聲發(fā)射儀器的發(fā)展

聲發(fā)射儀器的發(fā)展

摘 要 本文對(duì)聲發(fā)射儀器的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧，對(duì)當(dāng)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(cè)儀硬件 軟件 研究進(jìn)展

1 引言
隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，聲發(fā)射（AE）檢測(cè)系統(tǒng)的更新速度也越來(lái)越快，總的發(fā)展趨勢(shì)是從模擬參數(shù)式向數(shù)字式全波形方向發(fā)展。多通道全波形聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)能給檢測(cè)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(hào)中獲取有意義的聲發(fā)射信號(hào)，更精確地對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位；另一方面，人們從參數(shù)式儀器中獲得了大量的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，所以也不可能完全放棄參數(shù)。尤其對(duì)一些專用場(chǎng)合，少量參數(shù)已經(jīng)能夠反映出檢測(cè)對(duì)象的某些規(guī)律，參數(shù)式儀器也能夠滿足使用要求，而且快速、簡(jiǎn)捷、實(shí)用和價(jià)廉。所以聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)今后將朝著兩個(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(tǒng)發(fā)展，這類儀器可以應(yīng)用到一些復(fù)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(shù)式儀器，它可以應(yīng)用到一些特定的場(chǎng)合，作為專門(mén)儀器去使用。當(dāng)然這些參數(shù)不僅僅是傳統(tǒng)意義上的那些參數(shù)，可以利用AE信號(hào)合理的信息，去選取更能反映事物本質(zhì)特征的參數(shù)。尤其是FPGA/ CPLD技術(shù)和計(jì)算機(jī)總線（PCI總線）技術(shù)的發(fā)展，可以在一塊板卡上實(shí)現(xiàn)上百通道的聲發(fā)射參數(shù)提取并進(jìn)行定位，與功能齊全的全波形采集相比，該系統(tǒng)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(xiàn)狀
人們對(duì)聲發(fā)射的認(rèn)識(shí)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(cè)試儀器的發(fā)展分不開(kāi)的。聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)一般由傳感器、信號(hào)調(diào)理放大器和分析處理系統(tǒng)三個(gè)基本部分組成,AE 儀器的發(fā)展也集中表現(xiàn)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(tǒng)的發(fā)展。下文將從硬件性能和軟件功能兩個(gè)方面對(duì)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(guó)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(shù)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(shù)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(shù)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(xù)電路的A/D或計(jì)數(shù)器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字參量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種聲發(fā)射儀的特點(diǎn)是采集數(shù)據(jù)的信息比較直觀，給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來(lái)很多方便，但由于系統(tǒng)完全采用模擬電路來(lái)獲取聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)，采集系統(tǒng)的抗干擾能力不強(qiáng)，可靠性差，集成度低。由于各個(gè)通道的信號(hào)采集、傳遞、計(jì)算、存儲(chǔ)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(tǒng)極易出現(xiàn)閉鎖狀態(tài)。這種早期的聲發(fā)射儀現(xiàn)在已逐步淘汰溫度計(jì)| 溫度表| 風(fēng)速計(jì)| 照度計(jì)| 噪音計(jì)| 輻照計(jì)| 聲級(jí)計(jì)| 溫濕度計(jì)| 紅外線測(cè)溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計(jì)| 露點(diǎn)儀| 亮度計(jì)|
