汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(yè)內(nèi)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。因?yàn)閵W氏體組織本身晶粒度較大，會(huì)產(chǎn)生大量的干擾信號(hào)，給時(shí)域內(nèi)超聲缺陷信號(hào)判斷帶來極大困難。本書將以短時(shí)傅里葉變換信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)要介紹奧氏體不銹鋼無縫鋼管裂紋缺陷的信號(hào)處理方法。

一、短時(shí)傅里葉變換

短時(shí)傅里葉變換的實(shí)質(zhì)是一種加窗后的移動(dòng)傅里葉變換，假設(shè)有一信號(hào)s(t),其短時(shí)傅里葉變換的定義如下：

 根據(jù)式（4.9)~式（4.11),在某特定時(shí)刻b,用寬度為2τ的時(shí)間窗截取信號(hào)s(t),對(duì)所得信號(hào)做快速傅里葉變換，可獲得信號(hào)s(t)在特定時(shí)刻b的幅度譜，將時(shí)間窗后移，依次進(jìn)行相同操作，最終得到某一頻率的信號(hào)在整個(gè)信號(hào)有效時(shí)間內(nèi)的幅度譜，該方法稱為短時(shí)傅里葉變換。

 1. 窗函數(shù)類型選擇

 對(duì)短時(shí)傅里葉變換而言，窗函數(shù)與窗函數(shù)寬度的選擇是關(guān)鍵因素，不同的窗函數(shù)有各自的頻率特性，窗寬度的選擇要同時(shí)考慮時(shí)間分辨率和頻率分辨率。

  圖4.13為304奧氏體不銹鋼無縫管粗晶反射信號(hào)，反射信號(hào)長(zhǎng)度為46個(gè)采樣點(diǎn)，按窗寬度50個(gè)采樣點(diǎn)選擇不同窗函數(shù)分別做STFT處理。不同窗函數(shù)的STFT處理結(jié)果如圖4.14所示。

 分析不同窗函數(shù)STFT圖，矩形窗、三角形窗以及海明窗STFT處理后的信號(hào)粗糙，光順度不夠，信號(hào)峰值較難獲取，不宜采用；漢寧窗以及布萊克曼窗STFT處理后的信號(hào)比較順滑，信號(hào)峰值較易確定。對(duì)比漢寧窗、布萊克曼窗，漢寧窗STFT處理所得信號(hào)幅值較大，分辨精度較高，故選擇該窗函數(shù)較為適宜。

2. 窗函數(shù)寬度選擇

 分析窗寬度是短時(shí)傅里葉變換的一個(gè)重要參數(shù)，窗寬度的選擇決定能否正確分析出原始信號(hào)中的頻率變化情況。分析窗寬度越窄，局部頻譜的頻率分辨率就越低，時(shí)間分辨率就越高；相反，分析窗寬度越寬，局部頻譜的頻率分辨率就越高，時(shí)間分辨率就越低。因此需要找到一個(gè)合適的分析窗寬度，使得局部頻譜在頻率分辨率與時(shí)間分辨率達(dá)到最優(yōu)效果。

 采用漢寧窗，選擇不同窗寬度對(duì)上述奧氏體不銹鋼粗晶反射信號(hào)做STFT處理，得到多個(gè)頻率的時(shí)間－幅值譜，其結(jié)果如圖4.15所示。

 分析圖4.15a,當(dāng)窗寬度等于超聲反射信號(hào)長(zhǎng)度時(shí)，處理結(jié)果的頻率分辨率不足，其中4MHz、5MHz單頻信號(hào)較難分辨；圖4.15b窗寬度增加到反射信號(hào)長(zhǎng)度的1.2倍，單頻信號(hào)的頻率分辨率有所增加；圖4.15c窗寬度為反射信號(hào)長(zhǎng)度的1.5倍，單頻信號(hào)的時(shí)間分辨率及頻率分辨率均達(dá)到最優(yōu)；圖4.15d窗寬度等于反射信號(hào)長(zhǎng)度的2倍，單頻信號(hào)的時(shí)間分辨率明顯降低。因此STFT處理的窗函數(shù)最佳寬度應(yīng)在超聲反射信號(hào)長(zhǎng)度的1.5倍左右。

二、粗晶奧氏體不銹鋼管裂紋缺陷檢測(cè)

 以外徑21mm、厚度3.2mm的304奧氏體不銹鋼無縫鋼管為基管，細(xì)晶試樣不做熱處理，通過1280℃/4h的熱處理工藝獲得粗晶試樣，分別在細(xì)晶和粗晶樣管上通過電火花加工人工缺陷長(zhǎng)5mm、深0.2mm、寬0.2mm,檢測(cè)超聲中心頻率5MHz,超聲檢測(cè)信號(hào)如圖4.16所示。

 對(duì)上述信號(hào)做快速傅里葉變換處理，得到各自的時(shí)頻信號(hào)圖如圖4.17所示。

 分析圖4.17,當(dāng)頻率較低時(shí)，通常低于4MHz情況下奧氏體不銹鋼樣管細(xì)晶－裂紋超聲信號(hào)時(shí)間－幅度譜相對(duì)幅值較大，粗晶無裂紋超聲信號(hào)時(shí)間－幅度譜相對(duì)幅值較小；當(dāng)頻率超過5MHz時(shí)，奧氏體不銹鋼樣管粗晶－裂紋超聲信號(hào)時(shí)間－幅度譜相對(duì)幅值較大，細(xì)晶－裂紋超聲信號(hào)時(shí)間－幅度譜相對(duì)幅值較小。

上述差異表明超聲波與奧氏體不銹鋼裂紋或晶粒相互作用后，裂紋和晶粒對(duì)超聲波某些頻率的抑制和增強(qiáng)作用不同，回波信號(hào)的頻率成分會(huì)表現(xiàn)出差異，它體現(xiàn)在反射信號(hào)中不同頻率的相對(duì)幅值隨時(shí)間的變化規(guī)律不同，這代表著里面含有一定的有關(guān)奧氏體不銹鋼裂紋和晶粒的信息，對(duì)粗晶奧氏體不銹鋼缺陷的超聲時(shí)域信號(hào)分辨提供了分析手段。