汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)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(huan)
短(duan)時傅(fu)里葉變換的(de)實(shi)質是(shi)一(yi)種加(jia)窗后的(de)移動傅(fu)里葉變換，假設有一(yi)信號(hao)s(t),其短(duan)時傅(fu)里葉變換的(de)定義(yi)如下：
根(gen)據式(shi)（4.9)~式(shi)（4.11),在(zai)某特(te)定(ding)(ding)時刻(ke)(ke)b,用寬度(du)為(wei)2τ的(de)時間窗截取信(xin)(xin)(xin)號(hao)s(t),對(dui)所得信(xin)(xin)(xin)號(hao)做快速傅(fu)里葉(xie)變換，可(ke)獲得信(xin)(xin)(xin)號(hao)s(t)在(zai)特(te)定(ding)(ding)時刻(ke)(ke)b的(de)幅度(du)譜(pu)，將時間窗后移，依次進行相同操作(zuo)，最終得到某一(yi)頻率的(de)信(xin)(xin)(xin)號(hao)在(zai)整個(ge)信(xin)(xin)(xin)號(hao)有效時間內(nei)的(de)幅度(du)譜(pu)，該方法稱為(wei)短時傅(fu)里葉(xie)變換。
1. 窗(chuang)函數類型(xing)選擇(ze)
對(dui)短時(shi)傅里(li)葉變換而(er)言(yan)，窗(chuang)函(han)數與窗(chuang)函(han)數寬度(du)的選擇是關鍵因素(su)，不(bu)同的窗(chuang)函(han)數有各自的頻(pin)率(lv)特(te)性，窗(chuang)寬度(du)的選擇要同時(shi)考慮時(shi)間分辨率(lv)和頻(pin)率(lv)分辨率(lv)。
圖(tu)4.13為(wei)304奧(ao)氏體(ti)不銹鋼無縫管粗(cu)晶反(fan)射信(xin)號，反(fan)射信(xin)號長度為(wei)46個采樣點(dian)，按窗(chuang)寬度50個采樣點(dian)選擇不同窗(chuang)函數分別(bie)做STFT處(chu)理(li)。不同窗(chuang)函數的STFT處(chu)理(li)結果(guo)如圖(tu)4.14所示(shi)。
分(fen)析(xi)不同窗(chuang)(chuang)函數STFT圖(tu)，矩(ju)形窗(chuang)(chuang)、三角形窗(chuang)(chuang)以(yi)及海明窗(chuang)(chuang)STFT處(chu)理(li)后的信(xin)(xin)號(hao)(hao)粗糙，光(guang)順度不夠，信(xin)(xin)號(hao)(hao)峰(feng)值(zhi)較難獲取，不宜(yi)采用；漢(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)以(yi)及布(bu)萊(lai)克曼窗(chuang)(chuang)STFT處(chu)理(li)后的信(xin)(xin)號(hao)(hao)比較順滑，信(xin)(xin)號(hao)(hao)峰(feng)值(zhi)較易確(que)定。對比漢(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)、布(bu)萊(lai)克曼窗(chuang)(chuang)，漢(han)寧(ning)窗(chuang)(chuang)STFT處(chu)理(li)所得(de)信(xin)(xin)號(hao)(hao)幅(fu)值(zhi)較大，分(fen)辨精度較高，故選擇該(gai)窗(chuang)(chuang)函數較為適(shi)宜(yi)。
2. 窗函數(shu)寬度選擇
分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度是(shi)短(duan)時(shi)傅里葉變換的(de)(de)一(yi)個重要(yao)參(can)數，窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度的(de)(de)選擇(ze)決定能否正(zheng)確分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)出原始信號(hao)中(zhong)的(de)(de)頻(pin)(pin)率變化情況(kuang)。分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度越(yue)(yue)窄，局(ju)部(bu)頻(pin)(pin)譜的(de)(de)頻(pin)(pin)率分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率就越(yue)(yue)低，時(shi)間分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率就越(yue)(yue)高；相(xiang)反，分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度越(yue)(yue)寬(kuan)(kuan)，局(ju)部(bu)頻(pin)(pin)譜的(de)(de)頻(pin)(pin)率分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率就越(yue)(yue)高，時(shi)間分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率就越(yue)(yue)低。因此(ci)需要(yao)找到(dao)一(yi)個合適的(de)(de)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度，使得局(ju)部(bu)頻(pin)(pin)譜在頻(pin)(pin)率分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率與(yu)時(shi)間分(fen)(fen)(fen)辨(bian)率達到(dao)最優(you)效(xiao)果。
