????? 摘要：本文介紹了聲發(fā)射儀的種類、技術指標的含義及對性能的影響，提出了比較選擇聲發(fā)射儀的一般思路和技術考慮，對于正確分析聲發(fā)射儀的性能有一定的借鑒意義。
????? 關鍵詞：聲發(fā)射 ADC 波形分析 參數分析
????? 1 引言
　　聲發(fā)射檢測作為一種逐漸成熟的無損檢測技術得到越來越多的應用，而進行聲發(fā)射檢測、監(jiān)測和研究就需要聲發(fā)射儀。聲發(fā)射儀具有較高的技術含量，非專業(yè)儀器公司自己開發(fā)存在諸多困難，一般做聲發(fā)射檢測、監(jiān)測和研究工作都選擇直接采購商品化的聲發(fā)射儀器。
　　在市場上的聲發(fā)射儀器有多種，每個廠家都給出了很多技術指標、參數。由于這些參數比較專業(yè)，給參與決策選擇的技術人員造成了一定的困難，常常有無從下手之感。筆者多年從事聲發(fā)射檢測和儀器開發(fā)研究，將自己對各個指標、參數（不考慮價格因素）的理解整理成文，希望拋磚引玉，不當之處請不吝賜教。
????? 2 聲發(fā)射儀的種類
????? 2．1聲發(fā)射儀的分類方法有多種，按照采集信號通道數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個通道，主要用于對單點或者小區(qū)域的檢測、監(jiān)測等，一般無法完成對信號源位置的定位。2通道或更多通道的聲發(fā)射儀稱為多通道聲發(fā)射儀。前者可以完成對較大區(qū)域的檢測、監(jiān)測，可完成在線狀區(qū)域內聲發(fā)射信號源的定位；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)域和線狀區(qū)域內聲發(fā)射信號源的定位；超過3個則可以完成更大區(qū)域內信號源的檢測、監(jiān)測及對上述區(qū)域內的聲發(fā)射信號源的多種算法的定位。儀器制造廠一般都配有依據上述定位算法的分析、顯示軟件，對球形、柱形等特定外形的設備，有的制造廠開發(fā)了更為直觀的定位分析軟件。
　　選擇購買單通道還是多通道，或具體多少個通道，需要根據特定的需求進行選擇?？紤]的因素有：待測設備的材質（影響頻率、聲速和衰減）、待測設備的最大幾何尺寸、幾何形狀、需要的定位類型等。幾何尺寸大、材質衰減大、形狀特殊的檢測應用需要的通道數就多，反之就少。一般在鋼材中，聲發(fā)射信號可以接收的傳播距離在5m內為宜，超過此長度應考慮增加通道數。而狹長的設備，例如長管拖車則需要考慮定位類型，一般采用線定位時就可以減少所需要的通道數。
　　另外，在采購時可考慮比需要的通道數多1～2個通道，作為備用通道用。
????? 2．2按照聲發(fā)射信號所采用的技術，可分為以模擬電路為主的模擬式聲發(fā)射儀和以數字電路為主的數字電路式聲發(fā)射儀。
　　模擬式聲發(fā)射儀投用歷史較長，技術相對成熟、儀器相對穩(wěn)定和可靠、操作軟件簡單、便于學習等優(yōu)點。但這類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。數字儀器一般采用CPLD、FPGA、DSP等技術，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，由于在數字聲發(fā)射儀的處理軟件上疊加了許多功能，功能強大；但學習相對困難，對于工程檢測反而麻煩了不少。另外，這類設備投用歷史相對較短，對其可靠性、穩(wěn)定性等要多加注意，由于采用了許多新技術，處理不好反而易出問題。
　　需要說明的是，沒有真正意義上的全數字聲發(fā)射儀。因為自然界的信號都是連續(xù)的（宏觀而言），所以，即使最為理想的情況是將傳感器來的信號直接予以模擬-數字轉換（ADC），也需要要模擬電路（ADC本身就應歸為模擬電路）；而一般在傳感器之后還要加前置放大器、信號調理電路等，所以根本不可能是全數字化儀器。而一般意義上的全數字聲發(fā)射儀指其除了ADC和信號調理電路外，不再有其它影響參數和波形的模擬電路而已！
????? 2．3 按照信號的處理方式，可以將聲發(fā)射儀分為參數式聲發(fā)射儀、直接波形式聲發(fā)射儀和參數-波形式聲發(fā)射儀。
