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薄壁不銹鋼管超聲波探傷中的信號處理技術方法

來源:至德鋼業 日期:2021-08-18 14:11:10 人氣:955

 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:


式 9.jpg


 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。


圖 14.jpg


 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。


圖 15.jpg


 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。


圖 16.jpg   圖 17.jpg


 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。




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