聲發(fā)射儀技術(shù)指標(biāo)淺談

????? 摘要：本文介紹了聲發(fā)射儀的種類(lèi)、技術(shù)指標(biāo)的含義及對(duì)性能的影響，提出了比較選擇聲發(fā)射儀的一般思路和技術(shù)考慮，對(duì)于正確分析聲發(fā)射儀的性能有一定的借鑒意義。
????? 關(guān)鍵詞：聲發(fā)射 ADC 波形分析 參數(shù)分析
????? 1 引言
　　聲發(fā)射檢測(cè)作為一種逐漸成熟的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到越來(lái)越多的應(yīng)用，而進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和研究就需要聲發(fā)射儀。聲發(fā)射儀具有較高的技術(shù)含量，非專(zhuān)業(yè)儀器公司自己開(kāi)發(fā)存在諸多困難，一般做聲發(fā)射檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和研究工作都選擇直接采購(gòu)商品化的聲發(fā)射儀器。
　　在市場(chǎng)上的聲發(fā)射儀器有多種，每個(gè)廠家都給出了很多技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)。由于這些參數(shù)比較專(zhuān)業(yè)，給參與決策選擇的技術(shù)人員造成了一定的困難，常常有無(wú)從下手之感。筆者多年從事聲發(fā)射檢測(cè)和儀器開(kāi)發(fā)研究，將自己對(duì)各個(gè)指標(biāo)、參數(shù)（不考慮價(jià)格因素）的理解整理成文，希望拋磚引玉，不當(dāng)之處請(qǐng)不吝賜教。
????? 2 聲發(fā)射儀的種類(lèi)
????? 2．1聲發(fā)射儀的分類(lèi)方法有多種，按照采集信號(hào)通道數(shù)的多少可以分為單通道和多通道。
　　單通道聲發(fā)射儀只有1個(gè)通道，主要用于對(duì)單點(diǎn)或者小區(qū)域的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等，一般無(wú)法完成對(duì)信號(hào)源位置的定位。2通道或更多通道的聲發(fā)射儀稱(chēng)為多通道聲發(fā)射儀。前者可以完成對(duì)較大區(qū)域的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)，可完成在線(xiàn)狀區(qū)域內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)源的定位；3通道聲發(fā)射儀器除可完成上述功能外，還可以完成三角區(qū)域和線(xiàn)狀區(qū)域內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)源的定位；超過(guò)3個(gè)則可以完成更大區(qū)域內(nèi)信號(hào)源的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及對(duì)上述區(qū)域內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)源的多種算法的定位。儀器制造廠一般都配有依據(jù)上述定位算法的分析、顯示軟件，對(duì)球形、柱形等特定外形的設(shè)備，有的制造廠開(kāi)發(fā)了更為直觀的定位分析軟件。
　　選擇購(gòu)買(mǎi)單通道還是多通道，或具體多少個(gè)通道，需要根據(jù)特定的需求進(jìn)行選擇。考慮的因素有：待測(cè)設(shè)備的材質(zhì)（影響頻率、聲速和衰減）、待測(cè)設(shè)備的最大幾何尺寸、幾何形狀、需要的定位類(lèi)型等。幾何尺寸大、材質(zhì)衰減大、形狀特殊的檢測(cè)應(yīng)用需要的通道數(shù)就多，反之就少。一般在鋼材中，聲發(fā)射信號(hào)可以接收的傳播距離在5m內(nèi)為宜，超過(guò)此長(zhǎng)度應(yīng)考慮增加通道數(shù)。而狹長(zhǎng)的設(shè)備，例如長(zhǎng)管拖車(chē)則需要考慮定位類(lèi)型，一般采用線(xiàn)定位時(shí)就可以減少所需要的通道數(shù)。
　　另外，在采購(gòu)時(shí)可考慮比需要的通道數(shù)多1～2個(gè)通道，作為備用通道用。
????? 2．2按照聲發(fā)射信號(hào)所采用的技術(shù)，可分為以模擬電路為主的模擬式聲發(fā)射儀和以數(shù)字電路為主的數(shù)字電路式聲發(fā)射儀。
