聲發(fā)射信號(hào)處理和分析技術(shù)

????? 摘? 要：介紹聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)況、聲發(fā)射信號(hào)處理面臨的困難及目前所用的各種處理和分析方法。還介紹了聲發(fā)射儀器的發(fā)展概況。
????? 關(guān)鍵詞：聲發(fā)射檢驗(yàn)；信號(hào)處理；分析；聲發(fā)射儀器
????? 聲發(fā)射（AE）可以定義為物體或材料內(nèi)部迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的一種物理現(xiàn)象，而AE信號(hào)則表示一個(gè)或多個(gè)AE事件經(jīng)傳感器接受并經(jīng)系統(tǒng)處理后以某種形式出現(xiàn)的電信號(hào)。當(dāng)材料遇到“麻煩”時(shí)，它們會(huì)“講話(huà)”，我們可以利用聲發(fā)射設(shè)備來(lái)“聽(tīng)”諸如裂紋擴(kuò)展、纖維斷裂以及材料其他形式損傷所發(fā)出的“聲音”。AE相應(yīng)的彈性波并不僅局限于可聽(tīng)聲域，在絕大多數(shù)情況下，其有效頻譜范圍可伸展到數(shù)兆赫甚至數(shù)十兆赫頻段。所以嚴(yán)格地講，聲發(fā)射應(yīng)當(dāng)被稱(chēng)為應(yīng)力波發(fā)射，但由于歷史的原因，人們已習(xí)慣于將其稱(chēng)為聲發(fā)射。AE的原機(jī)制是各種各樣的，如固體內(nèi)裂紋的形成和擴(kuò)展（裂紋的傳播）、塑性形變、晶體內(nèi)位錯(cuò)的移動(dòng)和位錯(cuò)在釘扎點(diǎn)上的分離、孿晶邊界的移動(dòng)、復(fù)合材料內(nèi)基體或夾雜物的破裂、分層或纖維的斷裂以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化（包括相變）等。不同的源機(jī)制對(duì)應(yīng)不同的發(fā)射聲波，因而也對(duì)應(yīng)不同的AE信號(hào)。盡管引起聲發(fā)射的外部原因是多種多樣的，但其共同點(diǎn)都是由于外部條件的變化（應(yīng)力、溫度和電磁場(chǎng)等），引起物體或結(jié)構(gòu)某一局部或某些部分變得不穩(wěn)定并迅速釋放出能量。AE是正在擴(kuò)展的材料缺陷（裂紋）的指示器，沒(méi)有擴(kuò)展，裂紋或材料的缺陷處于靜止?fàn)顟B(tài)，就沒(méi)有能量的重新分配，也就沒(méi)有聲發(fā)射。換句話(huà)說(shuō)，只有當(dāng)物體受到了永久性形變或永久性損傷時(shí)才會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射。正因?yàn)檫@樣，AE技術(shù)是檢測(cè)材料損傷，特別是早期損傷的有利工具，也是對(duì)材料或結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要方法。與此相適應(yīng)，聲發(fā)射信號(hào)處理的主要任務(wù)則應(yīng)當(dāng)包括AE源識(shí)別、AE源定位和損傷評(píng)價(jià)等內(nèi)容。
????? 1??? 聲發(fā)射信號(hào)及信號(hào)處理的困難所在
????? 與其它無(wú)損檢測(cè)方法不同的是，AE信號(hào)處理技術(shù)面臨的最大難題，或最大困惑首先是AE源的多樣性、信號(hào)本身的突發(fā)性和不確定性。在進(jìn)行超聲或渦流檢測(cè)時(shí)，人們可準(zhǔn)確知道注入被檢材料中信號(hào)的特征（幅度、頻率和波形等），并由此可知接收信號(hào)的相應(yīng)特征或相當(dāng)發(fā)生的變化。而對(duì)于AE檢測(cè)技術(shù)而言，情況卻完全不同。不同的AE源機(jī)制可以產(chǎn)生完全不同的AE信號(hào)，而人們對(duì)AE源機(jī)制的認(rèn)識(shí)總是受到很多條件的限制。因此，說(shuō)極端一點(diǎn)，檢測(cè)人員有時(shí)幾乎不知道真正的AE信號(hào)究竟應(yīng)是什么樣子。其次，AE信號(hào)傳輸途徑的影響也是一個(gè)完全不容忽視的因素，但問(wèn)題在于，傳輸途徑又與AE源位置、被檢對(duì)象性質(zhì)（材質(zhì)、形狀和幾何尺寸）、聲耦合劑特征以及接收傳感器位置等諸多因素有關(guān)。圖1可以說(shuō)明這一問(wèn)題。?????????
