de)304奧氏體不銹鋼(gang)無縫鋼(gang)管為基管，細晶試(shi)樣(yang)不做熱處理，通(tong)過(guo)1280℃/4h的(de)熱處理工藝獲得粗晶試(shi)樣(yang)，分別在(zai)細晶和粗晶樣(yang)管上通(tong)過(guo)電(dian)火花(hua)加工人工缺陷長5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢測(ce)超(chao)聲中心頻率5MHz,超(chao)聲檢測(ce)信(xin)號(hao)如(ru)圖4.16所(suo)示。

 對上述信號(hao)做(zuo)快速(su)傅里葉變換(huan)處理，得到各(ge)自的(de)時頻(pin)信號(hao)圖如圖4.17所示。

 分(fen)析圖4.17,當頻(pin)率(lv)較低(di)時(shi)，通常低(di)于4MHz情況下奧(ao)氏體不(bu)銹鋼(gang)樣管細晶－裂紋(wen)(wen)超(chao)聲信號時(shi)間－幅(fu)度譜相對(dui)幅(fu)值(zhi)較大，粗晶無裂紋(wen)(wen)超(chao)聲信號時(shi)間－幅(fu)度譜相對(dui)幅(fu)值(zhi)較小；當頻(pin)率(lv)超(chao)過5MHz時(shi)，奧(ao)氏體不(bu)銹鋼(gang)樣管粗晶－裂紋(wen)(wen)超(chao)聲信號時(shi)間－幅(fu)度譜相對(dui)幅(fu)值(zhi)較大，細晶－裂紋(wen)(wen)超(chao)聲信號時(shi)間－幅(fu)度譜相對(dui)幅(fu)值(zhi)較小。

上(shang)述差(cha)異(yi)表明超(chao)聲(sheng)波(bo)與奧氏體不(bu)(bu)銹(xiu)鋼裂紋(wen)(wen)或晶(jing)(jing)粒(li)相(xiang)互(hu)作(zuo)用后，裂紋(wen)(wen)和(he)晶(jing)(jing)粒(li)對超(chao)聲(sheng)波(bo)某些頻率的(de)(de)抑(yi)制和(he)增強(qiang)作(zuo)用不(bu)(bu)同，回波(bo)信(xin)號(hao)的(de)(de)頻率成分(fen)會表現出差(cha)異(yi)，它體現在(zai)反射信(xin)號(hao)中(zhong)不(bu)(bu)同頻率的(de)(de)相(xiang)對幅(fu)值隨(sui)時間(jian)的(de)(de)變(bian)化規律不(bu)(bu)同，這代表著(zhu)里面含有一(yi)定的(de)(de)有關奧氏體不(bu)(bu)銹(xiu)鋼裂紋(wen)(wen)和(he)晶(jing)(jing)粒(li)的(de)(de)信(xin)息，對粗晶(jing)(jing)奧氏體不(bu)(bu)銹(xiu)鋼缺陷的(de)(de)超(chao)聲(sheng)時域信(xin)號(hao)分(fen)辨提供了分(fen)析手(shou)段。