聲發(fā)射儀器的發(fā)展

摘 要 本文對聲發(fā)射儀器的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧，對當前主要的聲發(fā)射儀器的研究進(jìn)展做了初步的介紹，并展望了未來(lái)聲發(fā)射儀器的軟、硬件發(fā)展的方向。
關(guān)鍵詞 聲發(fā)射檢測儀硬件 軟件 研究進(jìn)展

1 引言
隨著(zhù)計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，聲發(fā)射（AE）檢測系統的更新速度也越來(lái)越快，總的發(fā)展趨勢是從模擬參數式向數字式全波形方向發(fā)展。多通道全波形聲發(fā)射檢測系統能給檢測人員提供更多的關(guān)于聲發(fā)射源的信息，更方便地從大量干擾信號中獲取有意義的聲發(fā)射信號，更精確地對聲發(fā)射源進(jìn)行定位；另一方面，人們從參數式儀器中獲得了大量的現場(chǎng)經(jīng)驗，所以也不可能完全放棄參數。尤其對一些專(zhuān)用場(chǎng)合，少量參數已經(jīng)能夠反映出檢測對象的某些規律，參數式儀器也能夠滿(mǎn)足使用要求，而且快速、簡(jiǎn)捷、實(shí)用和價(jià)廉。所以聲發(fā)射檢測系統今后將朝著(zhù)兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)方向是向多通道全波形軟件分析功能齊全的大系統發(fā)展，這類(lèi)儀器可以應用到一些復雜場(chǎng)合和各種研究領(lǐng)域；另一個(gè)方向是發(fā)展實(shí)用價(jià)廉的參數式儀器，它可以應用到一些特定的場(chǎng)合，作為專(zhuān)門(mén)儀器去使用。當然這些參數不僅僅是傳統意義上的那些參數，可以利用AE信號合理的信息，去選取更能反映事物本質(zhì)特征的參數。尤其是FPGA/ CPLD技術(shù)和計算機總線(xiàn)（PCI總線(xiàn)）技術(shù)的發(fā)展，可以在一塊板卡上實(shí)現上百通道的聲發(fā)射參數提取并進(jìn)行定位，與功能齊全的全波形采集相比，該系統成本低廉、集成度更高。
2 聲發(fā)射儀器的發(fā)展過(guò)程及現狀
人們對聲發(fā)射的認識隨理論研究的發(fā)展而加深。聲發(fā)射作為實(shí)用診斷技術(shù),它每前進(jìn)一步都是同測試儀器的發(fā)展分不開(kāi)的。聲發(fā)射檢測系統一般由傳感器、信號調理放大器和分析處理系統三個(gè)基本部分組成,AE 儀器的發(fā)展也集中表現在這三個(gè)部分上。近幾十年來(lái),這三部分的性能都在不斷更新,特別是AE 傳感器和分析處理系統的發(fā)展。下文將從硬件性能和軟件功能兩個(gè)方面對聲發(fā)射儀器的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)述。
2.1硬件性能
自1965年美國的Dunegan公司首次推出聲發(fā)射商業(yè)儀器以來(lái),聲發(fā)射的硬件技術(shù)已經(jīng)歷三十多年的更新發(fā)展。從具有代表性的技術(shù)更新來(lái)看，這三十多年主要分為三個(gè)階段。第一階段1965年～1983年，這一階段主要是參數式聲發(fā)射儀器的發(fā)展。這其中包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、模擬濾波技術(shù)以及參數提取的硬件技術(shù)等的完善與發(fā)展。這些儀器進(jìn)行聲發(fā)射參數提取時(shí)，是通過(guò)模擬電路輸出模擬參量，然后通過(guò)后續電路的A/D或計數器轉換成為數字參量來(lái)實(shí)現的。這種聲發(fā)射儀的特點(diǎn)是采集數據的信息比較直觀(guān)，給后續的數據處理帶來(lái)很多方便，但由于系統完全采用模擬電路來(lái)獲取聲發(fā)射信號特征參數，采集系統的抗干擾能力不強，可靠性差，集成度低。由于各個(gè)通道的信號采集、傳遞、計算、存儲和顯示都要占中央處理單元的時(shí)間，不但速度慢而且系統極易出現閉鎖狀態(tài)。這種早期的聲發(fā)射儀現在已逐步淘汰溫度計| 溫度表| 風(fēng)速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線(xiàn)測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線(xiàn)溫度計| 露點(diǎn)儀| 亮度計|