????? 聲源S(t)? 輸出信號(hào)F(t)????????????
????? 由圖1可見(jiàn)，AE傳感器所獲得的信號(hào)至少是聲源、傳輸介質(zhì)、耦合介質(zhì)和換能器響應(yīng)等因素的綜合結(jié)果，在數(shù)學(xué)上可表示為
????? F（t）= S（t）* M（t）* C（t）* R（t）
????? 式中?? S（t）——聲源的時(shí)域函數(shù)
????? M（t）——傳輸介質(zhì)的脈沖響應(yīng)函數(shù)（格林函數(shù)）
????? C（t）——耦合介質(zhì)的脈沖響應(yīng)函數(shù)
????? R（t）——換能器的脈沖響應(yīng)函數(shù)
????? * ——卷積?????????
????? 在頻率域，上式可簡(jiǎn)化為
????? F（ω） = S（ω）M（ω）C（ω）R（ω）
????? 式中?? S（ω）——聲源的頻率響應(yīng)函數(shù)
????? M（ω）——傳輸介質(zhì)的頻率響應(yīng)函數(shù)
????? C（ω）——耦合介質(zhì)的頻率響應(yīng)函數(shù)
????? R（ω）——換能器的頻率響應(yīng)函數(shù)
????? ω——角頻率?????
????? S(t)和C(t)的不確定性以及M(t)和R(t)的復(fù)雜性使AE信號(hào)處理面臨巨大困難。可以說(shuō)，即使對(duì)一個(gè)長(zhǎng)期從事AE技術(shù)研究的人來(lái)講，有時(shí)也很難回答類(lèi)似“AE信號(hào)究竟是什么樣子”這樣的問(wèn)題。各種文獻(xiàn)列舉的AE信號(hào)可以是圖2中的任何一種，也可以是其它樣式，顯然，其差異十分巨大。
????? 圖2a是典型的連續(xù)型AE信號(hào)，完全類(lèi)似于白噪聲；圖2b是目前最常用的諧振頻率為150kHz AE傳感器的突發(fā)型輸出信號(hào)，可明顯看到邊界反射產(chǎn)生的回波疊加效應(yīng)和AE傳感器的振鈴效應(yīng)；圖2c是利用寬帶AE傳感器在薄板上獲得的垂直激勵(lì)產(chǎn)生的AE信號(hào)，可分辨出彎曲波和擴(kuò)展波信號(hào)；圖2d是在厚板上用電容傳感器（其頻率響應(yīng)極寬）測(cè)出的響應(yīng)于固體內(nèi)一個(gè)階躍變化力AE源在“震中”位置產(chǎn)生的表面位置移動(dòng)。AE信號(hào)的這種差異可能讓初學(xué)者很難理解，甚至無(wú)所適從。
????? AE信號(hào)處理技術(shù)面臨的另外兩大困難是AE信號(hào)的微弱性（但又完全可以是寬動(dòng)態(tài)范圍）和干擾噪聲的多樣性。因此，在AE技術(shù)發(fā)展史上，各種可能的信號(hào)處理技術(shù)都曾被嘗試過(guò)?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，在現(xiàn)有的各種無(wú)損檢測(cè)方法中，AE檢測(cè)技術(shù)所涉及到的信號(hào)處理內(nèi)容應(yīng)當(dāng)是最廣泛、最全面的。在了解了這一點(diǎn)之后也就不難理解為什么有如此眾多的AE信號(hào)處理方法。本系列專(zhuān)題綜述擬就一些最主要和最常用的AE信號(hào)處理技術(shù)展開(kāi)討論，它們是參數(shù)分析、定位技術(shù)、波形分析技術(shù)、模態(tài)聲發(fā)射、譜分析、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及一些特殊技術(shù)。
????? 2聲發(fā)射信號(hào)處理技術(shù)
????? 如前所述，聲發(fā)射檢測(cè)和聲發(fā)射信號(hào)處理的目的是獲得有關(guān)聲發(fā)射源的信息，包括損傷位置、損傷程度和剩余壽命等。人們對(duì)AE的認(rèn)識(shí)隨理論研究的發(fā)展而加深，另一方面，AE作為實(shí)用診斷技術(shù)，每前進(jìn)一步都是同信號(hào)處理技術(shù)和測(cè)試儀器的發(fā)展分不開(kāi)的。可以毫不夸張地說(shuō)，一部AE技術(shù)的發(fā)展史也就是AE信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展史。