　　模擬式聲發(fā)射儀投用歷史較長(zhǎng)，技術(shù)相對(duì)成熟、儀器相對(duì)穩(wěn)定和可靠、操作軟件簡(jiǎn)單、便于學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)。但這類(lèi)儀器存在著溫度漂移大、易受干擾、功耗大、重量大、體積大等缺點(diǎn)。數(shù)字儀器一般采用CPLD、FPGA、DSP等技術(shù)，由于模擬電路較少所以其整體體積較小、重量輕、功耗低、溫漂影響小。但是，由于在數(shù)字聲發(fā)射儀的處理軟件上疊加了許多功能，功能強(qiáng)大；但學(xué)習(xí)相對(duì)困難，對(duì)于工程檢測(cè)反而麻煩了不少。另外，這類(lèi)設(shè)備投用歷史相對(duì)較短，對(duì)其可靠性、穩(wěn)定性等要多加注意，由于采用了許多新技術(shù)，處理不好反而易出問(wèn)題。
　　需要說(shuō)明的是，沒(méi)有真正意義上的全數(shù)字聲發(fā)射儀。因?yàn)樽匀唤绲男盘?hào)都是連續(xù)的（宏觀而言），所以，即使最為理想的情況是將傳感器來(lái)的信號(hào)直接予以模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC），也需要要模擬電路（ADC本身就應(yīng)歸為模擬電路）；而一般在傳感器之后還要加前置放大器、信號(hào)調(diào)理電路等，所以根本不可能是全數(shù)字化儀器。而一般意義上的全數(shù)字聲發(fā)射儀指其除了ADC和信號(hào)調(diào)理電路外，不再有其它影響參數(shù)和波形的模擬電路而已！
????? 2．3 按照信號(hào)的處理方式，可以將聲發(fā)射儀分為參數(shù)式聲發(fā)射儀、直接波形式聲發(fā)射儀和參數(shù)-波形式聲發(fā)射儀。
????? 2．3．1 參數(shù)式聲發(fā)射儀是目前使用范圍最廣、應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)的聲發(fā)射儀，其分析方法也被大多數(shù)業(yè)內(nèi)人士認(rèn)可，分析方法比較成熟，操作簡(jiǎn)單，大多數(shù)多通道聲發(fā)射儀都是這類(lèi)儀器。參數(shù)聲發(fā)射儀是指在信號(hào)處理通道的電路中，借助模擬或者數(shù)字電路將聲發(fā)射信號(hào)直接處理成一定意義的參數(shù)數(shù)據(jù)，然后再送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、分析、處理和保存的儀器。這種儀器一般需要設(shè)置門(mén)檻（閾值）、HDT（撞擊定義時(shí)間），有的需要設(shè)置增益、PDT、HLT等。由于參數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少，所以對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)流量小、對(duì)計(jì)算機(jī)的顯示、分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等能力的要求低，一般計(jì)算機(jī)均可滿(mǎn)足要求，無(wú)論P(yáng)CI總線(xiàn)、ISA總線(xiàn)等均可，同時(shí)，參數(shù)式儀器丟失信號(hào)的幾率相對(duì)低。由于電路直接生成參數(shù)數(shù)據(jù)，無(wú)法傳遞波形，所以喪失了更多的有效信息。但就一般檢測(cè)工程而言，參數(shù)采集可以滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用，而如果進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)分析和應(yīng)用研究則參數(shù)式儀器有一定的局限性。
????? 2．3．2 直接波形式聲發(fā)射儀器是指將聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將此波形數(shù)據(jù)直接傳遞到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)再進(jìn)行參數(shù)提取、顯示、分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作。在滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的前提下無(wú)疑這是最為理想的儀器，因?yàn)檫@樣一般的采集卡即可滿(mǎn)足需要，價(jià)格將非常低廉。但是，在目前電子設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)下，少數(shù)通道的直接波形采集和分析是可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的；但是當(dāng)通道數(shù)多、ADC的轉(zhuǎn)換頻率高、分析功能復(fù)雜時(shí)，實(shí)時(shí)性難以得到保證，勢(shì)必存在丟失部分信號(hào)的可能，所以在選擇時(shí)需要引起重視。為了達(dá)到高的數(shù)據(jù)傳輸速度、快的分析和計(jì)算時(shí)間，一般直接波形式聲發(fā)射儀需要很高的計(jì)算機(jī)配置。