????? 2．3．1 參數式聲發(fā)射儀是目前使用范圍最廣、應用時間最長的聲發(fā)射儀，其分析方法也被大多數業(yè)內人士認可，分析方法比較成熟，操作簡單，大多數多通道聲發(fā)射儀都是這類儀器。參數聲發(fā)射儀是指在信號處理通道的電路中，借助模擬或者數字電路將聲發(fā)射信號直接處理成一定意義的參數數據，然后再送到計算機進行顯示、分析、處理和保存的儀器。這種儀器一般需要設置門檻（閾值）、HDT（撞擊定義時間），有的需要設置增益、PDT、HLT等。由于參數數據的數據量少，所以對聲發(fā)射信號的實時響應能力強、數據流量小、對計算機的顯示、分析、數據存儲等能力的要求低，一般計算機均可滿足要求，無論PCI總線、ISA總線等均可，同時，參數式儀器丟失信號的幾率相對低。由于電路直接生成參數數據，無法傳遞波形，所以喪失了更多的有效信息。但就一般檢測工程而言，參數采集可以滿足大多數應用，而如果進行聲發(fā)射信號分析和應用研究則參數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)射信號進行A/D轉換，然后將此波形數據直接傳遞到計算機，由計算機再進行參數提取、顯示、分析、數據存儲等工作。在滿足實時性的前提下無疑這是最為理想的儀器，因為這樣一般的采集卡即可滿足需要，價格將非常低廉。但是，在目前電子設計技術和計算機技術下，少數通道的直接波形采集和分析是可以滿足實時性要求的；但是當通道數多、ADC的轉換頻率高、分析功能復雜時，實時性難以得到保證，勢必存在丟失部分信號的可能，所以在選擇時需要引起重視。為了達到高的數據傳輸速度、快的分析和計算時間，一般直接波形式聲發(fā)射儀需要很高的計算機配置。
　　以目前大多數計算機支持的32位、33MPS的PCI總線為例，其數據傳遞的最大理論速度為132MB/S（字節(jié)/秒），實際受計算機系統(tǒng)設計水平、計算機操作系統(tǒng)采用非實時性操作系統(tǒng)、采集軟件驅動設計水平、系統(tǒng)其它軟件引入的延時等的影響，一般達到100MB/S已經是實際可看到幾乎最高的采集速度了。而計算機系統(tǒng)除了進行數據采集外還進行參數數據提取、數據分析、存儲、參數顯示、波形顯示等操作，再考慮系統(tǒng)多個采集卡之間切換的相互影響，整個系統(tǒng)的總體速度一般在60MB/S已經相當不錯了。我們假定每個信號通道的采集速度為5MS/S（也記為MSPS--Mega-Sapmles Per Seconds，百萬次采樣每秒），考慮ADC的位數為12位以上，則每個通道的數據流速度為10MB/S（假定不做實時壓縮處理）。顯然，整個系統(tǒng)只能保證5MS/S的采集速度下6個信號通道的實時采集。上述估計已經假定在單位時間內聲發(fā)射撞擊的數量不多，不至于使得計算機寫硬盤的時間過長而影響采集的速度。因此，對于通道數多、實時性要求很高、不需要波形數據的場合，似不宜選擇直接波形式的聲發(fā)射儀。
????? 2．3．3 參數-波形式聲發(fā)射儀綜合了參數式和直接波形式聲發(fā)射儀各自的特點，在保證參數數據實時性的同時，在系統(tǒng)允許的情況下傳遞一定數量的波形。這種儀器首先在每個信號通道的處理電路中，一般通過設置門檻，直接生成部分或者全部參數數據，同時，保留部分或者全部波形數據，一般是過門檻后一定長度的波形數據。由于其照顧了參數數據的實時性要求且波形只取一定長度，所以，筆者這是在實時性和全波形之間的較好的折衷，一般認為，只要設計得當，此類儀器可滿足大多數的應用需求。其缺點是由于兼顧波形和參數數據，電路稍微復雜些，成本也會增加一些；由于照顧了參數數據，波形數據在單位時間內聲發(fā)射撞擊數多時，仍然存在丟失部分的波形數據的問題；由于保存部分過門檻波形，可能會喪失部分有意義的細節(jié)。這類聲發(fā)射儀對計算機的要求比較靈活，如果對波形數據的要求不十分苛刻則可以降低對計算機系統(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，但由于結構的差異，可能會有不同的表現形式。
????? 3．1 傳感器類型
　　聲發(fā)射傳感器一般是壓電陶瓷材料制造成的，選擇時主要考慮其諧振頻率、靈敏度、溫度范圍、結構形式、信號接口等因素。傳感器的諧振頻率應滿足待測設備、材質、耦合介質等的需求。
????? 3．2 前置放大器
　　主要考慮增益、頻率、供電方式和信號接口遞范圍。增益的選擇要考慮傳感器和后續(xù)信號處理通道的匹配問題，而接口方式則需要考慮傳感器的接口、供電和信號輸出接口等因素。前置放大器頻率范圍應覆蓋所趕興趣信號的頻率范圍。供電一般選擇與信號復用的方式。
????? 3．3 信號處理板
　　一般由1個或者多個信號處理板構成整個系統(tǒng)，信號處理板主要完成對來自前置放大器的聲發(fā)射信號的處理，得到滿足要求的參數數據和/或波形數據。一個信號處理板可以包含一個或者多個信號處理通道。
????? 3．4 計算機系統(tǒng)
　　其功能是將各個信號處理卡得到的波形和/或數據讀到計算機系統(tǒng)進行保存、處理和顯示等操作。不同類型的聲發(fā)射儀對計算機系統(tǒng)的要求不一樣，如前所述，參數式聲發(fā)射儀對計算機系統(tǒng)的要求較低，參數-波形式次之，直接波形式對計算機系統(tǒng)的要求最高。計算機系統(tǒng)應該有適當的升級和擴充能力。
