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(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(shi)傅(fu)里葉變換(huan)
短時(shi)傅(fu)(fu)里(li)葉變換的(de)實質是一(yi)種加窗后的(de)移動(dong)傅(fu)(fu)里(li)葉變換，假設有一(yi)信號s(t),其短時(shi)傅(fu)(fu)里(li)葉變換的(de)定義如下：
根據(ju)式(shi)（4.9)~式(shi)（4.11),在(zai)(zai)某特定(ding)時(shi)(shi)(shi)刻(ke)b,用寬度為2τ的(de)時(shi)(shi)(shi)間(jian)窗(chuang)截取信(xin)(xin)號s(t),對(dui)所得信(xin)(xin)號做快(kuai)速(su)傅(fu)里葉變換，可獲(huo)得信(xin)(xin)號s(t)在(zai)(zai)特定(ding)時(shi)(shi)(shi)刻(ke)b的(de)幅(fu)度譜(pu)，將時(shi)(shi)(shi)間(jian)窗(chuang)后移，依次進(jin)行相同操(cao)作(zuo)，最終得到某一頻率的(de)信(xin)(xin)號在(zai)(zai)整個信(xin)(xin)號有效時(shi)(shi)(shi)間(jian)內(nei)的(de)幅(fu)度譜(pu)，該方法稱為短(duan)時(shi)(shi)(shi)傅(fu)里葉變換。
1. 窗函數類型選擇(ze)
對短(duan)時傅里葉變換而言，窗(chuang)函(han)(han)數與窗(chuang)函(han)(han)數寬度(du)的選擇是(shi)關鍵因素，不(bu)同的窗(chuang)函(han)(han)數有各(ge)自的頻(pin)(pin)率(lv)特性(xing)，窗(chuang)寬度(du)的選擇要同時考(kao)慮時間(jian)分辨率(lv)和頻(pin)(pin)率(lv)分辨率(lv)。
圖(tu)4.13為304奧氏(shi)體不銹鋼無縫管粗(cu)晶反(fan)射(she)信(xin)號，反(fan)射(she)信(xin)號長度為46個采(cai)樣(yang)點，按(an)窗(chuang)寬度50個采(cai)樣(yang)點選擇不同窗(chuang)函數分(fen)別做STFT處(chu)理。不同窗(chuang)函數的STFT處(chu)理結果如圖(tu)4.14所示。
分析不(bu)同窗函數STFT圖，矩形窗、三角(jiao)形窗以及海明窗STFT處理后的(de)信(xin)號(hao)粗糙，光順度(du)不(bu)夠(gou)，信(xin)號(hao)峰值較難獲取，不(bu)宜(yi)采用；漢(han)(han)寧窗以及布萊(lai)克曼窗STFT處理后的(de)信(xin)號(hao)比較順滑(hua)，信(xin)號(hao)峰值較易確定。對比漢(han)(han)寧窗、布萊(lai)克曼窗，漢(han)(han)寧窗STFT處理所(suo)得信(xin)號(hao)幅值較大(da)，分辨(bian)精度(du)較高，故選擇該(gai)窗函數較為適宜(yi)。
2. 窗函(han)數(shu)寬度選擇
分(fen)析(xi)窗(chuang)(chuang)(chuang)寬度(du)是短時(shi)傅里葉變(bian)換(huan)的(de)一(yi)個(ge)重要參(can)數，窗(chuang)(chuang)(chuang)寬度(du)的(de)選(xuan)擇決定能否正確分(fen)析(xi)出原(yuan)始(shi)信(xin)號中(zhong)的(de)頻(pin)率(lv)(lv)變(bian)化(hua)情況。分(fen)析(xi)窗(chuang)(chuang)(chuang)寬度(du)越(yue)(yue)窄，局(ju)部(bu)頻(pin)譜(pu)的(de)頻(pin)率(lv)(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)(yue)低，時(shi)間(jian)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)(yue)高；相反，分(fen)析(xi)窗(chuang)(chuang)(chuang)寬度(du)越(yue)(yue)寬，局(ju)部(bu)頻(pin)譜(pu)的(de)頻(pin)率(lv)(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)(yue)高，時(shi)間(jian)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)(yue)低。因(yin)此需要找到(dao)一(yi)個(ge)合適(shi)的(de)分(fen)析(xi)窗(chuang)(chuang)(chuang)寬度(du)，使得局(ju)部(bu)頻(pin)譜(pu)在頻(pin)率(lv)(lv)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)與(yu)時(shi)間(jian)分(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)達(da)到(dao)最優效果(guo)。
采用漢寧(ning)窗，選擇不(bu)同窗寬度對(dui)上述奧氏體不(bu)銹鋼粗晶反射信號做STFT處(chu)理，得到多個頻率(lv)的時間－幅值譜，其結(jie)果如圖4.15所示。
