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)、短時傅里葉變換

短(duan)時傅里葉變換(huan)的(de)實(shi)質(zhi)是一種加窗(chuang)后的(de)移動傅里葉變換(huan)，假設有一信號s(t),其短(duan)時傅里葉變換(huan)的(de)定(ding)義如(ru)下：

 根據式(shi)（4.9)~式(shi)（4.11),在(zai)某特定(ding)時(shi)(shi)刻b,用寬度為2τ的(de)時(shi)(shi)間窗截取信(xin)號s(t),對所得(de)信(xin)號做快(kuai)速傅(fu)里葉(xie)(xie)變(bian)換(huan)(huan)，可獲得(de)信(xin)號s(t)在(zai)特定(ding)時(shi)(shi)刻b的(de)幅(fu)度譜，將時(shi)(shi)間窗后移(yi)，依次(ci)進行相同操(cao)作，最(zui)終得(de)到某一頻率的(de)信(xin)號在(zai)整個(ge)信(xin)號有效時(shi)(shi)間內的(de)幅(fu)度譜，該方法稱(cheng)為短時(shi)(shi)傅(fu)里葉(xie)(xie)變(bian)換(huan)(huan)。

 1. 窗函數類型選擇(ze)

 對短時傅里葉變換而言，窗(chuang)函(han)數與窗(chuang)函(han)數寬度的選擇(ze)是關(guan)鍵因(yin)素，不(bu)同的窗(chuang)函(han)數有各自的頻率特性，窗(chuang)寬度的選擇(ze)要同時考慮時間分(fen)辨率和頻率分(fen)辨率。

  圖4.13為304奧(ao)氏體不(bu)(bu)銹鋼無縫管粗晶(jing)反射(she)信(xin)號，反射(she)信(xin)號長度為46個采樣點(dian)(dian)，按窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度50個采樣點(dian)(dian)選擇不(bu)(bu)同窗(chuang)(chuang)函數分(fen)別做STFT處理(li)(li)。不(bu)(bu)同窗(chuang)(chuang)函數的STFT處理(li)(li)結果如圖4.14所示。

 分(fen)析不同(tong)窗(chuang)函數(shu)STFT圖，矩形(xing)窗(chuang)、三角(jiao)形(xing)窗(chuang)以及(ji)海明窗(chuang)STFT處理后的信(xin)號(hao)(hao)粗糙，光順度不夠，信(xin)號(hao)(hao)峰(feng)(feng)值較(jiao)難獲(huo)取(qu)，不宜采用；漢(han)寧(ning)窗(chuang)以及(ji)布萊(lai)(lai)克(ke)曼(man)(man)窗(chuang)STFT處理后的信(xin)號(hao)(hao)比較(jiao)順滑，信(xin)號(hao)(hao)峰(feng)(feng)值較(jiao)易(yi)確定。對比漢(han)寧(ning)窗(chuang)、布萊(lai)(lai)克(ke)曼(man)(man)窗(chuang)，漢(han)寧(ning)窗(chuang)STFT處理所(suo)得(de)信(xin)號(hao)(hao)幅值較(jiao)大，分(fen)辨精度較(jiao)高，故(gu)選(xuan)擇該(gai)窗(chuang)函數(shu)較(jiao)為(wei)適宜。

2. 窗函數寬度選(xuan)擇

 分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度(du)是短時(shi)(shi)傅里葉變換(huan)的一個(ge)重(zhong)要參數，窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度(du)的選擇決定能否(fou)正確分(fen)析(xi)(xi)出原(yuan)始(shi)信號中的頻(pin)(pin)率變化情況。分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度(du)越(yue)(yue)(yue)窄，局部頻(pin)(pin)譜的頻(pin)(pin)率分(fen)辨(bian)率就(jiu)越(yue)(yue)(yue)低，時(shi)(shi)間分(fen)辨(bian)率就(jiu)越(yue)(yue)(yue)高；相反，分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度(du)越(yue)(yue)(yue)寬(kuan)，局部頻(pin)(pin)譜的頻(pin)(pin)率分(fen)辨(bian)率就(jiu)越(yue)(yue)(yue)高，時(shi)(shi)間分(fen)辨(bian)率就(jiu)越(yue)(yue)(yue)低。因此需要找到一個(ge)合適(shi)的分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度(du)，使得局部頻(pin)(pin)譜在頻(pin)(pin)率分(fen)辨(bian)率與時(shi)(shi)間分(fen)辨(bian)率達到最優效果。

 采用漢寧窗，選(xuan)擇不(bu)同窗寬度對上述奧氏(shi)體不(bu)銹鋼粗(cu)晶反射信號做STFT處理，得到多個(ge)頻率(lv)的時間－幅值譜，其結果如圖4.15所示。

