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、短時傅里葉變換(huan)
短時(shi)傅(fu)里葉變換(huan)的實(shi)質是一(yi)種加(jia)窗后的移動傅(fu)里葉變換(huan)，假設(she)有一(yi)信號s(t),其短時(shi)傅(fu)里葉變換(huan)的定義如下：
根據式(shi)（4.9)~式(shi)（4.11),在(zai)某特定時(shi)刻b,用寬度為(wei)2τ的時(shi)間(jian)窗(chuang)截(jie)取信號s(t),對所得(de)信號做快速傅里葉變換，可(ke)獲得(de)信號s(t)在(zai)特定時(shi)刻b的幅度譜(pu)，將時(shi)間(jian)窗(chuang)后移，依次(ci)進行相同操作，最終得(de)到某一頻率的信號在(zai)整(zheng)個信號有效時(shi)間(jian)內的幅度譜(pu)，該方法稱為(wei)短時(shi)傅里葉變換。
1. 窗函數類型選擇(ze)
對短時(shi)傅(fu)里葉(xie)變換而言，窗(chuang)函(han)(han)數與窗(chuang)函(han)(han)數寬度的(de)選(xuan)擇是(shi)關(guan)鍵(jian)因素，不(bu)同的(de)窗(chuang)函(han)(han)數有各自的(de)頻(pin)(pin)率(lv)特(te)性，窗(chuang)寬度的(de)選(xuan)擇要(yao)同時(shi)考慮時(shi)間分(fen)辨率(lv)和頻(pin)(pin)率(lv)分(fen)辨率(lv)。
圖(tu)4.13為(wei)304奧氏體不銹鋼無縫(feng)管(guan)粗晶反射(she)信號，反射(she)信號長度為(wei)46個(ge)(ge)采(cai)樣點，按窗寬度50個(ge)(ge)采(cai)樣點選擇不同(tong)窗函數分別做STFT處理。不同(tong)窗函數的STFT處理結果如(ru)圖(tu)4.14所示(shi)。
分析不同窗(chuang)(chuang)(chuang)函數STFT圖，矩(ju)形窗(chuang)(chuang)(chuang)、三角形窗(chuang)(chuang)(chuang)以(yi)(yi)及海(hai)明窗(chuang)(chuang)(chuang)STFT處(chu)理(li)后(hou)的(de)信(xin)號(hao)(hao)粗糙，光順度(du)不夠，信(xin)號(hao)(hao)峰值較(jiao)(jiao)難獲取，不宜(yi)采用(yong)；漢(han)寧窗(chuang)(chuang)(chuang)以(yi)(yi)及布(bu)萊克曼窗(chuang)(chuang)(chuang)STFT處(chu)理(li)后(hou)的(de)信(xin)號(hao)(hao)比(bi)較(jiao)(jiao)順滑，信(xin)號(hao)(hao)峰值較(jiao)(jiao)易確定。對比(bi)漢(han)寧窗(chuang)(chuang)(chuang)、布(bu)萊克曼窗(chuang)(chuang)(chuang)，漢(han)寧窗(chuang)(chuang)(chuang)STFT處(chu)理(li)所得信(xin)號(hao)(hao)幅(fu)值較(jiao)(jiao)大，分辨精度(du)較(jiao)(jiao)高，故選(xuan)擇該窗(chuang)(chuang)(chuang)函數較(jiao)(jiao)為適宜(yi)。
2. 窗函數寬度(du)選擇(ze)
分(fen)(fen)(fen)(fen)析窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)是短時傅里(li)葉(xie)變換的(de)一個(ge)重要(yao)參數，窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)的(de)選擇決(jue)定能否正確分(fen)(fen)(fen)(fen)析出原始信號中(zhong)的(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)變化(hua)情況。分(fen)(fen)(fen)(fen)析窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)越(yue)窄(zhai)，局(ju)(ju)部頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)的(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)低，時間分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)高；相(xiang)反，分(fen)(fen)(fen)(fen)析窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)越(yue)寬(kuan)(kuan)，局(ju)(ju)部頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)的(de)頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)高，時間分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)就(jiu)越(yue)低。因此需要(yao)找到(dao)(dao)一個(ge)合適的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)析窗(chuang)寬(kuan)(kuan)度(du)(du)，使(shi)得局(ju)(ju)部頻(pin)(pin)(pin)譜(pu)在頻(pin)(pin)(pin)率(lv)(lv)分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)與時間分(fen)(fen)(fen)(fen)辨(bian)率(lv)(lv)達到(dao)(dao)最優效果(guo)。
采用漢(han)寧窗(chuang)，選(xuan)擇不(bu)同(tong)窗(chuang)寬度對上(shang)述奧氏體不(bu)銹鋼粗(cu)晶反射信號做STFT處理，得(de)到(dao)多個(ge)頻率的時間－幅值(zhi)譜，其結果如圖4.15所示。