采(cai)用漢寧窗(chuang)，選擇不同窗(chuang)寬度對上述奧氏體不銹鋼粗晶反射信號做STFT處理，得到多個頻率的時(shi)間－幅值譜，其結(jie)果(guo)如圖4.15所示。
分(fen)析(xi)圖(tu)4.15a,當窗(chuang)寬度(du)(du)等(deng)于(yu)超(chao)聲反(fan)射(she)(she)信(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)時，處理結果的頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)不足，其中(zhong)4MHz、5MHz單(dan)頻(pin)(pin)信(xin)號(hao)(hao)(hao)較難分(fen)辨(bian)；圖(tu)4.15b窗(chuang)寬度(du)(du)增加到反(fan)射(she)(she)信(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的1.2倍，單(dan)頻(pin)(pin)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)有所(suo)增加；圖(tu)4.15c窗(chuang)寬度(du)(du)為反(fan)射(she)(she)信(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的1.5倍，單(dan)頻(pin)(pin)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的時間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)及頻(pin)(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)均達到最優；圖(tu)4.15d窗(chuang)寬度(du)(du)等(deng)于(yu)反(fan)射(she)(she)信(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的2倍，單(dan)頻(pin)(pin)信(xin)號(hao)(hao)(hao)的時間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)明顯降低。因此(ci)STFT處理的窗(chuang)函數(shu)最佳(jia)寬度(du)(du)應在(zai)超(chao)聲反(fan)射(she)(she)信(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的1.5倍左(zuo)右。
二、粗晶(jing)奧氏體不銹(xiu)鋼管(guan)裂紋(wen)缺陷(xian)檢測(ce)
以外徑21mm、厚度3.2mm的(de)304奧氏(shi)體不(bu)銹(xiu)鋼(gang)無(wu)縫鋼(gang)管為基管，細(xi)晶(jing)(jing)試樣(yang)不(bu)做熱(re)處理，通過1280℃/4h的(de)熱(re)處理工(gong)藝獲(huo)得粗晶(jing)(jing)試樣(yang)，分(fen)別在細(xi)晶(jing)(jing)和粗晶(jing)(jing)樣(yang)管上通過電火花加(jia)工(gong)人工(gong)缺陷長5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢測超聲中心頻(pin)率5MHz,超聲檢測信(xin)號如圖(tu)4.16所(suo)示。
對上述(shu)信號做快速傅里葉變換處理，得到各(ge)自的時頻信號圖如(ru)圖4.17所(suo)示(shi)。
分(fen)析圖4.17,當頻率較(jiao)低時(shi)，通(tong)常低于4MHz情(qing)況下奧(ao)氏體(ti)不(bu)銹鋼樣管(guan)細(xi)晶(jing)－裂紋超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)信號(hao)時(shi)間(jian)－幅度(du)譜相(xiang)(xiang)對(dui)幅值較(jiao)大(da)，粗(cu)晶(jing)無裂紋超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)信號(hao)時(shi)間(jian)－幅度(du)譜相(xiang)(xiang)對(dui)幅值較(jiao)小(xiao)；當頻率超(chao)(chao)過5MHz時(shi)，奧(ao)氏體(ti)不(bu)銹鋼樣管(guan)粗(cu)晶(jing)－裂紋超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)信號(hao)時(shi)間(jian)－幅度(du)譜相(xiang)(xiang)對(dui)幅值較(jiao)大(da)，細(xi)晶(jing)－裂紋超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)信號(hao)時(shi)間(jian)－幅度(du)譜相(xiang)(xiang)對(dui)幅值較(jiao)小(xiao)。
上述差異表(biao)明超(chao)聲波(bo)(bo)與奧氏體不(bu)銹鋼(gang)裂紋或晶(jing)(jing)粒相(xiang)互作用后，裂紋和晶(jing)(jing)粒對超(chao)聲波(bo)(bo)某些頻率(lv)的(de)抑制和增強作用不(bu)同(tong)，回波(bo)(bo)信號(hao)的(de)頻率(lv)成分會表(biao)現出差異，它(ta)體現在反射信號(hao)中(zhong)不(bu)同(tong)頻率(lv)的(de)相(xiang)對幅值隨(sui)時間(jian)的(de)變(bian)化規律不(bu)同(tong)，這代(dai)表(biao)著(zhu)里面含有一定(ding)的(de)有關(guan)奧氏體不(bu)銹鋼(gang)裂紋和晶(jing)(jing)粒的(de)信息，對粗晶(jing)(jing)奧氏體不(bu)銹鋼(gang)缺陷的(de)超(chao)聲時域信號(hao)分辨提供(gong)了分析手段。