自1983年至1994年是聲發(fā)射儀器發(fā)展的第二階段，以美國物理聲學(xué)公司（PAC）1983年開(kāi)發(fā)的國際上第一套參數型聲發(fā)射系統SPARTAN－AT為代表。該系統采用專(zhuān)用模塊組合式，第一次引入了計算機技術(shù)，把采集功能、存儲及計算功能相分離，并且利用IEEE488標準總線(xiàn)和利用并行處理技術(shù)解決實(shí)時(shí)采集和數據處理。這類(lèi)儀器實(shí)際上，每二個(gè)通道形成一個(gè)單元，配有專(zhuān)用微處理器，形成獨立通道控制單元(ICC)，完成實(shí)時(shí)數據采集的任務(wù)，而數據處理的任務(wù)比較合理地分配給一些并行的計算單元，儀器的實(shí)時(shí)性得到增強。該儀器是模擬和數字電路結合的模式，使得聲發(fā)射儀的可靠性大大提高，由此也推動(dòng)了聲發(fā)射應用技術(shù)的發(fā)展，使得聲發(fā)射在許多領(lǐng)域，如壓力容器、油罐、管道、復合材料、航空、航天、建筑、橋梁等的應用也由起步階段發(fā)展到了完善階段，許多國家頒布了聲發(fā)射在特定檢測領(lǐng)域的國家標準。
1994年至今，全數字式聲發(fā)射儀器的問(wèn)世可以說(shuō)是聲發(fā)射儀器發(fā)展的第三個(gè)階段。數字化儀器是在高速A/ D 轉換及有關(guān)集成電路( IC)芯片性能大幅度提高,價(jià)格又大幅度下降的背景下形成的。全數字化AE 儀器的問(wèn)世標志著(zhù)聲發(fā)射儀器的研制進(jìn)入一個(gè)全新的階段,它在系統結構和軟件配置上保留了第四代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn),但放大后的AE 信號不必再經(jīng)過(guò)一系列的模擬、數字電路形成數字特征量,而是直接進(jìn)行高速A/ D 轉換,提取相應特征量。這樣做的好處是數字信號有良好的抗干擾特性,信息能夠準確地發(fā)送、傳遞而無(wú)畸變,沒(méi)有模擬器件因存在噪聲或飽和帶來(lái)的失真以及因器件離散等因素產(chǎn)生的數據不一致,從而使儀器的可靠性得到更好的保證。采用數字技術(shù)使這類(lèi)儀器有很高的信噪比、良好的抗干擾性、寬的動(dòng)態(tài)范圍。另外,由數字化的AE 信號中提取特征量比模擬方法容易實(shí)現,如采用模擬方法很難在嚴格的意義上給出AE 信號的能量和有效值,而在數字信號的基礎上卻容易實(shí)現。數字化后的信號保留了更多的AE 信息,也為信號分析和特征提取提供更大的開(kāi)發(fā)潛力。同時(shí)，這類(lèi)儀器對數字信號的處理如特征提取要比一般模擬儀器更加容易，而且也可給用戶(hù)留下適合各自應用的處理軟件的空間。
全數字式聲發(fā)射儀的代表儀器有德國VALLEN公司的AMSY5[1]，美國PAC公司研制的Mistras2001[2]和我國廣州聲華科技有限公司的WAE2002[3]等。其中德國的AMSY5儀器采用專(zhuān)用模塊組合式，即通道模塊與計算機部分組合于一個(gè)工業(yè)機箱中，整個(gè)系統由計算機控制。該系統模塊之間的通訊、模塊與計算機的通訊使用了特殊設計的總線(xiàn)，瞬態(tài)波形采集時(shí)可將一個(gè)TR-4M（存儲8MB波形）的瞬態(tài)波形記錄模塊配置到數據采集板上，與傳統的聲發(fā)射參數并行運行。
美國PAC公司的Mistars2001是采用全數字式集成有數字信號處理芯片的聲發(fā)射PC卡AEDSP32/16。該卡具有兩個(gè)獨立AD的聲發(fā)射信號通道、一個(gè)DSP芯片、5個(gè)FPGA門(mén)陣列，可以象一般的PC卡一樣直接插入個(gè)人計算機中，多塊AEDSP卡再配以適當的軟件就構成了多通道聲發(fā)射系統。該系統聲發(fā)射參數是在A(yíng)EDSP卡中經(jīng)過(guò)數據處理獲得的，而波形數據的存儲需另一專(zhuān)用數據存儲卡，AEDSP卡采集到的數據先傳輸到專(zhuān)用卡的緩沖區里，后經(jīng)PCI/ISA總線(xiàn)傳輸聲發(fā)射數據到存儲介質(zhì)中。