自1983年至1994年是聲發(fā)射儀器發(fā)展的第二階段，以美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）1983年開(kāi)發(fā)的國(guó)際上第一套參數(shù)型聲發(fā)射系統(tǒng)SPARTAN－AT為代表。該系統(tǒng)采用專用模塊組合式，第一次引入了計(jì)算機(jī)技術(shù)，把采集功能、存儲(chǔ)及計(jì)算功能相分離，并且利用IEEE488標(biāo)準(zhǔn)總線和利用并行處理技術(shù)解決實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)處理。這類儀器實(shí)際上，每二個(gè)通道形成一個(gè)單元，配有專用微處理器，形成獨(dú)立通道控制單元(ICC)，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，而數(shù)據(jù)處理的任務(wù)比較合理地分配給一些并行的計(jì)算單元，儀器的實(shí)時(shí)性得到增強(qiáng)。該儀器是模擬和數(shù)字電路結(jié)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(yīng)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(fù)合材料、航空、航天、建筑、橋梁等的應(yīng)用也由起步階段發(fā)展到了完善階段，許多國(guó)家頒布了聲發(fā)射在特定檢測(cè)領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
1994年至今，全數(shù)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(shù)字化儀器是在高速A/ D 轉(zhuǎn)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(shù)字化AE 儀器的問(wèn)世標(biāo)志著聲發(fā)射儀器的研制進(jìn)入一個(gè)全新的階段,它在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hào)不必再經(jīng)過(guò)一系列的模擬、數(shù)字電路形成數(shù)字特征量,而是直接進(jìn)行高速A/ D 轉(zhuǎn)換,提取相應(yīng)特征量。這樣做的好處是數(shù)字信號(hào)有良好的抗干擾特性,信息能夠準(zhǔn)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(shù)據(jù)不一致,從而使儀器的可靠性得到更好的保證。采用數(shù)字技術(shù)使這類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(shù)字化的AE 信號(hào)中提取特征量比模擬方法容易實(shí)現(xiàn),如采用模擬方法很難在嚴(yán)格的意義上給出AE 信號(hào)的能量和有效值,而在數(shù)字信號(hào)的基礎(chǔ)上卻容易實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化后的信號(hào)保留了更多的AE 信息,也為信號(hào)分析和特征提取提供更大的開(kāi)發(fā)潛力。同時(shí)，這類儀器對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理如特征提取要比一般模擬儀器更加容易，而且也可給用戶留下適合各自應(yīng)用的處理軟件的空間。
全數(shù)字式聲發(fā)射儀的代表儀器有德國(guó)VALLEN公司的AMSY5[1]，美國(guó)PAC公司研制的Mistras2001[2]和我國(guó)廣州聲華科技有限公司的WAE2002[3]等。其中德國(guó)的AMSY5儀器采用專用模塊組合式，即通道模塊與計(jì)算機(jī)部分組合于一個(gè)工業(yè)機(jī)箱中，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制。該系統(tǒng)模塊之間的通訊、模塊與計(jì)算機(jī)的通訊使用了特殊設(shè)計(jì)的總線，瞬態(tài)波形采集時(shí)可將一個(gè)TR-4M（存儲(chǔ)8MB波形）的瞬態(tài)波形記錄模塊配置到數(shù)據(jù)采集板上，與傳統(tǒng)的聲發(fā)射參數(shù)并行運(yùn)行。
美國(guó)PAC公司的Mistars2001是采用全數(shù)字式集成有數(shù)字信號(hào)處理芯片的聲發(fā)射PC卡AEDSP32/16。該卡具有兩個(gè)獨(dú)立AD的聲發(fā)射信號(hào)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(jì)算機(jī)中，多塊AEDSP卡再配以適當(dāng)?shù)能浖�就�?gòu)成了多通道聲發(fā)射系統(tǒng)。該系統(tǒng)聲發(fā)射參數(shù)是在AEDSP卡中經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理獲得的，而波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需另一專用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡，AEDSP卡采集到的數(shù)據(jù)先傳輸?shù)綄Ｓ每ǖ木彌_區(qū)里，后經(jīng)PCI/ISA總線傳輸聲發(fā)射數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)介質(zhì)中。