????? 在研究AE信號(hào)的處理技術(shù)之前，先闡述一下AE技術(shù)發(fā)展史上的兩個(gè)重要的事件，因?yàn)樗鼈兌紝?duì)AE信號(hào)的處理技術(shù)和AE技術(shù)的發(fā)展起了重要作用。第一是德國(guó)人凱撒（J Kaiser）觀察到的Kaiser效應(yīng)。20世紀(jì)50年代初，凱撒研究了多晶金屬材料如鋅、銅、鋁和鉛等的聲發(fā)射特征，發(fā)現(xiàn)在加載時(shí)，這些材料都產(chǎn)生了聲發(fā)射，且是不可逆的。AE現(xiàn)象僅在第一次加載時(shí)產(chǎn)生，第二次加載及以后各次加載所產(chǎn)生的AE信號(hào)變得微不足道，除非后面所加外應(yīng)力超過(guò)前面各次加載的最大值。這一現(xiàn)象后來(lái)又在多種金屬材料實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，并被命名為凱撒效應(yīng)。這一效應(yīng)在AE信號(hào)處理方面得到廣泛應(yīng)用，成為克服噪聲干擾的主要手段之一，因而也成為用AE技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)完好性的依據(jù)。例如，在加載實(shí)驗(yàn)時(shí)，可先在小應(yīng)力下進(jìn)行幾次循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)以克服實(shí)驗(yàn)機(jī)夾具和試件之間摩擦噪聲的影響，然后再進(jìn)行正式加載試驗(yàn)。如試件完好無(wú)損，則在加載循環(huán)中不應(yīng)得到明顯的AE信號(hào)，反之，任何突然增大的AE信號(hào)都極有可能是該試件發(fā)生疲勞或內(nèi)部有斷裂的預(yù)兆。這種利用不可逆效應(yīng)降噪和獲取有用信息的方法為AE技術(shù)所獨(dú)有。
????? 同AE信號(hào)處理技術(shù)直接有關(guān)的另一重要事件是，20世紀(jì)60年代美國(guó)學(xué)者Dunegan提出，可把觀察和記錄AE信號(hào)的頻率移至超聲段（＞20kHz）以降低外界干擾噪聲的影響。在此之前，人們?yōu)榱擞^察和記錄聲發(fā)射信號(hào)的變化，實(shí)驗(yàn)不得不在夜深人靜的時(shí)候進(jìn)行，并經(jīng)常事倍功半甚至半途而廢，聲發(fā)射試驗(yàn)工作之苦可見(jiàn)一斑。由于觀察頻率的這一“簡(jiǎn)單移動(dòng)”極大的克服了環(huán)境干擾噪聲的影響，它所帶來(lái)的是AE理論和應(yīng)用研究的革命性進(jìn)展。
????? 2.1 干擾噪聲
????? 雖然各種檢測(cè)方法都面臨干擾噪聲問(wèn)題，但由于聲發(fā)射是以被動(dòng)檢測(cè)的方式用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，它所面臨的噪聲干擾問(wèn)題就特別嚴(yán)重，甚至是其它方法無(wú)法比擬的。在許多情況下，如利用AE進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)、運(yùn)行設(shè)備狀況監(jiān)測(cè)以及對(duì)行駛中的汽車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視時(shí)，外部干擾噪聲都可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人們感興趣的AE信號(hào)。AE檢測(cè)面臨的干擾噪聲主要有下面幾種：
????? 2.1.1 電器干擾噪聲
???? （1）前置放大器輸入端的白噪聲?? 這是一種自然的不可避免的噪聲，確定了系統(tǒng)靈敏度的最終極限。使用設(shè)計(jì)良好的前置放大器，該噪聲可以很小并接近理論極限。
???? （2）AE系統(tǒng)內(nèi)部所產(chǎn)生的噪聲??? 目前所用的結(jié)構(gòu)緊湊型計(jì)算機(jī)化的聲發(fā)射儀器一般都是陰極射線(xiàn)管（CRT）顯示屏幕和磁盤(pán)系統(tǒng)，各部件間很容易產(chǎn)生“拾取”噪聲。在一個(gè)設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)內(nèi)，這一噪聲應(yīng)當(dāng)很低并在極限之內(nèi)。
???? （3）接地回路噪聲?? 這是由系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的不恰當(dāng)接地引起的。為避免這一噪聲，聲發(fā)射換能器的電氣連接必須與結(jié)構(gòu)絕緣。
???? （4）電磁煩擾信號(hào)?? 一般由電源開(kāi)關(guān)或其它臨近電磁設(shè)備引起。必要時(shí)，設(shè)備應(yīng)加上電磁屏蔽。
????? 2.1.2 機(jī)械噪聲源