分(fen)(fen)(fen)(fen)析圖4.15a,當窗寬度(du)(du)(du)等于超聲(sheng)反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)(du)時，處理結(jie)果的(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)不足，其中4MHz、5MHz單頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)較難分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)；圖4.15b窗寬度(du)(du)(du)增(zeng)加(jia)到反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)(du)的(de)1.2倍，單頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)有所增(zeng)加(jia)；圖4.15c窗寬度(du)(du)(du)為反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)(du)的(de)1.5倍，單頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)時間分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)及頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)均達到最優(you)；圖4.15d窗寬度(du)(du)(du)等于反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)(du)的(de)2倍，單頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)時間分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)(bian)率(lv)(lv)(lv)(lv)明顯降低。因此STFT處理的(de)窗函數最佳寬度(du)(du)(du)應在超聲(sheng)反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)(du)的(de)1.5倍左右。
二、粗晶(jing)奧氏體不(bu)銹鋼管裂紋缺陷檢測(ce)
以(yi)外徑21mm、厚(hou)度(du)3.2mm的304奧氏體(ti)不銹鋼無(wu)縫鋼管為基管，細晶(jing)試(shi)樣不做熱(re)處理(li)，通過1280℃/4h的熱(re)處理(li)工藝獲得粗晶(jing)試(shi)樣，分別(bie)在細晶(jing)和粗晶(jing)樣管上(shang)通過電火花加工人工缺(que)陷(xian)長5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢(jian)測(ce)超(chao)聲中心頻率5MHz,超(chao)聲檢(jian)測(ce)信號如(ru)圖4.16所示。
對(dui)上述信號做(zuo)快速傅里葉變換(huan)處理，得到(dao)各自的時頻(pin)信號圖如圖4.17所示(shi)。
分析圖4.17,當頻率較(jiao)(jiao)低(di)時(shi)(shi)，通常低(di)于4MHz情(qing)況下(xia)奧氏(shi)體不(bu)銹鋼樣管(guan)細晶－裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信號時(shi)(shi)間(jian)－幅度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅值較(jiao)(jiao)大(da)，粗(cu)晶無裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信號時(shi)(shi)間(jian)－幅度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅值較(jiao)(jiao)小；當頻率超(chao)(chao)過5MHz時(shi)(shi)，奧氏(shi)體不(bu)銹鋼樣管(guan)粗(cu)晶－裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信號時(shi)(shi)間(jian)－幅度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅值較(jiao)(jiao)大(da)，細晶－裂(lie)紋(wen)超(chao)(chao)聲(sheng)信號時(shi)(shi)間(jian)－幅度(du)譜(pu)相(xiang)對(dui)幅值較(jiao)(jiao)小。
上述差(cha)異表明(ming)超(chao)聲波(bo)與奧(ao)氏體(ti)(ti)不(bu)銹鋼裂紋(wen)或(huo)晶粒相(xiang)互作(zuo)用后，裂紋(wen)和晶粒對(dui)(dui)超(chao)聲波(bo)某些頻率(lv)的(de)抑(yi)制和增(zeng)強(qiang)作(zuo)用不(bu)同(tong)，回波(bo)信(xin)號的(de)頻率(lv)成(cheng)分(fen)會表現(xian)出差(cha)異，它(ta)體(ti)(ti)現(xian)在反射(she)信(xin)號中(zhong)不(bu)同(tong)頻率(lv)的(de)相(xiang)對(dui)(dui)幅(fu)值隨時(shi)間的(de)變化規(gui)律不(bu)同(tong)，這代(dai)表著里面含有(you)一定(ding)的(de)有(you)關(guan)奧(ao)氏體(ti)(ti)不(bu)銹鋼裂紋(wen)和晶粒的(de)信(xin)息，對(dui)(dui)粗晶奧(ao)氏體(ti)(ti)不(bu)銹鋼缺陷(xian)的(de)超(chao)聲時(shi)域信(xin)號分(fen)辨(bian)提供了分(fen)析手段。