我國90年代末，廣州聲華科技有限公司生產(chǎn)出了一種所有通道都能采集參數和波形的聲發(fā)射檢測系統，儀器采用插卡結構，各通道聲發(fā)射信號通過(guò)信號調理后進(jìn)入聲發(fā)射采集卡（每卡5個(gè)通道），經(jīng)信號的匹配后進(jìn)行16位A/D轉換，轉換后的數字信號進(jìn)入一片超大規模FPGA門(mén)陣列芯片以實(shí)時(shí)提取聲發(fā)射參數和波形數據緩存。所有參數和波形數據經(jīng)PCI總線(xiàn)用DMA方式傳送到計算機。計算機通過(guò)信號分析軟件完成聲發(fā)射信號分析、定位等功能，最終把結果顯示出來(lái)。多塊聲發(fā)射采集卡可以構成多通道的聲發(fā)射檢測系統。該儀器的特點(diǎn)是：1.波形數據不是采用大容量存儲器緩存后到上位機，而是采用相對容量小緩存實(shí)時(shí)連續通過(guò)PCI總線(xiàn)高速通訊到上位機；2.由于多通道多功能（波形和參數采集提取通訊）只采用一片超大規模FPGA芯片，使得采集卡的集成度更高，穩定性和可靠性更高。該全數字全波形聲發(fā)射儀最大限度地應用了現代電子和計算機高速數據采集和高速軟件處理的技術(shù),使得多通道聲發(fā)射波形采集和分析不再困難,同時(shí)保留了參數聲發(fā)射儀的全部功能,為聲發(fā)射技術(shù)研究和應用提供了良好的工具。
(a)PAC Mistras 2001聲發(fā)射儀 （b）德國Vallen AMSY5 聲發(fā)射儀 (c) 廣州聲華WAE2002 聲發(fā)射儀
圖1 聲發(fā)射儀器簡(jiǎn)圖
2.2軟件功能
如前節所述，聲發(fā)射檢測系統從硬件上已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，能夠對多通道實(shí)現全部波形的采集，接下來(lái)就是要對這些信號進(jìn)行分析和處理，即系統的軟件功能。聲發(fā)射技術(shù)能獲得了多領(lǐng)域的廣泛應用，也主要取決于各種軟件的使用和特殊功能的實(shí)現。好的軟件能讓我們應用起來(lái)更為得心應手，而且可以獲得更準確的關(guān)于聲發(fā)射源的定性、定量和定位信息，以及最終對這些信息所做的評價(jià)。聲發(fā)射儀器的軟件環(huán)境也從最初的純DOS環(huán)境過(guò)渡到windows環(huán)境下的DOS模式，直至現在大部分公司采用的windows 32位消息循環(huán)機制下的標準圖形界面，操作也更加靈活方便。
多通道聲發(fā)射系統的軟件處理功能從應用的角度來(lái)說(shuō)可分為兩大類(lèi)：
第一類(lèi)為基本的通用聲發(fā)射測試與分析處理功能，如軟、硬件參數設置，視圖的設置、顯示、打印，數據分析、存儲、濾波、回放，波形、參數及定位的對應分析等。聲發(fā)射源定位是一個(gè)非常重要的功能，聲發(fā)射源定位能力即定位的準確性是該技術(shù)有別于其它技術(shù)的一大特色,也是看一套聲發(fā)射系統功能是否強大的重要標志之一。聲發(fā)射源定位不需要用掃描的方式(如超聲或磁粉檢測)來(lái)測試缺陷的位置，大大提高了無(wú)損檢測的效率。目前實(shí)現定位功能的方法很多，如區域定位、線(xiàn)性定位、平面定位、曲面定位及三維定位等。
第二類(lèi)為專(zhuān)用的面向特定對象的測試與分析功能，主要是由現場(chǎng)應用專(zhuān)家與儀器生產(chǎn)廠(chǎng)家共同開(kāi)發(fā)的專(zhuān)家系統軟件包。近年來(lái)，國內外從事聲發(fā)射檢測技術(shù)應用研究的機構加大了對聲發(fā)射信號處理方法的研究，紛紛推出各自的聲發(fā)射信號分析處理軟件，為廣大用戶(hù)分析聲發(fā)射信號帶來(lái)極大的方便。例如，PAC公司開(kāi)發(fā)研制出可用于復雜問(wèn)題、復雜情況。復雜環(huán)境的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )與模式識別軟件NOESIS。Vallen公司的VisualClass模式識別和信號分類(lèi)軟件，能通過(guò)監督或不監督學(xué)習進(jìn)行聲發(fā)射信號的組合分類(lèi)及統計分析。廣州聲華公司（Soundwel）的SignalProcess軟件，提供了各種譜分析手段以及小波變換處理，并能進(jìn)行人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的聲發(fā)射源模式識別，為聲發(fā)射源的定性提供了強大的軟件支持。