 分(fen)析圖4.15a,當窗(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)(du)(du)等于超(chao)聲反(fan)射(she)(she)信(xin)號(hao)長度(du)(du)(du)(du)(du)時，處理(li)結果(guo)的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)不足，其(qi)中4MHz、5MHz單頻(pin)(pin)(pin)信(xin)號(hao)較難分(fen)辨(bian)；圖4.15b窗(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)(du)(du)增(zeng)加到反(fan)射(she)(she)信(xin)號(hao)長度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)1.2倍(bei)，單頻(pin)(pin)(pin)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)有所增(zeng)加；圖4.15c窗(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)(du)(du)為(wei)反(fan)射(she)(she)信(xin)號(hao)長度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)1.5倍(bei)，單頻(pin)(pin)(pin)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)時間分(fen)辨(bian)率(lv)及頻(pin)(pin)(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)均達到最優(you)；圖4.15d窗(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)(du)(du)等于反(fan)射(she)(she)信(xin)號(hao)長度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)2倍(bei)，單頻(pin)(pin)(pin)信(xin)號(hao)的(de)(de)(de)時間分(fen)辨(bian)率(lv)明顯降低。因此STFT處理(li)的(de)(de)(de)窗(chuang)(chuang)函(han)數最佳寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)(du)(du)應在超(chao)聲反(fan)射(she)(she)信(xin)號(hao)長度(du)(du)(du)(du)(du)的(de)(de)(de)1.5倍(bei)左右(you)。

二、粗晶奧(ao)氏體不銹鋼管裂紋缺(que)陷(xian)檢測

 以外(wai)徑21mm、厚(hou)度3.2mm的304奧氏體不(bu)銹鋼無(wu)縫鋼管(guan)(guan)為(wei)基(ji)管(guan)(guan)，細晶(jing)試(shi)樣不(bu)做熱(re)處(chu)理，通過1280℃/4h的熱(re)處(chu)理工(gong)藝獲(huo)得(de)粗晶(jing)試(shi)樣，分別在細晶(jing)和粗晶(jing)樣管(guan)(guan)上通過電火花加工(gong)人工(gong)缺陷長5mm、深0.2mm、寬(kuan)0.2mm,檢測超聲(sheng)中心頻(pin)率5MHz,超聲(sheng)檢測信號如圖4.16所(suo)示。

 對上述(shu)信號做快速傅(fu)里葉變(bian)換處(chu)理，得(de)到(dao)各自(zi)的時頻信號圖如(ru)圖4.17所示。

 分(fen)析圖(tu)4.17,當頻率較(jiao)(jiao)低時(shi)(shi)，通常低于4MHz情況下奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)樣(yang)管細晶(jing)－裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)超(chao)(chao)(chao)聲信(xin)(xin)號時(shi)(shi)間－幅度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)(dui)幅值較(jiao)(jiao)大，粗晶(jing)無裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)超(chao)(chao)(chao)聲信(xin)(xin)號時(shi)(shi)間－幅度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)(dui)幅值較(jiao)(jiao)小；當頻率超(chao)(chao)(chao)過(guo)5MHz時(shi)(shi)，奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)樣(yang)管粗晶(jing)－裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)超(chao)(chao)(chao)聲信(xin)(xin)號時(shi)(shi)間－幅度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)(dui)幅值較(jiao)(jiao)大，細晶(jing)－裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)超(chao)(chao)(chao)聲信(xin)(xin)號時(shi)(shi)間－幅度(du)譜(pu)(pu)相(xiang)對(dui)(dui)幅值較(jiao)(jiao)小。

上述差異(yi)表明超(chao)聲(sheng)波與(yu)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)不銹鋼(gang)裂紋(wen)或晶(jing)粒相互作用后，裂紋(wen)和晶(jing)粒對超(chao)聲(sheng)波某些頻(pin)率(lv)的(de)抑制和增(zeng)強作用不同，回(hui)波信號的(de)頻(pin)率(lv)成分(fen)(fen)會表現出差異(yi)，它體(ti)(ti)現在反射信號中(zhong)不同頻(pin)率(lv)的(de)相對幅值隨時間的(de)變(bian)化規律不同，這(zhe)代表著(zhu)里面含有(you)一定的(de)有(you)關奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)不銹鋼(gang)裂紋(wen)和晶(jing)粒的(de)信息(xi)，對粗晶(jing)奧(ao)(ao)氏(shi)(shi)體(ti)(ti)不銹鋼(gang)缺陷的(de)超(chao)聲(sheng)時域信號分(fen)(fen)辨提供了(le)分(fen)(fen)析手(shou)段。