聲發(fā)射儀技術指標淺談

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(shù)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(shù)。由于這些參數(shù)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(shù)（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(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(jù)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(jù)特定的需求進行選擇。考慮的因素有：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(shù)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(shù)。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(shù)。
　　另外，在采購時可考慮比需要的通道數(shù)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(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，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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(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和信號調理電路外，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、應用時間最長的聲發(fā)射儀，其分析方法也被大多數(shù)業(yè)內人士認可，分析方法比較成熟，操作簡單，大多數(shù)多通道聲發(fā)射儀都是這類儀器。參數(shù)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(shù)字電路將聲發(fā)射信號直接處理成一定意義的參數(shù)數(shù)據(jù)，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(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量少，所以對聲發(fā)射信號的實時響應能力強、數(shù)據(jù)流量小、對計算機的顯示、分析、數(shù)據(jù)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(shù)式儀器丟失信號的幾率相對低。由于電路直接生成參數(shù)數(shù)據(jù)，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(shù)采集可以滿足大多數(shù)應用，而如果進行聲發(fā)射信號分析和應用研究則參數(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)射信號進行A/D轉換，然后將此波形數(shù)據(jù)直接傳遞到計算機，由計算機再進行參數(shù)提取、顯示、分析、數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)計算機支持的32位、33MPS的PCI總線為例，其數(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)據(jù)采集外還進行參數(shù)數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析、存儲、參數(shù)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(jīng)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(shù)為12位以上，則每個通道的數(shù)據(jù)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(jīng)假定在單位時間內聲發(fā)射撞擊的數(shù)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(shù)多、實時性要求很高、不需要波形數(shù)據(jù)的場合，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，在保證參數(shù)數(shù)據(jù)實時性的同時，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(shù)數(shù)據(jù)，同時，保留部分或者全部波形數(shù)據(jù)，一般是過門檻后一定長度的波形數(shù)據(jù)。由于其照顧了參數(shù)數(shù)據(jù)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(shù)的應用需求。其缺點是由于兼顧波形和參數(shù)數(shù)據(jù)，電路稍微復雜些，成本也會增加一些；由于照顧了參數(shù)數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)在單位時間內聲發(fā)射撞擊數(shù)多時，仍然存在丟失部分的波形數(shù)據(jù)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