汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧氏(shi)體不(bu)銹鋼(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

短時傅里(li)(li)葉變(bian)(bian)換(huan)(huan)的(de)實質是一種加(jia)窗后的(de)移動傅里(li)(li)葉變(bian)(bian)換(huan)(huan)，假設有一信號(hao)s(t),其短時傅里(li)(li)葉變(bian)(bian)換(huan)(huan)的(de)定義如下：

 根據式(shi)（4.9)~式(shi)（4.11),在某特(te)定(ding)時(shi)(shi)(shi)刻(ke)b,用寬度為(wei)2τ的(de)時(shi)(shi)(shi)間窗(chuang)截取信(xin)號(hao)(hao)s(t),對所(suo)得(de)信(xin)號(hao)(hao)做快(kuai)速傅(fu)里(li)葉(xie)變換，可獲得(de)信(xin)號(hao)(hao)s(t)在特(te)定(ding)時(shi)(shi)(shi)刻(ke)b的(de)幅度譜(pu)，將時(shi)(shi)(shi)間窗(chuang)后移，依次進行(xing)相同操作，最終得(de)到某一(yi)頻率(lv)的(de)信(xin)號(hao)(hao)在整個信(xin)號(hao)(hao)有效時(shi)(shi)(shi)間內的(de)幅度譜(pu)，該方法(fa)稱為(wei)短時(shi)(shi)(shi)傅(fu)里(li)葉(xie)變換。

 1. 窗函數類型選擇

 對短時(shi)傅里葉變換而言(yan)，窗函(han)數(shu)與窗函(han)數(shu)寬度的選擇是關鍵因素，不同的窗函(han)數(shu)有各(ge)自(zi)的頻率特性，窗寬度的選擇要同時(shi)考(kao)慮時(shi)間分(fen)(fen)辨率和頻率分(fen)(fen)辨率。

  圖(tu)4.13為304奧氏(shi)體不銹鋼無縫(feng)管粗晶(jing)反(fan)射(she)信號(hao)，反(fan)射(she)信號(hao)長(chang)度為46個(ge)采樣點，按(an)窗寬(kuan)度50個(ge)采樣點選擇不同窗函數(shu)分別做(zuo)STFT處理(li)。不同窗函數(shu)的(de)STFT處理(li)結(jie)果如圖(tu)4.14所(suo)示。

 分析不同窗(chuang)函數STFT圖(tu)，矩形窗(chuang)、三角形窗(chuang)以及(ji)海(hai)明(ming)窗(chuang)STFT處(chu)理后(hou)的信(xin)號(hao)粗糙，光順度不夠(gou)，信(xin)號(hao)峰(feng)值(zhi)較難(nan)獲取，不宜采用(yong)；漢(han)寧窗(chuang)以及(ji)布萊克(ke)曼窗(chuang)STFT處(chu)理后(hou)的信(xin)號(hao)比(bi)較順滑，信(xin)號(hao)峰(feng)值(zhi)較易(yi)確(que)定(ding)。對比(bi)漢(han)寧窗(chuang)、布萊克(ke)曼窗(chuang)，漢(han)寧窗(chuang)STFT處(chu)理所得信(xin)號(hao)幅值(zhi)較大，分辨精度較高，故(gu)選(xuan)擇(ze)該窗(chuang)函數較為適宜。

2. 窗函數(shu)寬度選擇

 分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度是短時傅里葉變(bian)換的(de)(de)(de)一個重要參數(shu)，窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度的(de)(de)(de)選擇決定(ding)能否正(zheng)確分(fen)析(xi)(xi)出(chu)原始信號中的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)變(bian)化情況。分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度越(yue)(yue)窄，局(ju)(ju)部頻(pin)譜的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越(yue)(yue)低(di)，時間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越(yue)(yue)高；相(xiang)反，分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度越(yue)(yue)寬(kuan)(kuan)，局(ju)(ju)部頻(pin)譜的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越(yue)(yue)高，時間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就(jiu)越(yue)(yue)低(di)。因此需要找到一個合適(shi)的(de)(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度，使得局(ju)(ju)部頻(pin)譜在頻(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)與時間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)達到最優效果(guo)。