分(fen)(fen)析圖4.15a,當(dang)窗寬度(du)(du)等于(yu)超(chao)聲反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)時(shi)，處理結果的(de)(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)(lv)(lv)不足，其中4MHz、5MHz單(dan)頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)較難(nan)分(fen)(fen)辨；圖4.15b窗寬度(du)(du)增加(jia)到反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)1.2倍(bei)，單(dan)頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)(lv)(lv)有(you)所增加(jia)；圖4.15c窗寬度(du)(du)為反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)1.5倍(bei)，單(dan)頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)時(shi)間分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)(lv)(lv)及(ji)頻(pin)率(lv)(lv)(lv)(lv)分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)(lv)(lv)均達到最優；圖4.15d窗寬度(du)(du)等于(yu)反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)2倍(bei)，單(dan)頻(pin)信(xin)(xin)號(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)時(shi)間分(fen)(fen)辨率(lv)(lv)(lv)(lv)明顯降低。因(yin)此STFT處理的(de)(de)(de)(de)窗函(han)數最佳(jia)寬度(du)(du)應(ying)在超(chao)聲反射(she)信(xin)(xin)號(hao)(hao)長(chang)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)1.5倍(bei)左右。
二(er)、粗晶奧氏體不銹鋼管裂紋(wen)缺陷(xian)檢測
以外徑(jing)21mm、厚度3.2mm的304奧氏體不銹鋼(gang)無縫(feng)鋼(gang)管為基管，細晶(jing)試(shi)樣不做熱處理(li)(li)，通過1280℃/4h的熱處理(li)(li)工藝獲得粗晶(jing)試(shi)樣，分別在細晶(jing)和粗晶(jing)樣管上通過電火花加工人工缺陷長5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢(jian)(jian)測超聲中(zhong)心頻率5MHz,超聲檢(jian)(jian)測信號如圖4.16所(suo)示。
對上述信號(hao)做快速傅里葉變換(huan)處理，得(de)到各自的時頻(pin)信號(hao)圖(tu)如圖(tu)4.17所示。
分析圖4.17,當頻率較(jiao)(jiao)低(di)時，通常低(di)于4MHz情況下(xia)奧氏體不(bu)銹鋼樣(yang)管細晶－裂(lie)(lie)紋超(chao)聲信號(hao)時間－幅(fu)度(du)譜相(xiang)對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)(zhi)較(jiao)(jiao)大(da)，粗晶無裂(lie)(lie)紋超(chao)聲信號(hao)時間－幅(fu)度(du)譜相(xiang)對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)(zhi)較(jiao)(jiao)小(xiao)；當頻率超(chao)過5MHz時，奧氏體不(bu)銹鋼樣(yang)管粗晶－裂(lie)(lie)紋超(chao)聲信號(hao)時間－幅(fu)度(du)譜相(xiang)對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)(zhi)較(jiao)(jiao)大(da)，細晶－裂(lie)(lie)紋超(chao)聲信號(hao)時間－幅(fu)度(du)譜相(xiang)對(dui)(dui)幅(fu)值(zhi)(zhi)較(jiao)(jiao)小(xiao)。
上述差(cha)異表(biao)(biao)明超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)與(yu)奧氏體(ti)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼裂紋或晶粒相(xiang)互作用后，裂紋和(he)晶粒對(dui)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)(bo)某些頻(pin)率的(de)抑制和(he)增強(qiang)作用不(bu)(bu)同，回(hui)波(bo)(bo)信(xin)號的(de)頻(pin)率成分(fen)會表(biao)(biao)現出差(cha)異，它體(ti)現在反射信(xin)號中(zhong)不(bu)(bu)同頻(pin)率的(de)相(xiang)對(dui)幅(fu)值隨時(shi)(shi)間的(de)變化規(gui)律不(bu)(bu)同，這代表(biao)(biao)著(zhu)里面含有一定的(de)有關(guan)奧氏體(ti)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼裂紋和(he)晶粒的(de)信(xin)息，對(dui)粗晶奧氏體(ti)不(bu)(bu)銹(xiu)鋼缺陷的(de)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)時(shi)(shi)域信(xin)號分(fen)辨提供了(le)分(fen)析手段(duan)。