　　以目前大多數(shù)計(jì)算機(jī)支持的32位、33MPS的PCI總線(xiàn)為例，其數(shù)據(jù)傳遞的最大理論速度為132MB/S（字節(jié)/秒），實(shí)際受計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)采用非實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)、采集軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)水平、系統(tǒng)其它軟件引入的延時(shí)等的影響，一般達(dá)到100MB/S已經(jīng)是實(shí)際可看到幾乎最高的采集速度了。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)除了進(jìn)行數(shù)據(jù)采集外還進(jìn)行參數(shù)數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、參數(shù)顯示、波形顯示等操作，再考慮系統(tǒng)多個(gè)采集卡之間切換的相互影響，整個(gè)系統(tǒng)的總體速度一般在60MB/S已經(jīng)相當(dāng)不錯(cuò)了。我們假定每個(gè)信號(hào)通道的采集速度為5MS/S（也記為MSPS--Mega-Sapmles Per Seconds，百萬(wàn)次采樣每秒），考慮ADC的位數(shù)為12位以上，則每個(gè)通道的數(shù)據(jù)流速度為10MB/S（假定不做實(shí)時(shí)壓縮處理）。顯然，整個(gè)系統(tǒng)只能保證5MS/S的采集速度下6個(gè)信號(hào)通道的實(shí)時(shí)采集。上述估計(jì)已經(jīng)假定在單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射撞擊的數(shù)量不多，不至于使得計(jì)算機(jī)寫(xiě)硬盤(pán)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響采集的速度。因此，對(duì)于通道數(shù)多、實(shí)時(shí)性要求很高、不需要波形數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，似不宜選擇直接波形式的聲發(fā)射儀。
????? 2．3．3 參數(shù)-波形式聲發(fā)射儀綜合了參數(shù)式和直接波形式聲發(fā)射儀各自的特點(diǎn)，在保證參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，在系統(tǒng)允許的情況下傳遞一定數(shù)量的波形。這種儀器首先在每個(gè)信號(hào)通道的處理電路中，一般通過(guò)設(shè)置門(mén)檻，直接生成部分或者全部參數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)，保留部分或者全部波形數(shù)據(jù)，一般是過(guò)門(mén)檻后一定長(zhǎng)度的波形數(shù)據(jù)。由于其照顧了參數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求且波形只取一定長(zhǎng)度，所以，筆者這是在實(shí)時(shí)性和全波形之間的較好的折衷，一般認(rèn)為，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，此類(lèi)儀器可滿(mǎn)足大多數(shù)的應(yīng)用需求。其缺點(diǎn)是由于兼顧波形和參數(shù)數(shù)據(jù)，電路稍微復(fù)雜些，成本也會(huì)增加一些；由于照顧了參數(shù)數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)在單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射撞擊數(shù)多時(shí)，仍然存在丟失部分的波形數(shù)據(jù)的問(wèn)題；由于保存部分過(guò)門(mén)檻波形，可能會(huì)喪失部分有意義的細(xì)節(jié)。這類(lèi)聲發(fā)射儀對(duì)計(jì)算機(jī)的要求比較靈活，如果對(duì)波形數(shù)據(jù)的要求不十分苛刻則可以降低對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的配置要求。
????? 3 聲發(fā)射儀的主要部件
