汽車發動機中不銹鋼管以奧氏體不銹鋼為主，奧氏(shi)體(ti)不(bu)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(duan)時傅里葉變換

短(duan)時傅(fu)里(li)葉變換(huan)的實質(zhi)是(shi)一種加窗后的移(yi)動(dong)傅(fu)里(li)葉變換(huan)，假(jia)設有一信號(hao)s(t),其短(duan)時傅(fu)里(li)葉變換(huan)的定義如下：

 根(gen)據式（4.9)~式（4.11),在(zai)(zai)某特(te)定時(shi)刻b,用寬度(du)為2τ的(de)時(shi)間(jian)窗截取信(xin)(xin)號s(t),對(dui)所得(de)信(xin)(xin)號做快速傅里葉(xie)變換(huan)，可獲得(de)信(xin)(xin)號s(t)在(zai)(zai)特(te)定時(shi)刻b的(de)幅度(du)譜，將時(shi)間(jian)窗后移(yi)，依次進行相同(tong)操作，最終得(de)到某一(yi)頻率(lv)的(de)信(xin)(xin)號在(zai)(zai)整個信(xin)(xin)號有效時(shi)間(jian)內的(de)幅度(du)譜，該方法稱為短時(shi)傅里葉(xie)變換(huan)。

 1. 窗函數類型選擇

 對短時傅里(li)葉變換(huan)而言，窗函(han)數(shu)與(yu)窗函(han)數(shu)寬度(du)的選擇(ze)是關(guan)鍵因素，不同(tong)的窗函(han)數(shu)有各自(zi)的頻率特性，窗寬度(du)的選擇(ze)要(yao)同(tong)時考(kao)慮時間(jian)分辨率和頻率分辨率。

  圖(tu)4.13為304奧(ao)氏體不銹鋼(gang)無縫管粗晶反射(she)信(xin)號(hao)，反射(she)信(xin)號(hao)長度為46個采樣(yang)(yang)點(dian)，按(an)窗寬度50個采樣(yang)(yang)點(dian)選擇不同窗函數(shu)(shu)分別(bie)做STFT處理(li)。不同窗函數(shu)(shu)的STFT處理(li)結果如(ru)圖(tu)4.14所(suo)示(shi)。

 分(fen)析不同窗(chuang)函數STFT圖，矩形窗(chuang)、三角形窗(chuang)以及海明窗(chuang)STFT處理后的(de)信(xin)號(hao)(hao)(hao)粗糙(cao)，光順(shun)度不夠，信(xin)號(hao)(hao)(hao)峰值較(jiao)(jiao)難獲取，不宜(yi)采(cai)用；漢(han)寧窗(chuang)以及布萊克曼(man)窗(chuang)STFT處理后的(de)信(xin)號(hao)(hao)(hao)比較(jiao)(jiao)順(shun)滑(hua)，信(xin)號(hao)(hao)(hao)峰值較(jiao)(jiao)易確定。對(dui)比漢(han)寧窗(chuang)、布萊克曼(man)窗(chuang)，漢(han)寧窗(chuang)STFT處理所得信(xin)號(hao)(hao)(hao)幅(fu)值較(jiao)(jiao)大，分(fen)辨(bian)精(jing)度較(jiao)(jiao)高，故(gu)選擇該窗(chuang)函數較(jiao)(jiao)為適宜(yi)。

2. 窗函(han)數寬度選擇(ze)

 分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度是短時(shi)(shi)傅里葉變換(huan)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)個(ge)重要參(can)數，窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度的(de)(de)(de)選擇決定能否正確分(fen)析(xi)(xi)出原始(shi)信號中(zhong)的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)變化情況(kuang)。分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度越(yue)(yue)窄(zhai)，局部頻(pin)譜的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就越(yue)(yue)低，時(shi)(shi)間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就越(yue)(yue)高；相(xiang)反，分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度越(yue)(yue)寬(kuan)，局部頻(pin)譜的(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就越(yue)(yue)高，時(shi)(shi)間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)就越(yue)(yue)低。因(yin)此需要找到(dao)一(yi)(yi)個(ge)合適的(de)(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)度，使得局部頻(pin)譜在頻(pin)率(lv)(lv)(lv)分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)與時(shi)(shi)間分(fen)辨(bian)率(lv)(lv)(lv)達到(dao)最(zui)優(you)效果。

 采用漢寧窗(chuang)，選擇不(bu)同窗(chuang)寬(kuan)度(du)對上(shang)述奧氏體(ti)不(bu)銹鋼(gang)粗晶(jing)反射信號做STFT處(chu)理，得到多個頻率的(de)時間－幅值譜(pu)，其結果如(ru)圖4.15所示。