????? 主要包括① 實(shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)機(jī)的噪聲。② 外場(chǎng)測(cè)試時(shí)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，包括來(lái)自容器內(nèi)部的噪聲和連接管道的噪聲。③ 泵和閥門(mén)的流體噪聲。④ 所有的摩擦過(guò)程，如加載引起的移動(dòng)以及容器的支撐物等都會(huì)引起噪聲。⑤ 機(jī)械撞擊引起的噪聲，如在戶(hù)外測(cè)試時(shí)灰塵、雨點(diǎn)和雪花等都會(huì)引起噪聲。⑥ 人類(lèi)本身和周?chē)膭?dòng)物都可能引起噪聲。
????? 2.1.3 聲波傳播途徑引起的聲信號(hào)畸變和衰減
????? 通常在聲發(fā)射源處，大多數(shù)聲發(fā)射信號(hào)都具有比較簡(jiǎn)單的寬帶和介躍形特征，但在材料或結(jié)構(gòu)中經(jīng)多次反射、衰減以及波形轉(zhuǎn)換后，其波形將發(fā)生很大畸變，這一點(diǎn)無(wú)疑給聲發(fā)射信號(hào)的分析帶來(lái)很大困難。因?yàn)槔肁E技術(shù)監(jiān)測(cè)的對(duì)象絕大多數(shù)是固體，而固體中有不同的波形存在，如壓縮波、切變波、板波和表面波等，這些波的傳播速度各不相同，在邊界處還會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換。源發(fā)出的聲波除直達(dá)波外還可以經(jīng)多種路徑到達(dá)傳感器，因此，所探測(cè)到的聲信號(hào)波形是不同路徑到達(dá)傳感器聲波的疊加（混響效應(yīng)），這種不同波形的疊加使問(wèn)題趨于復(fù)雜。此外，傳感器本身還有所謂“振鈴”效應(yīng)（傳感器的響應(yīng)），從而導(dǎo)致輸出信號(hào)更加復(fù)雜。在許多情況下，如何從這樣一個(gè)比較復(fù)雜的信號(hào)中獲取有用信息就成了問(wèn)題的關(guān)鍵。
????? 2.2? 克服干擾噪聲的常用方法
????? 在詳細(xì)敘述AE信號(hào)處理方法前，簡(jiǎn)單介紹AE檢測(cè)技術(shù)中克服干擾噪聲常用的方法十分必要。在某種程度上，它們也就是AE信號(hào)的處理方法。
???? （1）選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率?? 早期進(jìn)行聲發(fā)射研究時(shí)，人們?cè)噲D利用可聽(tīng)聲頻段（<20kHz）并利用話(huà)筒作為傳感器。這樣，必須在夜深人靜時(shí)觀察聲發(fā)射信號(hào)，以盡量避免外面交通和人群等的噪聲干擾。直到20世紀(jì)60年代，一些聲發(fā)射工作者，特別是美國(guó)學(xué)者Dunegan意識(shí)到，聲發(fā)射信號(hào)可延伸至較高頻域，即數(shù)兆赫甚至數(shù)十兆赫，高頻段環(huán)境噪聲的影響比較小。由于絕大多數(shù)機(jī)械噪聲的頻率范圍最多只能達(dá)到幾十千赫，因此選擇諧振頻率為150~300 kHz或更高的傳感器能有效克服干擾噪聲的影響。對(duì)于類(lèi)似飛機(jī)機(jī)翼裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的AE信號(hào)，選擇更高一點(diǎn)的頻率（500~600 kHz）可能會(huì)更有利。
???? （2）利用差動(dòng)傳感器?? 這種傳感器由兩塊相反極性的晶片組成，其輸出送入差動(dòng)放大器的兩個(gè)輸入端。AE信號(hào)產(chǎn)生相反極性的信號(hào)，它們的差值被放大；電磁干擾信號(hào)的極性相同，由于前置放大器的共模抑制被大大削弱。
???? （3）進(jìn)行特殊的頻率濾波?? 有些干擾來(lái)自周?chē)囊恍┕潭o(wú)線(xiàn)電設(shè)備，如在利用聲發(fā)射進(jìn)行管道泄露測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)有調(diào)制干擾信號(hào)，其載波頻率為100 kHz，它是由附近的發(fā)射機(jī)引起的。濾波后，這種干擾即被抑制。
???? （4）引入電壓閾值或降低測(cè)試靈敏度?? 該方法可同時(shí)去除低于閾值的AE信號(hào)和噪聲信號(hào)。由于幅度大的AE事件對(duì)材料損傷的“貢獻(xiàn)”大，這一方法得到廣泛應(yīng)用。
???? （5）在源處阻止噪聲發(fā)生。
???? （6）噪聲源和傳感器間引入屏蔽或衰減介質(zhì)。
???? （7）使設(shè)備適當(dāng)接地或屏蔽。
