薄壁不銹鋼管超聲波探傷中的信號處理技術方法

 汽車發動機中薄壁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

短時傅里葉變換的實質是一種加窗后的移動傅里葉變換，假設有一信號s(t),其短時傅里葉變換的定義如下：

 根據式（4.9)~式（4.11),在某特定時刻b,用寬度為2τ的時間窗截取信號s(t),對所得信號做快速傅里葉變換，可獲得信號s(t)在特定時刻b的幅度譜，將時間窗后移，依次進行相同操作，最終得到某一頻率的信號在整個信號有效時間內的幅度譜，該方法稱為短時傅里葉變換。

 1. 窗函數類型選擇

 對短時傅里葉變換而言，窗函數與窗函數寬度的選擇是關鍵因素，不同的窗函數有各自的頻率特性，窗寬度的選擇要同時考慮時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，反射信號長度為46個采樣點，按窗寬度50個采樣點選擇不同窗函數分別做STFT處理。不同窗函數的STFT處理結果如圖4.14所示。

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

2. 窗函數寬度選擇

 分析窗寬度是短時傅里葉變換的一個重要參數，窗寬度的選擇決定能否正確分析出原始信號中的頻率變化情況。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，時間分辨率就越低。因此需要找到一個合適的分析窗寬度，使得局部頻譜在頻率分辨率與時間分辨率達到最優效果。

 采用漢寧窗，選擇不同窗寬度對上述奧氏體不銹鋼粗晶反射信號做STFT處理，得到多個頻率的時間－幅值譜，其結果如圖4.15所示。

 分析圖4.15a,當窗寬度等于超聲反射信號長度時，處理結果的頻率分辨率不足，其中4MHz、5MHz單頻信號較難分辨；圖4.15b窗寬度增加到反射信號長度的1.2倍，單頻信號的頻率分辨率有所增加；圖4.15c窗寬度為反射信號長度的1.5倍，單頻信號的時間分辨率及頻率分辨率均達到最優；圖4.15d窗寬度等于反射信號長度的2倍，單頻信號的時間分辨率明顯降低。因此STFT處理的窗函數最佳寬度應在超聲反射信號長度的1.5倍左右。

二、粗晶奧氏體不銹鋼管裂紋缺陷檢測

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

 對上述信號做快速傅里葉變換處理，得到各自的時頻信號圖如圖4.17所示。

 分析圖4.17,當頻率較低時，通常低于4MHz情況下奧氏體不銹鋼樣管細晶－裂紋超聲信號時間－幅度譜相對幅值較大，粗晶無裂紋超聲信號時間－幅度譜相對幅值較??；當頻率超過5MHz時，奧氏體不銹鋼樣管粗晶－裂紋超聲信號時間－幅度譜相對幅值較大，細晶－裂紋超聲信號時間－幅度譜相對幅值較小。

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，裂紋和晶粒對超聲波某些頻率的抑制和增強作用不同，回波信號的頻率成分會表現出差異，它體現在反射信號中不同頻率的相對幅值隨時間的變化規律不同，這代表著里面含有一定的有關奧氏體不銹鋼裂紋和晶粒的信息，對粗晶奧氏體不銹鋼缺陷的超聲時域信號分辨提供了分析手段。