　　聲發(fā)射儀一般包括以下部件，但由于結(jié)構(gòu)的差異，可能會(huì)有不同的表現(xiàn)形式。
????? 3．1 傳感器類(lèi)型
　　聲發(fā)射傳感器一般是壓電陶瓷材料制造成的，選擇時(shí)主要考慮其諧振頻率、靈敏度、溫度范圍、結(jié)構(gòu)形式、信號(hào)接口等因素。傳感器的諧振頻率應(yīng)滿(mǎn)足待測(cè)設(shè)備、材質(zhì)、耦合介質(zhì)等的需求。
????? 3．2 前置放大器
　　主要考慮增益、頻率、供電方式和信號(hào)接口遞范圍。增益的選擇要考慮傳感器和后續(xù)信號(hào)處理通道的匹配問(wèn)題，而接口方式則需要考慮傳感器的接口、供電和信號(hào)輸出接口等因素。前置放大器頻率范圍應(yīng)覆蓋所趕興趣信號(hào)的頻率范圍。供電一般選擇與信號(hào)復(fù)用的方式。
????? 3．3 信號(hào)處理板
　　一般由1個(gè)或者多個(gè)信號(hào)處理板構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)，信號(hào)處理板主要完成對(duì)來(lái)自前置放大器的聲發(fā)射信號(hào)的處理，得到滿(mǎn)足要求的參數(shù)數(shù)據(jù)和/或波形數(shù)據(jù)。一個(gè)信號(hào)處理板可以包含一個(gè)或者多個(gè)信號(hào)處理通道。
????? 3．4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
　　其功能是將各個(gè)信號(hào)處理卡得到的波形和/或數(shù)據(jù)讀到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行保存、處理和顯示等操作。不同類(lèi)型的聲發(fā)射儀對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求不一樣，如前所述，參數(shù)式聲發(fā)射儀對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求較低，參數(shù)-波形式次之，直接波形式對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求最高。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該有適當(dāng)?shù)纳?jí)和擴(kuò)充能力。
????? 3．5 采集分析軟件
　　采集、分析軟件可以分成獨(dú)立的幾個(gè)軟件，也可以是多個(gè)軟件功能集合到一起，但都應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、分析、保存等的功能。如前所述，采集分析軟件至少應(yīng)可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)定位、實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)分析和結(jié)果顯示，并可實(shí)時(shí)將結(jié)果予以保存。如果有波形的系統(tǒng)應(yīng)可實(shí)時(shí)觀察部分或者全部的波形。
????? 軟件最好有全中文界面，便于學(xué)習(xí)和操作。
????? 4 聲發(fā)射儀的重要技術(shù)指標(biāo)
????? 4．1信噪比（SNR）
　　一般是指信號(hào)系統(tǒng)允許無(wú)失真接收的最大信號(hào)和系統(tǒng)背景噪聲的比值，常用此比值的常用對(duì)數(shù)乘以20得到分貝值來(lái)表示信噪比。作為儀器，信噪比越大越好；但是，一般信噪比大的儀器制造成本高，有時(shí)信號(hào)比的增加會(huì)急劇增加造價(jià)，勢(shì)必售價(jià)被提高。SNR和系統(tǒng)的最小門(mén)檻相關(guān)，一般可以選擇無(wú)機(jī)械信號(hào)時(shí)系統(tǒng)允許的最小門(mén)檻來(lái)估算SNR的水平。
????? 4．2 頻率范圍
　　頻率范圍是指前置放大器和信號(hào)處理板的模擬信號(hào)帶寬，它取決于濾波器和信號(hào)通道的整體特征，而非某個(gè)部件的頻率范圍。一般通過(guò)濾波器的組合可以覆蓋10KHz～2MHz的范圍就可滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用。對(duì)于特定的應(yīng)用，應(yīng)該選擇最為接近其頻率范圍的濾波器組合以實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的抑制，并不是帶寬越寬越好。一般而言，濾波器帶寬越寬其信噪比越低。
????? 4．3 聲發(fā)射參數(shù)