我國(guó)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(shù)和波形的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，儀器采用插卡結(jié)構(gòu)，各通道聲發(fā)射信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理后進(jìn)入聲發(fā)射采集卡（每卡5個(gè)通道），經(jīng)信號(hào)的匹配后進(jìn)行16位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入一片超大規(guī)模FPGA門(mén)陣列芯片以實(shí)時(shí)提取聲發(fā)射參數(shù)和波形數(shù)據(jù)緩存。所有參數(shù)和波形數(shù)據(jù)經(jīng)PCI總線用DMA方式傳送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)通過(guò)信號(hào)分析軟件完成聲發(fā)射信號(hào)分析、定位等功能，最終把結(jié)果顯示出來(lái)。多塊聲發(fā)射采集卡可以構(gòu)成多通道的聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。該儀器的特點(diǎn)是：1.波形數(shù)據(jù)不是采用大容量存儲(chǔ)器緩存后到上位機(jī)，而是采用相對(duì)容量小緩存實(shí)時(shí)連續(xù)通過(guò)PCI總線高速通訊到上位機(jī)；2.由于多通道多功能（波形和參數(shù)采集提取通訊）只采用一片超大規(guī)模FPGA芯片，使得采集卡的集成度更高，穩(wěn)定性和可靠性更高。該全數(shù)字全波形聲發(fā)射儀最大限度地應(yīng)用了現(xiàn)代電子和計(jì)算機(jī)高速數(shù)據(jù)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(shù)聲發(fā)射儀的全部功能,為聲發(fā)射技術(shù)研究和應(yīng)用提供了良好的工具。
(a)PAC Mistras 2001聲發(fā)射儀 （b）德國(guó)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(jié)所述，聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)從硬件上已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，能夠?qū)Χ嗤ǖ缹?shí)現(xiàn)全部波形的采集，接下來(lái)就是要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析和處理，即系統(tǒng)的軟件功能。聲發(fā)射技術(shù)能獲得了多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，也主要取決于各種軟件的使用和特殊功能的實(shí)現(xiàn)。好的軟件能讓我們應(yīng)用起來(lái)更為得心應(yīng)手，而且可以獲得更準(zhǔn)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(duì)這些信息所做的評(píng)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(xiàn)在大部分公司采用的windows 32位消息循環(huán)機(jī)制下的標(biāo)準(zhǔn)圖形界面，操作也更加靈活方便。
多通道聲發(fā)射系統(tǒng)的軟件處理功能從應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)可分為兩大類：
第一類為基本的通用聲發(fā)射測(cè)試與分析處理功能，如軟、硬件參數(shù)設(shè)置，視圖的設(shè)置、顯示、打印，數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)、濾波、回放，波形、參數(shù)及定位的對(duì)應(yīng)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(zhǔn)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(tǒng)功能是否強(qiáng)大的重要標(biāo)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(cè))來(lái)測(cè)試缺陷的位置，大大提高了無(wú)損檢測(cè)的效率。目前實(shí)現(xiàn)定位功能的方法很多，如區(qū)域定位、線性定位、平面定位、曲面定位及三維定位等。
第二類為專用的面向特定對(duì)象的測(cè)試與分析功能，主要是由現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用專家與儀器生產(chǎn)廠家共同開(kāi)發(fā)的專家系統(tǒng)軟件包。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外從事聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究的機(jī)構(gòu)加大了對(duì)聲發(fā)射信號(hào)處理方法的研究，紛紛推出各自的聲發(fā)射信號(hào)分析處理軟件，為廣大用戶分析聲發(fā)射信號(hào)帶來(lái)極大的方便。例如，PAC公司開(kāi)發(fā)研制出可用于復(fù)雜問(wèn)題、復(fù)雜情況。復(fù)雜環(huán)境的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模式識(shí)別軟件NOESIS。Vallen公司的VisualClass模式識(shí)別和信號(hào)分類軟件，能通過(guò)監(jiān)督或不監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的組合分類及統(tǒng)計(jì)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(shí)別，為聲發(fā)射源的定性提供了強(qiáng)大的軟件支持。
3 聲發(fā)射儀器的最新進(jìn)展