 采用漢寧窗，選擇不同窗寬度對上述奧氏體不銹(xiu)鋼粗(cu)晶反射信號(hao)做STFT處(chu)理(li)，得到多個(ge)頻(pin)率(lv)的時間－幅值譜(pu)，其結果如(ru)圖4.15所(suo)示。

 分(fen)(fen)析圖(tu)(tu)4.15a,當(dang)窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)(du)(du)等(deng)于超聲(sheng)反射信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長度(du)(du)(du)(du)時，處理結(jie)果(guo)的(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)不足，其中(zhong)4MHz、5MHz單(dan)(dan)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)較難分(fen)(fen)辨；圖(tu)(tu)4.15b窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)(du)(du)增加(jia)到反射信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長度(du)(du)(du)(du)的(de)1.2倍(bei)，單(dan)(dan)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)頻(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)有所增加(jia)；圖(tu)(tu)4.15c窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)(du)(du)為反射信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長度(du)(du)(du)(du)的(de)1.5倍(bei)，單(dan)(dan)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)時間(jian)分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)及頻(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)均達到最優(you)；圖(tu)(tu)4.15d窗(chuang)寬(kuan)度(du)(du)(du)(du)等(deng)于反射信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長度(du)(du)(du)(du)的(de)2倍(bei)，單(dan)(dan)頻(pin)(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的(de)時間(jian)分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)明顯降(jiang)低(di)。因此(ci)STFT處理的(de)窗(chuang)函(han)數最佳寬(kuan)度(du)(du)(du)(du)應(ying)在超聲(sheng)反射信(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)長度(du)(du)(du)(du)的(de)1.5倍(bei)左(zuo)右。

二、粗晶(jing)奧氏體不銹鋼(gang)管裂紋缺陷檢測

 以外徑(jing)21mm、厚度3.2mm的(de)304奧氏體不銹鋼無縫鋼管為基管，細晶試樣(yang)不做熱(re)處理，通過1280℃/4h的(de)熱(re)處理工藝獲得粗晶試樣(yang)，分(fen)別在細晶和粗晶樣(yang)管上通過電火花加工人工缺陷長5mm、深0.2mm、寬(kuan)0.2mm,檢(jian)測超(chao)聲(sheng)中心頻率(lv)5MHz,超(chao)聲(sheng)檢(jian)測信(xin)號如圖4.16所示(shi)。

 對上(shang)述信號(hao)做(zuo)快速傅里葉變換處理(li)，得到各自的時頻信號(hao)圖如圖4.17所示。

 分析圖4.17,當(dang)頻率較低(di)時(shi)，通常低(di)于4MHz情(qing)況下奧氏體(ti)不銹鋼樣管細晶－裂(lie)紋超聲信號(hao)時(shi)間(jian)－幅(fu)度(du)譜(pu)相對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)較大，粗晶無裂(lie)紋超聲信號(hao)時(shi)間(jian)－幅(fu)度(du)譜(pu)相對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)較小；當(dang)頻率超過5MHz時(shi)，奧氏體(ti)不銹鋼樣管粗晶－裂(lie)紋超聲信號(hao)時(shi)間(jian)－幅(fu)度(du)譜(pu)相對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)較大，細晶－裂(lie)紋超聲信號(hao)時(shi)間(jian)－幅(fu)度(du)譜(pu)相對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)較小。

上述差異表明超聲波(bo)與奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)不銹(xiu)(xiu)鋼裂(lie)紋或晶粒相互作(zuo)用(yong)后(hou)，裂(lie)紋和(he)晶粒對(dui)超聲波(bo)某些(xie)頻(pin)(pin)率的(de)(de)抑(yi)制和(he)增強作(zuo)用(yong)不同，回波(bo)信(xin)號(hao)的(de)(de)頻(pin)(pin)率成分會表現出差異，它體(ti)現在反射信(xin)號(hao)中不同頻(pin)(pin)率的(de)(de)相對(dui)幅值隨時間(jian)的(de)(de)變化規律不同，這(zhe)代表著(zhu)里(li)面含有一定的(de)(de)有關奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)不銹(xiu)(xiu)鋼裂(lie)紋和(he)晶粒的(de)(de)信(xin)息，對(dui)粗晶奧(ao)(ao)氏(shi)體(ti)不銹(xiu)(xiu)鋼缺(que)陷(xian)的(de)(de)超聲時域信(xin)號(hao)分辨提供了分析(xi)手段。