 分(fen)析圖(tu)4.15a,當窗寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)等于(yu)超(chao)聲反射(she)(she)信號(hao)(hao)長(chang)(chang)度(du)(du)(du)時(shi)，處理結果的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)不足(zu)，其中4MHz、5MHz單(dan)(dan)(dan)頻(pin)(pin)(pin)信號(hao)(hao)較難(nan)分(fen)辨(bian)(bian)；圖(tu)4.15b窗寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)增加(jia)到反射(she)(she)信號(hao)(hao)長(chang)(chang)度(du)(du)(du)的(de)(de)1.2倍(bei)，單(dan)(dan)(dan)頻(pin)(pin)(pin)信號(hao)(hao)的(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)有所增加(jia)；圖(tu)4.15c窗寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)為反射(she)(she)信號(hao)(hao)長(chang)(chang)度(du)(du)(du)的(de)(de)1.5倍(bei)，單(dan)(dan)(dan)頻(pin)(pin)(pin)信號(hao)(hao)的(de)(de)時(shi)間分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)及頻(pin)(pin)(pin)率(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)均達到最優；圖(tu)4.15d窗寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)等于(yu)反射(she)(she)信號(hao)(hao)長(chang)(chang)度(du)(du)(du)的(de)(de)2倍(bei)，單(dan)(dan)(dan)頻(pin)(pin)(pin)信號(hao)(hao)的(de)(de)時(shi)間分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)明顯降低。因此STFT處理的(de)(de)窗函數(shu)最佳(jia)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)(du)應在超(chao)聲反射(she)(she)信號(hao)(hao)長(chang)(chang)度(du)(du)(du)的(de)(de)1.5倍(bei)左右。

二(er)、粗(cu)晶奧氏體不銹鋼管裂(lie)紋缺陷檢測

 以外徑21mm、厚度3.2mm的304奧氏體不銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管(guan)(guan)為基管(guan)(guan)，細晶(jing)試樣(yang)不做熱處理，通過(guo)1280℃/4h的熱處理工(gong)藝獲得(de)粗晶(jing)試樣(yang)，分別(bie)在細晶(jing)和(he)粗晶(jing)樣(yang)管(guan)(guan)上(shang)通過(guo)電火花加(jia)工(gong)人工(gong)缺陷長(chang)5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢(jian)測超(chao)聲中(zhong)心頻率5MHz,超(chao)聲檢(jian)測信號如(ru)圖(tu)4.16所示(shi)。

 對上(shang)述(shu)信號做快速(su)傅里葉變換(huan)處理，得到各自的時頻信號圖如圖4.17所示。

 分析圖4.17,當(dang)頻率較(jiao)(jiao)低(di)時(shi)，通(tong)常(chang)低(di)于(yu)4MHz情況下奧氏體(ti)(ti)不(bu)銹鋼(gang)樣(yang)管細晶(jing)(jing)－裂紋超(chao)聲信號時(shi)間－幅(fu)(fu)度譜(pu)相對幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)(jiao)大，粗晶(jing)(jing)無裂紋超(chao)聲信號時(shi)間－幅(fu)(fu)度譜(pu)相對幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)(jiao)小(xiao)；當(dang)頻率超(chao)過5MHz時(shi)，奧氏體(ti)(ti)不(bu)銹鋼(gang)樣(yang)管粗晶(jing)(jing)－裂紋超(chao)聲信號時(shi)間－幅(fu)(fu)度譜(pu)相對幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)(jiao)大，細晶(jing)(jing)－裂紋超(chao)聲信號時(shi)間－幅(fu)(fu)度譜(pu)相對幅(fu)(fu)值(zhi)較(jiao)(jiao)小(xiao)。

上述差異表(biao)明(ming)超聲波(bo)(bo)(bo)與奧氏(shi)體(ti)(ti)不(bu)銹鋼裂(lie)紋或晶(jing)(jing)粒(li)(li)相互(hu)作用(yong)后，裂(lie)紋和晶(jing)(jing)粒(li)(li)對超聲波(bo)(bo)(bo)某些(xie)頻(pin)率的(de)(de)(de)抑制和增強作用(yong)不(bu)同(tong)，回波(bo)(bo)(bo)信號的(de)(de)(de)頻(pin)率成分會表(biao)現(xian)出差異，它體(ti)(ti)現(xian)在反射(she)信號中不(bu)同(tong)頻(pin)率的(de)(de)(de)相對幅值(zhi)隨時間的(de)(de)(de)變化(hua)規律不(bu)同(tong)，這(zhe)代表(biao)著里面(mian)含有(you)一定的(de)(de)(de)有(you)關(guan)奧氏(shi)體(ti)(ti)不(bu)銹鋼裂(lie)紋和晶(jing)(jing)粒(li)(li)的(de)(de)(de)信息，對粗晶(jing)(jing)奧氏(shi)體(ti)(ti)不(bu)銹鋼缺(que)陷的(de)(de)(de)超聲時域信號分辨提供了分析手(shou)段。