汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧(ao)氏(shi)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

短時(shi)(shi)傅里(li)(li)葉(xie)變(bian)(bian)換(huan)(huan)的(de)實質是一種加窗后(hou)的(de)移動傅里(li)(li)葉(xie)變(bian)(bian)換(huan)(huan)，假設有一信號s(t),其(qi)短時(shi)(shi)傅里(li)(li)葉(xie)變(bian)(bian)換(huan)(huan)的(de)定義如下：

 根據式（4.9)~式（4.11),在(zai)某特定(ding)時(shi)(shi)刻(ke)b,用寬(kuan)度為(wei)2τ的時(shi)(shi)間(jian)(jian)窗截取(qu)信(xin)號s(t),對所(suo)得信(xin)號做快速傅里葉變(bian)換(huan)，可獲得信(xin)號s(t)在(zai)特定(ding)時(shi)(shi)刻(ke)b的幅(fu)度譜，將時(shi)(shi)間(jian)(jian)窗后移，依(yi)次進行相同操作，最終(zhong)得到某一頻率的信(xin)號在(zai)整個信(xin)號有效時(shi)(shi)間(jian)(jian)內的幅(fu)度譜，該(gai)方法稱為(wei)短時(shi)(shi)傅里葉變(bian)換(huan)。

 1. 窗函數類型選(xuan)擇

 對短時傅里(li)葉變(bian)換而言，窗(chuang)函數(shu)與窗(chuang)函數(shu)寬(kuan)度的選擇(ze)是(shi)關鍵因素，不同(tong)的窗(chuang)函數(shu)有各自的頻率(lv)特性，窗(chuang)寬(kuan)度的選擇(ze)要同(tong)時考慮(lv)時間分辨率(lv)和頻率(lv)分辨率(lv)。

  圖4.13為(wei)(wei)304奧氏體不(bu)銹鋼無縫管粗(cu)晶(jing)反射信號，反射信號長度為(wei)(wei)46個采樣點(dian)(dian)，按窗寬度50個采樣點(dian)(dian)選(xuan)擇不(bu)同窗函數分別做STFT處(chu)理。不(bu)同窗函數的STFT處(chu)理結果如圖4.14所示。

 分析(xi)不(bu)同窗(chuang)(chuang)函數STFT圖，矩形窗(chuang)(chuang)、三角形窗(chuang)(chuang)以及(ji)海(hai)明窗(chuang)(chuang)STFT處理后的(de)(de)信號(hao)粗糙，光(guang)順度不(bu)夠，信號(hao)峰值較(jiao)(jiao)(jiao)難獲取，不(bu)宜(yi)采(cai)用；漢(han)寧窗(chuang)(chuang)以及(ji)布萊克曼(man)(man)窗(chuang)(chuang)STFT處理后的(de)(de)信號(hao)比(bi)(bi)較(jiao)(jiao)(jiao)順滑(hua)，信號(hao)峰值較(jiao)(jiao)(jiao)易(yi)確定。對比(bi)(bi)漢(han)寧窗(chuang)(chuang)、布萊克曼(man)(man)窗(chuang)(chuang)，漢(han)寧窗(chuang)(chuang)STFT處理所得(de)信號(hao)幅值較(jiao)(jiao)(jiao)大，分辨精(jing)度較(jiao)(jiao)(jiao)高，故選(xuan)擇(ze)該窗(chuang)(chuang)函數較(jiao)(jiao)(jiao)為(wei)適(shi)宜(yi)。

2. 窗函數(shu)寬度選(xuan)擇(ze)

 分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)窗寬度(du)是(shi)短時傅里葉(xie)變(bian)換的一個重要參數，窗寬度(du)的選(xuan)擇決定能否(fou)正確(que)分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)出原(yuan)始信號(hao)中的頻率(lv)變(bian)化情況。分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)窗寬度(du)越(yue)窄，局部頻譜(pu)的頻率(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)(jiu)越(yue)低(di)(di)，時間(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)(jiu)越(yue)高；相反，分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)窗寬度(du)越(yue)寬，局部頻譜(pu)的頻率(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)(jiu)越(yue)高，時間(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)(jiu)越(yue)低(di)(di)。因(yin)此需要找(zhao)到(dao)一個合適的分(fen)(fen)(fen)(fen)析(xi)窗寬度(du)，使得(de)局部頻譜(pu)在頻率(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)與時間(jian)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)達(da)到(dao)最優(you)效果(guo)。