???? （8）時(shí)間閘門(mén)?? 應(yīng)把這種閘門(mén)控制電路同后面的負(fù)載控制閘門(mén)和基于噪聲的閘門(mén)相區(qū)別。利用該閘門(mén)的一個(gè)最典型例子是焊接質(zhì)量測(cè)試和控制電路。為抑制來(lái)自電源開(kāi)關(guān)的噪聲，測(cè)試電路在噪聲活躍的大部分時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，它僅在焊接區(qū)固化，即在產(chǎn)生有用AE信號(hào)時(shí)才工作。
???? （9）負(fù)載控制的閘門(mén)?? 在疲勞試驗(yàn)中這一點(diǎn)特別有用。在周期性疲勞試驗(yàn)中，當(dāng)負(fù)載從張應(yīng)力變?yōu)閴嚎s應(yīng)力經(jīng)過(guò)零負(fù)荷點(diǎn)時(shí)，“后沖”會(huì)引起嚴(yán)重干擾噪聲；另外，即使在中間負(fù)荷段，裂紋表面的摩擦也會(huì)引起強(qiáng)烈的干擾噪聲。雖然后者在某些情況下可能會(huì)引起人們的研究興趣，但當(dāng)僅對(duì)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行研究時(shí)，它又會(huì)產(chǎn)生很大負(fù)面影響。為此，人們常采用電子閘門(mén)電路，使僅在負(fù)荷接近最大值時(shí)才記錄AE數(shù)據(jù)。這一方法已成為疲勞試驗(yàn)檢測(cè)能否成功的一個(gè)關(guān)鍵。
???? （10）基于噪聲的閘門(mén)?? 對(duì)一些特別噪聲，如雨水等，可使用一外加傳感器去專(zhuān)門(mén)探測(cè)，并在它出現(xiàn)時(shí)關(guān)閉主要測(cè)試電路。大型儲(chǔ)油罐的AE檢測(cè)常用到這種閘門(mén)電路。
???? （11）護(hù)衛(wèi)傳感器和空間濾波?? 這對(duì)構(gòu)件如飛機(jī)翼段某一特定區(qū)域檢測(cè)特別有用。在接有測(cè)試傳感器的區(qū)域之外裝上幾個(gè)護(hù)衛(wèi)傳感器，凡是護(hù)衛(wèi)傳感器先接收到的信號(hào)都被當(dāng)作噪聲而拒收；空間濾波則是基于被監(jiān)測(cè)區(qū)域產(chǎn)生的裂紋信號(hào)到達(dá)兩個(gè)或幾個(gè)傳感器的時(shí)差應(yīng)在一定范圍（窗口）之內(nèi)，只有符合這一條件的數(shù)據(jù)才被記錄，否則拒收。
???? （12）進(jìn)行前沿濾波。
???? （13）數(shù)據(jù)分析（模式識(shí)別、相關(guān)分析及聚類(lèi)分析等）?? 由于典型的AE信號(hào)總是由發(fā)生在很短時(shí)間內(nèi)的階躍式位移脈沖引起，又由于在很多情況下，結(jié)構(gòu)和傳播路徑基本都是固定的，所以接受到的AE信號(hào)的參數(shù)間的關(guān)系一般也是固定的，而其它干擾信號(hào)的源性質(zhì)與聲發(fā)射總是不同。這樣，利用參數(shù)相關(guān)圖可以有效識(shí)別信號(hào)。在一些更復(fù)雜的場(chǎng)合，可以利用自適應(yīng)濾波法，即從一組訓(xùn)練過(guò)的數(shù)據(jù)中，利用經(jīng)驗(yàn)性模式識(shí)別方法，提取聲發(fā)射源的特征。迄今為止，自適應(yīng)法的應(yīng)用尚不是很成功，原因是很難得到現(xiàn)成的、確定的噪聲，如裂紋摩擦噪聲引起的聲發(fā)射源的數(shù)據(jù)；其次，訓(xùn)練數(shù)據(jù)常同傳播路徑和傳感器有關(guān)，而同源本身無(wú)關(guān)。
????? 2.3????? 常用AE信號(hào)處理技術(shù)介紹
????? 聲發(fā)射信號(hào)處理技術(shù)所涉及的內(nèi)容十分廣泛，其技術(shù)復(fù)雜程度相差很大，它可以用最簡(jiǎn)單的有效值作為分析參數(shù)，也可以是一個(gè)十分復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)或?qū)＜蚁到y(tǒng)。在AE技術(shù)發(fā)展初期，人們就試圖仿效其它無(wú)損檢測(cè)方法，利用AE波形或頻譜分析來(lái)獲取有用信息，因而也是最精確的方法，并可導(dǎo)致對(duì)AE的定量認(rèn)識(shí)。但是，得到真實(shí)的AE信號(hào)本身是一件相當(dāng)困難的工作，而對(duì)一畸變信號(hào)進(jìn)行頻譜、相關(guān)分析等可能會(huì)導(dǎo)致一些錯(cuò)誤結(jié)論。因此，在AE技術(shù)發(fā)展初期，用得更多的是參數(shù)分析方法，并經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單參數(shù)分析到復(fù)雜參數(shù)分析的漫長(zhǎng)過(guò)程。近十幾年來(lái)，隨著模態(tài)聲發(fā)射理論和技術(shù)的逐漸成熟，人們又開(kāi)始對(duì)波形分析技術(shù)產(chǎn)生濃厚興趣。與此同時(shí)，小波分析、現(xiàn)代譜分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等技術(shù)也得到應(yīng)用，并取得很好的效果。各種AE信號(hào)處理方法示于圖3。