當(dāng)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(guī)模集成器件不斷涌現(xiàn)，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(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：
3.1 硬件方面
* 全數(shù)字 、全波形：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為全數(shù)字式構(gòu)造，性能更穩(wěn)定、可靠性更高。所有通道能同時(shí)實(shí)時(shí)采集參數(shù)和波形，全波形的采集能給用戶提供更多關(guān)于聲發(fā)射源的信息。信號(hào)調(diào)理濾波部分采用可程控的數(shù)字濾波器（如采用FPGA實(shí)現(xiàn)）。
* 高速采集、傳輸：每個(gè)聲發(fā)射通道應(yīng)能保證參數(shù)不丟失，在聲發(fā)射信號(hào)頻度極高的情況下，也盡量少地丟失波形信號(hào)。傳輸速率應(yīng)充分利用計(jì)算機(jī)的總線速度，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的性能，并能隨著計(jì)算機(jī)的性能的升級(jí)而得到提升，使得聲發(fā)射儀器可以隨計(jì)算機(jī)的升級(jí)而隨意升級(jí)成為現(xiàn)實(shí)。。
* 良好的可擴(kuò)展性：基于計(jì)算機(jī)的插卡式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，符合現(xiàn)代儀器設(shè)計(jì)的主流思想，不僅通用性好，而且系統(tǒng)易擴(kuò)展，用戶可選插不同數(shù)目的采集卡，組成任意的多通道采集系統(tǒng)，而多臺(tái)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(cè)系統(tǒng)。
* 應(yīng)用方便： 從硬件上說(shuō)方便用戶使用，其發(fā)展主要體現(xiàn)在四個(gè)方面，一、系統(tǒng)的集成度高，緊湊輕便，現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)擺放容易；二、能自動(dòng)對(duì)安裝的各個(gè)通道在任意需要的時(shí)刻進(jìn)行標(biāo)定；三、采用無(wú)線通訊技術(shù)，減少傳輸電纜的安裝和運(yùn)輸；四、抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的檢測(cè)環(huán)境。
3.2軟件功能　
* 良好的人機(jī)界面：聲發(fā)射儀器的驅(qū)動(dòng)程序能適應(yīng)不同的操作系統(tǒng)，軟件界面和環(huán)境能隨著操作系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展。也就是說(shuō)，現(xiàn)代聲發(fā)射儀器不僅從硬件上借助計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展提升其性能，而且能隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，尤其是操作系統(tǒng)的發(fā)展，體現(xiàn)出更人性化和方便實(shí)用的人機(jī)界面。
* 視圖設(shè)置靈活：在顯示視圖上，用戶能隨意設(shè)置自己感興趣的關(guān)聯(lián)圖、定位圖、統(tǒng)計(jì)圖和分析結(jié)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(zhǔn)確：在定位方式要能進(jìn)行區(qū)域定位、衰減定位、時(shí)差定位（包括相關(guān)法時(shí)差），在應(yīng)用上通常應(yīng)包括：線性定位、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(zhǔn)確性是衡量一個(gè)聲發(fā)射儀器軟硬件性能的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，儀器能根據(jù)所接收到的波形進(jìn)行智能分析定位。
* 信號(hào)處理手段齊全：儀器根據(jù)所采集到的參數(shù)和波形進(jìn)行各種加窗傅立葉變換和小波變換，并根據(jù)分析的結(jié)果提取聲發(fā)射信號(hào)的特征進(jìn)行分類識(shí)別。達(dá)到對(duì)聲發(fā)射源定性、定量、定位分析的目的，并能最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)價(jià)。
4 結(jié)論
聲發(fā)射檢測(cè)儀器本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它的發(fā)展過(guò)程集中體現(xiàn)了當(dāng)今電子、計(jì)算機(jī)和信號(hào)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(xiàn)在的全波形、全數(shù)字圖形界面。儀器的體積、操作的復(fù)雜程度和勞動(dòng)強(qiáng)度在不斷減小，而可靠性和穩(wěn)定性不斷提高。同時(shí)針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合的信號(hào)處理手段也在不斷完善，對(duì)聲發(fā)射源的定性、定量和定位識(shí)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(biāo)是對(duì)被測(cè)對(duì)象做出科學(xué)的無(wú)損評(píng)價(jià)，并能給出解決方案。