　　無(wú)論是何種技術(shù)和何種處理方法制造的儀器，一般應(yīng)該包括：上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、峰值幅度、計(jì)數(shù)值、能量等參數(shù)，最好還可以包括到峰計(jì)數(shù)、均方根電壓、信號(hào)平均電平參數(shù)。
????? 4．4 軟件功能
　　應(yīng)可以實(shí)時(shí)采集各個(gè)通道的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)定位分析、濾波處理，以特定的方式顯示數(shù)據(jù)處理的結(jié)果、保存處理結(jié)果。應(yīng)可離線(xiàn)處理所保存的數(shù)據(jù)，輸出分析結(jié)果。一般國(guó)產(chǎn)儀器采用中文界面的緣故比較容易學(xué)習(xí)，進(jìn)口儀器大多都是英文界面，但功能較為強(qiáng)大，在選擇時(shí)是一個(gè)值得考慮的因素。軟件至少應(yīng)該提供線(xiàn)定位、三角形定位（如需要）算法，最好提供球形定位、矩形定位算法，定位精度在50mm以下為宜。
????? 4．5 每秒撞擊數(shù)（HITs/S）
　　這個(gè)指標(biāo)是衡量一臺(tái)聲發(fā)射儀實(shí)時(shí)性最為重要的指標(biāo)，如果對(duì)儀器的實(shí)時(shí)性非常關(guān)心，請(qǐng)仔細(xì)考慮這個(gè)指標(biāo)。這個(gè)指標(biāo)進(jìn)一步分解為單個(gè)通道每秒撞擊數(shù)和整臺(tái)儀器的每秒撞擊數(shù)。單個(gè)通道的每秒撞擊數(shù)實(shí)際上衡量了單個(gè)通道接收聲發(fā)射信號(hào)和由此產(chǎn)生的參數(shù)或者波形數(shù)據(jù)的能力；而整臺(tái)儀器的每秒撞擊數(shù)則用來(lái)衡量?jī)x器整體的信號(hào)接收和處理能力，它是指各個(gè)聲發(fā)射信號(hào)處理通道處理聲發(fā)射撞擊的總和。一般前者指標(biāo)可以做的很高，但是后者則需要倚賴(lài)許多因素，例如：ADC采樣頻率、通道數(shù)、軟件的影響等。采購(gòu)時(shí)這兩個(gè)指標(biāo)都非常重要，要統(tǒng)籌考慮。無(wú)論何種儀器，此指標(biāo)都適用。
????? 4．6 ADC的采樣頻率
　　在數(shù)字聲發(fā)射儀中，此參數(shù)決定了對(duì)信號(hào)的分析能力，它直接影響定位精度、到達(dá)時(shí)間、上升時(shí)間、峰值幅度等參數(shù)的數(shù)值。筆者認(rèn)為，ADC的采樣頻率濾波器最高頻率的10～20倍左右為宜，倍數(shù)太高會(huì)增加數(shù)據(jù)的流量、影響實(shí)時(shí)性，而倍數(shù)太低會(huì)丟失有效的細(xì)節(jié)。例如，如果聲發(fā)射信號(hào)的諧振頻率為300KHz，濾波器的范圍為100～500KHz，則ADC需要達(dá)到的采樣頻率在5MHz～10MHz為宜。
????? 4．7 ADC的分辨率
　　ADC的分辨率決定了儀器對(duì)小信號(hào)的分辨能力，一般用12～16位分辨率的ADC，個(gè)別可選擇18位。ADC的分辨率和SNR相比，SNR更能表征儀器的設(shè)計(jì)和制造水平，因?yàn)锳DC分辨率高的ADC的不一定可以實(shí)現(xiàn)SNR高。
????? 4．8 增益
　　模擬和數(shù)字聲發(fā)射儀都可以有增益選擇，此參數(shù)用來(lái)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和可接收的信號(hào)范圍。增益可以是對(duì)模擬信號(hào)加增益放大，也可以對(duì)ADC結(jié)果進(jìn)行抽樣得到"處理增益"。
????? 4．9 附加接口
　　聲發(fā)射儀一般都具有測(cè)量附加參數(shù)的接口，主要用來(lái)測(cè)量聲發(fā)射測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度、設(shè)備的壓力等，但這些都不屬于聲發(fā)射技術(shù)本身所必須的參數(shù)，只是實(shí)驗(yàn)條件而已！部分儀器提供其它接口用來(lái)通訊、同步等功能，一般可根據(jù)需要選擇考慮。
????? 5、結(jié)論
　　上述各項(xiàng)是選擇、比較聲發(fā)射儀的一些重要技術(shù)考慮。作為一個(gè)集多種技術(shù)于一體的技術(shù)產(chǎn)品，聲發(fā)射儀的比較和選擇是比較復(fù)雜的，需要考慮諸多因素，除了上述各因素外，還應(yīng)該考慮重量、體積、價(jià)格、服務(wù)等因素。任何因素對(duì)采購(gòu)的決策不應(yīng)起決定的影響，應(yīng)該在考慮技術(shù)指標(biāo)、服務(wù)、價(jià)格等各個(gè)因素后，做出最終的決策。