????? 2.4? 測(cè)量系統(tǒng)概述
????? 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，另一方面，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。因此，在闡述AE信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展時(shí)，我們必須同時(shí)敘述AE儀器的發(fā)展。
????? 所有的AE測(cè)試系統(tǒng)都由傳感器、放大器和分析系統(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)系統(tǒng)上。近幾十年來(lái)，這三部分的內(nèi)容（質(zhì)量）都在不斷更新，特別是AE傳感器和分析系統(tǒng)的發(fā)展。AE儀器的發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)不同時(shí)期，差不多相應(yīng)于20世紀(jì)后五個(gè)年代。最早出現(xiàn)的聲發(fā)射儀，可以簡(jiǎn)單到僅僅是一個(gè)測(cè)量信號(hào)有效值的毫伏表，或者是一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器，這是第一代AE儀器，代表了20世紀(jì)50~60年代的水平。70年代的聲發(fā)射儀器已使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，它把形成各種AE特征量輸出的多通道硬件模塊插在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，通過(guò)內(nèi)部總線(xiàn)與一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)小型計(jì)算機(jī)相連。除工作速度和存儲(chǔ)能力不足外，其最大缺點(diǎn)來(lái)自性能很差的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，各個(gè)通道的聲發(fā)射信號(hào)的采集、傳遞、計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示都要占用中央處理單元（CPU）的時(shí)間，不但速度慢，而且系統(tǒng)極易出現(xiàn)閉鎖狀態(tài)。稍后的第三代聲發(fā)射儀有所分離，并利用IEEE488標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)和直接內(nèi)存存取，系統(tǒng)在信號(hào)處理速度和實(shí)時(shí)顯示上有了一定改進(jìn)。
????? 80年代后期出現(xiàn)了利用并行處理技術(shù)解決實(shí)時(shí)采集和處理的儀器，如PAC公司的SPARTAN AT和LOCAN320等，使儀器在AE數(shù)據(jù)處理能力上有了較大提高（每秒數(shù)千個(gè)聲發(fā)射事件）。在這類(lèi)儀器中，為保證AE數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，把數(shù)據(jù)采集和信號(hào)的分析、顯示分開(kāi)。設(shè)計(jì)時(shí)，每?jī)蓚€(gè)通道形成一個(gè)單元，配有專(zhuān)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，
????? 而數(shù)據(jù)處理任務(wù)比較合理的分配給一些并行的計(jì)算單元，這樣，儀器的實(shí)時(shí)性得到大大增強(qiáng)。這應(yīng)屬于第四代AE儀器。
