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(fu)里葉變換

短時(shi)傅(fu)(fu)里葉變(bian)換的(de)實質是一(yi)種(zhong)加窗后(hou)的(de)移動傅(fu)(fu)里葉變(bian)換，假設(she)有一(yi)信號s(t),其短時(shi)傅(fu)(fu)里葉變(bian)換的(de)定義如下：

 根據式（4.9)~式（4.11),在(zai)(zai)某特(te)(te)定(ding)時(shi)(shi)刻b,用寬度為2τ的時(shi)(shi)間窗截取信(xin)(xin)(xin)號(hao)s(t),對所(suo)得(de)信(xin)(xin)(xin)號(hao)做快速傅里(li)(li)葉變換，可獲得(de)信(xin)(xin)(xin)號(hao)s(t)在(zai)(zai)特(te)(te)定(ding)時(shi)(shi)刻b的幅度譜(pu)，將時(shi)(shi)間窗后移，依(yi)次進行(xing)相同(tong)操作(zuo)，最(zui)終得(de)到(dao)某一頻率的信(xin)(xin)(xin)號(hao)在(zai)(zai)整個信(xin)(xin)(xin)號(hao)有效時(shi)(shi)間內的幅度譜(pu)，該方法稱為短時(shi)(shi)傅里(li)(li)葉變換。

 1. 窗函數(shu)類型選擇(ze)

 對(dui)短時(shi)(shi)傅里葉變換而言(yan)，窗函(han)(han)數(shu)與窗函(han)(han)數(shu)寬(kuan)度(du)的(de)選擇(ze)是關鍵因素，不(bu)同的(de)窗函(han)(han)數(shu)有各自(zi)的(de)頻率(lv)特性(xing)，窗寬(kuan)度(du)的(de)選擇(ze)要同時(shi)(shi)考(kao)慮(lv)時(shi)(shi)間分(fen)辨率(lv)和頻率(lv)分(fen)辨率(lv)。

  圖4.13為304奧氏體不(bu)銹鋼無(wu)縫(feng)管粗(cu)晶反射信號，反射信號長度為46個采(cai)樣(yang)點(dian)，按窗(chuang)寬度50個采(cai)樣(yang)點(dian)選擇不(bu)同(tong)窗(chuang)函數分(fen)別做STFT處理(li)。不(bu)同(tong)窗(chuang)函數的STFT處理(li)結果如圖4.14所示。

 分析(xi)不同窗函數(shu)STFT圖，矩形窗、三(san)角形窗以及(ji)海(hai)明窗STFT處理后的(de)信(xin)(xin)號粗糙，光順(shun)度不夠，信(xin)(xin)號峰值(zhi)(zhi)較(jiao)難獲取，不宜采(cai)用；漢(han)寧(ning)窗以及(ji)布(bu)萊克曼窗STFT處理后的(de)信(xin)(xin)號比(bi)較(jiao)順(shun)滑，信(xin)(xin)號峰值(zhi)(zhi)較(jiao)易確定。對(dui)比(bi)漢(han)寧(ning)窗、布(bu)萊克曼窗，漢(han)寧(ning)窗STFT處理所(suo)得信(xin)(xin)號幅值(zhi)(zhi)較(jiao)大(da)，分辨(bian)精(jing)度較(jiao)高，故選擇該窗函數(shu)較(jiao)為適宜。

2. 窗函(han)數(shu)寬度選擇

 分(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)是(shi)短時傅里葉變換的(de)(de)一個(ge)重要(yao)參數(shu)，窗(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)的(de)(de)選擇決定能(neng)否(fou)正確分(fen)(fen)析(xi)(xi)出原始信號中的(de)(de)頻率(lv)變化情況。分(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)越(yue)窄，局部頻譜的(de)(de)頻率(lv)分(fen)(fen)辨率(lv)就越(yue)低，時間分(fen)(fen)辨率(lv)就越(yue)高；相反，分(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)越(yue)寬(kuan)(kuan)，局部頻譜的(de)(de)頻率(lv)分(fen)(fen)辨率(lv)就越(yue)高，時間分(fen)(fen)辨率(lv)就越(yue)低。因(yin)此需(xu)要(yao)找到一個(ge)合適的(de)(de)分(fen)(fen)析(xi)(xi)窗(chuang)(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)，使(shi)得局部頻譜在頻率(lv)分(fen)(fen)辨率(lv)與時間分(fen)(fen)辨率(lv)達到最優效果。

 采用漢寧窗，選擇不同窗寬度對(dui)上述(shu)奧氏體(ti)不銹鋼粗晶反射信(xin)號做STFT處理，得到多個頻率(lv)的(de)時間－幅(fu)值譜(pu)，其結(jie)果如(ru)圖4.15所示。