3 聲發(fā)射儀器的最新進(jìn)展
當今世界是電子和信息產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的時(shí)代，新的超大規模集成器件不斷涌現，聲發(fā)射儀器的更新速度也在逐步加快，各儀器的生產(chǎn)商都在盡力將最新的科技成果引入自己的產(chǎn)品�？傮w來(lái)看，聲發(fā)射儀器發(fā)展體現出以下幾個(gè)特點(diǎn)：
3.1 硬件方面
* 全數字 、全波形：系統的結構為全數字式構造，性能更穩定、可靠性更高。所有通道能同時(shí)實(shí)時(shí)采集參數和波形，全波形的采集能給用戶(hù)提供更多關(guān)于聲發(fā)射源的信息。信號調理濾波部分采用可程控的數字濾波器（如采用FPGA實(shí)現）。
* 高速采集、傳輸：每個(gè)聲發(fā)射通道應能保證參數不丟失，在聲發(fā)射信號頻度極高的情況下，也盡量少地丟失波形信號。傳輸速率應充分利用計算機的總線(xiàn)速度，充分發(fā)揮計算機的性能，并能隨著(zhù)計算機的性能的升級而得到提升，使得聲發(fā)射儀器可以隨計算機的升級而隨意升級成為現實(shí)。。
* 良好的可擴展性：基于計算機的插卡式結構設計，符合現代儀器設計的主流思想，不僅通用性好，而且系統易擴展，用戶(hù)可選插不同數目的采集卡，組成任意的多通道采集系統，而多臺聲發(fā)射儀器連接起來(lái)可以組成一個(gè)更大型的聲發(fā)射檢測系統。
* 應用方便： 從硬件上說(shuō)方便用戶(hù)使用，其發(fā)展主要體現在四個(gè)方面，一、系統的集成度高，緊湊輕便，現場(chǎng)搬運擺放容易；二、能自動(dòng)對安裝的各個(gè)通道在任意需要的時(shí)刻進(jìn)行標定；三、采用無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，減少傳輸電纜的安裝和運輸；四、抗干擾能力強，能適應現場(chǎng)復雜的檢測環(huán)境。
3.2軟件功能　
* 良好的人機界面：聲發(fā)射儀器的驅動(dòng)程序能適應不同的操作系統，軟件界面和環(huán)境能隨著(zhù)操作系統的發(fā)展而發(fā)展。也就是說(shuō)，現代聲發(fā)射儀器不僅從硬件上借助計算機行業(yè)的發(fā)展提升其性能，而且能隨著(zhù)軟件技術(shù)的發(fā)展，尤其是操作系統的發(fā)展，體現出更人性化和方便實(shí)用的人機界面。
* 視圖設置靈活：在顯示視圖上，用戶(hù)能隨意設置自己感興趣的關(guān)聯(lián)圖、定位圖、統計圖和分析結果，并支持2D、3D圖形顯示和入視點(diǎn)的變化。
* 定位方式多樣、準確：在定位方式要能進(jìn)行區域定位、衰減定位、時(shí)差定位（包括相關(guān)法時(shí)差），在應用上通常應包括：線(xiàn)性定位、平面定位、柱面定位、曲面定位（球面定位）、三維空間定位等并能任意組合。定位的準確性是衡量一個(gè)聲發(fā)射儀器軟硬件性能的一項綜合指標，儀器能根據所接收到的波形進(jìn)行智能分析定位。
* 信號處理手段齊全：儀器根據所采集到的參數和波形進(jìn)行各種加窗傅立葉變換和小波變換，并根據分析的結果提取聲發(fā)射信號的特征進(jìn)行分類(lèi)識別。達到對聲發(fā)射源定性、定量、定位分析的目的，并能最終實(shí)現自動(dòng)評價(jià)。
4 結論
聲發(fā)射檢測儀器本身是一個(gè)復雜的系統，它的發(fā)展過(guò)程集中體現了當今電子、計算機和信號處理等技術(shù)的進(jìn)步。聲發(fā)射儀器也從最初的模擬儀器DOS界面，發(fā)展到現在的全波形、全數字圖形界面。儀器的體積、操作的復雜程度和勞動(dòng)強度在不斷減小，而可靠性和穩定性不斷提高。同時(shí)針對不同應用場(chǎng)合的信號處理手段也在不斷完善，對聲發(fā)射源的定性、定量和定位識別的精度也有了很大的提高。聲發(fā)射儀器最終的發(fā)展目標是對被測對象做出科學(xué)的無(wú)損評價(jià)，并能給出解決方案。