????? 90年代后，AE檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入了全數(shù)字式的第五代。它是在高速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。這樣做的好處是數(shù)字信號(hào)有良好的抗干擾特征，信息能夠準(zhǔn)確的發(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。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。
????? 圖4是一個(gè)典型的全數(shù)字式AE系統(tǒng)圖，它具有如下特點(diǎn)：
??? （1）??? 采用PC機(jī)的插板方式，只要把用于AE信號(hào)采集的AE DSP-32/16卡插入ISA（PC/AT）總線(xiàn)，配一臺(tái)性能良好的PC機(jī)，就可構(gòu)成2~256通道AE檢測(cè)系統(tǒng)。儀器的模塊式結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。
??? （2）??? 數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）卡采用了包括高速DSP（TMS320C40）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）在內(nèi)的最新器件，一塊卡包括兩個(gè)獨(dú)立的AE通道，由一個(gè)DSP進(jìn)行管理，DSP從主機(jī)取得程序和設(shè)置命令，在硬件提取傳統(tǒng)AE特征參數(shù)的同時(shí)，還可計(jì)算出附加的波形特征（頻率特征、信號(hào)波形特征、組合特征和由用戶(hù)開(kāi)發(fā)的其它特征）。由于DSP具有高速的并行處理、數(shù)據(jù)傳送和尋址能力，可在近乎實(shí)時(shí)的意義下完成數(shù)據(jù)記錄和附加特征的提取，這在以往AE儀器中是難以設(shè)想的。全數(shù)字式AE儀器的問(wèn)世為AE信號(hào)處理技術(shù)提供了一個(gè)全新的舞臺(tái)。
???? 使用DSP卡的第五代全數(shù)字式聲發(fā)射儀雖然比前幾代有了很大進(jìn)步，但本質(zhì)仍是參數(shù)聲發(fā)射儀，即硬件的輸出或顯示記錄存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)仍是實(shí)際聲發(fā)射信號(hào)波形基礎(chǔ)上提取的聲發(fā)射參數(shù)。DSP卡聲發(fā)射儀也都可配有波形采集，但波形采集平行于參數(shù)生成，計(jì)算機(jī)總線(xiàn)或總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用的限制不能實(shí)時(shí)多通道傳送波形數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，聲源定位信號(hào)分析等實(shí)時(shí)顯示分析的功能仍然只能由硬件輸出的參數(shù)完成。21世紀(jì)出現(xiàn)了硬件的輸出或顯示記錄存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)為聲發(fā)射波形的全波形聲發(fā)射儀，它的基本結(jié)構(gòu)是在DSP卡的第五代全數(shù)字式聲發(fā)射儀基礎(chǔ)上去掉DSP，改用高速計(jì)算機(jī)總線(xiàn)PCI，直接高速地將經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的全數(shù)字全波形聲發(fā)射數(shù)據(jù)送到功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)軟件完成參數(shù)生成及波形分析聲源定位等任務(wù)。這種全數(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。我國(guó)技術(shù)人員設(shè)計(jì)研制生產(chǎn)了世界上第一臺(tái)多通道全波形聲發(fā)射儀。
???? 3??? 結(jié)論
???? AE源機(jī)制的多樣性、聲波傳播途徑的復(fù)雜性、AE信號(hào)本身的突發(fā)性和不確定性以及干擾噪聲的嚴(yán)重性等因素都使AE信號(hào)的處理和分析面臨極其嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。盡管如此，目前人們還是有了一整套比較有效的AE信號(hào)處理和分析方法。了解并掌握這些方法對(duì)AE技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重要意義。