 分(fen)(fen)析(xi)圖4.15a,當窗(chuang)寬度(du)(du)(du)(du)等(deng)于超(chao)聲(sheng)反(fan)射(she)(she)(she)信號(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)時(shi)，處理(li)結(jie)果的(de)(de)頻率分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率不足，其中4MHz、5MHz單(dan)(dan)頻信號(hao)(hao)(hao)較難(nan)分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)；圖4.15b窗(chuang)寬度(du)(du)(du)(du)增(zeng)加(jia)(jia)到反(fan)射(she)(she)(she)信號(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)1.2倍，單(dan)(dan)頻信號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)頻率分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率有(you)所(suo)增(zeng)加(jia)(jia)；圖4.15c窗(chuang)寬度(du)(du)(du)(du)為反(fan)射(she)(she)(she)信號(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)1.5倍，單(dan)(dan)頻信號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)時(shi)間分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率及頻率分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率均達到最優；圖4.15d窗(chuang)寬度(du)(du)(du)(du)等(deng)于反(fan)射(she)(she)(she)信號(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)2倍，單(dan)(dan)頻信號(hao)(hao)(hao)的(de)(de)時(shi)間分(fen)(fen)辨(bian)(bian)(bian)率明顯降低(di)。因此STFT處理(li)的(de)(de)窗(chuang)函數最佳寬度(du)(du)(du)(du)應在超(chao)聲(sheng)反(fan)射(she)(she)(she)信號(hao)(hao)(hao)長(chang)(chang)(chang)度(du)(du)(du)(du)的(de)(de)1.5倍左右。

二、粗晶奧(ao)氏體不銹鋼管裂紋缺陷檢測

 以外(wai)徑21mm、厚度3.2mm的304奧氏體不銹(xiu)鋼無縫鋼管(guan)為(wei)基管(guan)，細晶(jing)試樣不做熱處(chu)理，通過(guo)1280℃/4h的熱處(chu)理工(gong)藝獲得粗晶(jing)試樣，分別在細晶(jing)和(he)粗晶(jing)樣管(guan)上通過(guo)電(dian)火花加工(gong)人工(gong)缺陷長5mm、深(shen)0.2mm、寬0.2mm,檢測超聲中心頻率5MHz,超聲檢測信號(hao)如圖4.16所示。

 對(dui)上述信(xin)號做快速傅里(li)葉變(bian)換(huan)處理，得到(dao)各自的時頻信(xin)號圖如圖4.17所示。

 分析圖4.17,當(dang)頻(pin)率較(jiao)(jiao)低時(shi)，通常低于4MHz情況下奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼(gang)樣管(guan)細(xi)(xi)晶－裂紋超聲(sheng)信(xin)(xin)號(hao)時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)(fu)度譜(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)(fu)值較(jiao)(jiao)大，粗晶無裂紋超聲(sheng)信(xin)(xin)號(hao)時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)(fu)度譜(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)(fu)值較(jiao)(jiao)小(xiao)；當(dang)頻(pin)率超過(guo)5MHz時(shi)，奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼(gang)樣管(guan)粗晶－裂紋超聲(sheng)信(xin)(xin)號(hao)時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)(fu)度譜(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)(fu)值較(jiao)(jiao)大，細(xi)(xi)晶－裂紋超聲(sheng)信(xin)(xin)號(hao)時(shi)間(jian)－幅(fu)(fu)(fu)度譜(pu)相(xiang)對幅(fu)(fu)(fu)值較(jiao)(jiao)小(xiao)。

上述差異(yi)表明超聲波(bo)與奧(ao)氏體(ti)(ti)不(bu)(bu)銹鋼(gang)裂紋或晶(jing)粒(li)相(xiang)互作用(yong)后，裂紋和(he)晶(jing)粒(li)對(dui)(dui)超聲波(bo)某些(xie)頻率的(de)抑制和(he)增(zeng)強作用(yong)不(bu)(bu)同，回波(bo)信(xin)號(hao)的(de)頻率成分會表現出差異(yi)，它體(ti)(ti)現在(zai)反(fan)射信(xin)號(hao)中(zhong)不(bu)(bu)同頻率的(de)相(xiang)對(dui)(dui)幅值隨時(shi)間的(de)變化規律(lv)不(bu)(bu)同，這代(dai)表著里面(mian)含(han)有(you)一定(ding)的(de)有(you)關奧(ao)氏體(ti)(ti)不(bu)(bu)銹鋼(gang)裂紋和(he)晶(jing)粒(li)的(de)信(xin)息，對(dui)(dui)粗晶(jing)奧(ao)氏體(ti)(ti)不(bu)(bu)銹鋼(gang)缺陷的(de)超聲時(shi)域信(xin)號(hao)分辨提供了分析手(shou)段(duan)。