????? 3．5 采集分析軟件
　　采集、分析軟件可以分成獨立的幾個軟件，也可以是多個軟件功能集合到一起，但都應該可以實現實時采集、分析、保存等的功能。如前所述，采集分析軟件至少應可滿足實時定位、實時關聯(lián)分析和結果顯示，并可實時將結果予以保存。如果有波形的系統(tǒng)應可實時觀察部分或者全部的波形。
????? 軟件最好有全中文界面，便于學習和操作。
????? 4 聲發(fā)射儀的重要技術指標
????? 4．1信噪比（SNR）
　　一般是指信號系統(tǒng)允許無失真接收的最大信號和系統(tǒng)背景噪聲的比值，常用此比值的常用對數乘以20得到分貝值來表示信噪比。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，有時信號比的增加會急劇增加造價，勢必售價被提高。SNR和系統(tǒng)的最小門檻相關，一般可以選擇無機械信號時系統(tǒng)允許的最小門檻來估算SNR的水平。
????? 4．2 頻率范圍
　　頻率范圍是指前置放大器和信號處理板的模擬信號帶寬，它取決于濾波器和信號通道的整體特征，而非某個部件的頻率范圍。一般通過濾波器的組合可以覆蓋10KHz～2MHz的范圍就可滿足大多數應用。對于特定的應用，應該選擇最為接近其頻率范圍的濾波器組合以實現對噪聲的抑制，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
　　無論是何種技術和何種處理方法制造的儀器，一般應該包括：上升時間、持續(xù)時間、峰值幅度、計數值、能量等參數，最好還可以包括到峰計數、均方根電壓、信號平均電平參數。
????? 4．4 軟件功能
　　應可以實時采集各個通道的數據，實時定位分析、濾波處理，以特定的方式顯示數據處理的結果、保存處理結果。應可離線處理所保存的數據，輸出分析結果。一般國產儀器采用中文界面的緣故比較容易學習，進口儀器大多都是英文界面，但功能較為強大，在選擇時是一個值得考慮的因素。軟件至少應該提供線定位、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（HITs/S）
　　這個指標是衡量一臺聲發(fā)射儀實時性最為重要的指標，如果對儀器的實時性非常關心，請仔細考慮這個指標。這個指標進一步分解為單個通道每秒撞擊數和整臺儀器的每秒撞擊數。單個通道的每秒撞擊數實際上衡量了單個通道接收聲發(fā)射信號和由此產生的參數或者波形數據的能力；而整臺儀器的每秒撞擊數則用來衡量儀器整體的信號接收和處理能力，它是指各個聲發(fā)射信號處理通道處理聲發(fā)射撞擊的總和。一般前者指標可以做的很高，但是后者則需要倚賴許多因素，例如：ADC采樣頻率、通道數、軟件的影響等。采購時這兩個指標都非常重要，要統(tǒng)籌考慮。無論何種儀器，此指標都適用。
????? 4．6 ADC的采樣頻率
　　在數字聲發(fā)射儀中，此參數決定了對信號的分析能力，它直接影響定位精度、到達時間、上升時間、峰值幅度等參數的數值。筆者認為，ADC的采樣頻率濾波器最高頻率的10～20倍左右為宜，倍數太高會增加數據的流量、影響實時性，而倍數太低會丟失有效的細節(jié)。例如，如果聲發(fā)射信號的諧振頻率為300KHz，濾波器的范圍為100～500KHz，則ADC需要達到的采樣頻率在5MHz～10MHz為宜。
????? 4．7 ADC的分辨率
　　ADC的分辨率決定了儀器對小信號的分辨能力，一般用12～16位分辨率的ADC，個別可選擇18位。ADC的分辨率和SNR相比，SNR更能表征儀器的設計和制造水平，因為ADC分辨率高的ADC的不一定可以實現SNR高。
????? 4．8 增益
　　模擬和數字聲發(fā)射儀都可以有增益選擇，此參數用來改善系統(tǒng)的動態(tài)范圍和可接收的信號范圍。增益可以是對模擬信號加增益放大，也可以對ADC結果進行抽樣得到"處理增益"。
????? 4．9 附加接口
　　聲發(fā)射儀一般都具有測量附加參數的接口，主要用來測量聲發(fā)射測試時的環(huán)境溫度、設備的壓力等，但這些都不屬于聲發(fā)射技術本身所必須的參數，只是實驗條件而已！部分儀器提供其它接口用來通訊、同步等功能，一般可根據需要選擇考慮。
????? 5、結論
　　上述各項是選擇、比較聲發(fā)射儀的一些重要技術考慮。作為一個集多種技術于一體的技術產品，聲發(fā)射儀的比較和選擇是比較復雜的，需要考慮諸多因素，除了上述各因素外，還應該考慮重量、體積、價格、服務等因素。任何因素對采購的決策不應起決定的影響，應該在考慮技術指標、服務、價格等各個因素后，做出最終的決策。