 采用漢寧(ning)窗，選擇不同(tong)窗寬度(du)對上(shang)述奧氏體不銹鋼(gang)粗晶反射信號做STFT處理，得到多個頻率(lv)的(de)時間－幅(fu)值譜，其結(jie)果(guo)如圖4.15所示(shi)。

 分析圖(tu)4.15a,當(dang)窗寬度(du)等于(yu)超聲(sheng)反(fan)(fan)(fan)射信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)度(du)時(shi)，處理結果的(de)頻(pin)(pin)率(lv)分辨(bian)(bian)率(lv)不足，其中4MHz、5MHz單(dan)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)較難分辨(bian)(bian)；圖(tu)4.15b窗寬度(du)增加到反(fan)(fan)(fan)射信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)度(du)的(de)1.2倍(bei)(bei)，單(dan)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)頻(pin)(pin)率(lv)分辨(bian)(bian)率(lv)有所增加；圖(tu)4.15c窗寬度(du)為反(fan)(fan)(fan)射信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)度(du)的(de)1.5倍(bei)(bei)，單(dan)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)時(shi)間分辨(bian)(bian)率(lv)及(ji)頻(pin)(pin)率(lv)分辨(bian)(bian)率(lv)均達到最(zui)優；圖(tu)4.15d窗寬度(du)等于(yu)反(fan)(fan)(fan)射信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)度(du)的(de)2倍(bei)(bei)，單(dan)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)時(shi)間分辨(bian)(bian)率(lv)明顯降低。因此STFT處理的(de)窗函(han)數最(zui)佳寬度(du)應在(zai)超聲(sheng)反(fan)(fan)(fan)射信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長(chang)度(du)的(de)1.5倍(bei)(bei)左右。

二(er)、粗晶(jing)奧氏體不銹(xiu)鋼管裂紋缺陷檢測

 以外徑21mm、厚度(du)3.2mm的304奧氏(shi)體不(bu)(bu)銹鋼無縫(feng)鋼管為基管，細晶(jing)試(shi)樣不(bu)(bu)做熱處理，通過1280℃/4h的熱處理工藝(yi)獲得粗晶(jing)試(shi)樣，分別在細晶(jing)和粗晶(jing)樣管上通過電火花加工人(ren)工缺陷長5mm、深0.2mm、寬(kuan)0.2mm,檢(jian)測超聲中心(xin)頻率5MHz,超聲檢(jian)測信號如圖4.16所(suo)示。

 對上述信號做快速傅里葉變(bian)換(huan)處理，得到各(ge)自(zi)的時頻信號圖如圖4.17所示。

 分析圖(tu)4.17,當頻(pin)率較(jiao)低(di)時(shi)(shi)(shi)，通(tong)常(chang)低(di)于4MHz情況下奧氏體不銹鋼樣管細晶－裂紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)大，粗(cu)晶無裂紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)小；當頻(pin)率超(chao)(chao)過(guo)5MHz時(shi)(shi)(shi)，奧氏體不銹鋼樣管粗(cu)晶－裂紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)大，細晶－裂紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信(xin)號時(shi)(shi)(shi)間－幅(fu)度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)幅(fu)值(zhi)較(jiao)小。

上(shang)述差異(yi)表明(ming)超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)與奧氏體(ti)(ti)(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)裂紋(wen)或晶(jing)粒相互作(zuo)用后(hou)，裂紋(wen)和(he)(he)晶(jing)粒對超(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)某(mou)些頻(pin)率的抑制和(he)(he)增強作(zuo)用不同(tong)，回波(bo)信號(hao)的頻(pin)率成分會表現出差異(yi)，它體(ti)(ti)(ti)(ti)現在反(fan)射信號(hao)中不同(tong)頻(pin)率的相對幅(fu)值隨(sui)時間的變化規律不同(tong)，這(zhe)代表著里(li)面(mian)含有一定的有關奧氏體(ti)(ti)(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)裂紋(wen)和(he)(he)晶(jing)粒的信息(xi)，對粗晶(jing)奧氏體(ti)(ti)(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)缺陷的超(chao)聲(sheng)(sheng)時域信號(hao)分辨提供了(le)分析手段(duan)。