聲發(fā)射系統(tǒng)的技術指標：最高采樣速度的選擇

問題： 如何選擇最高采樣速度呢？是否越高越好？
本文將從采樣速度的基本理論、采樣速度高與低的優(yōu)劣點、聲發(fā)射系統(tǒng)的應用要求與系統(tǒng)匹配3方面來進行討論。

1、基本理論

采樣定理，又稱香農采樣定理，奈奎斯特采樣定理，只要采樣速率大于或等于有效信號最高頻率的兩倍，采樣值就一定包含所有原始信號不會被漏掉任何一個信號。也就是說采樣速度與信號的最高頻率相關，至少兩倍才不會漏掉任何一個信號。

正弦波疊加原理認為復雜信號可以由多個不同頻率和幅度的正弦波表達（單個頻率和幅度是特例）。如果最高頻率的正弦波分量不會被漏，其它低頻的就更不會被漏了。

顯然，絕大多數應用要求不能只采集到1個值，還要求不同程度的采集到整個信號的完整信息。理論上采樣速度無窮大，就能得到完整的信息，即沒有任何失真的數字信號。也就是說采樣速度越高，得到的數字信號越完整，如圖實心點示意顯示。

2、采樣速度高與低的優(yōu)劣點

雖然理論上采樣速度越高獲得的數字信號越完整，但考慮到實際應用的成本，無法實現無限高甚至過高，只能選擇合理（即滿足應用要求）的采樣速度。例如，采樣速度40兆，數據量就比采樣速度2兆的數據量高20倍，采樣速度10兆則高5倍，都會給硬件軟件還有體積帶來很多倍的增加。如果采樣速度高到無限，增加的數據量和成本也是無限的?？傊?，過高的采樣速度帶來過高的成本，是不能被接受的。只有選擇合理的適中采樣速度才是合理的。

3、聲發(fā)射系統(tǒng)的應用要求與系統(tǒng)匹配

合理的適中采樣速度應該是多少呢？我們可以分兩步確定合理的適中采樣速度。

首先確定最高信號頻率。例如已知最高信號頻率1MHz。最高信號頻率不能高于聲發(fā)射系統(tǒng)中任何數據流程過程中硬件或軟件的頻率，例如使用的傳感器帶寬是10KHz-1MHz，則最高信號頻率不能大于1MHz，否則傳感器就會對大于1MHz的信號成分濾波和失真。同理整個數據采集系統(tǒng)各部分的電路頻率帶寬等。目前實際應用大多數要求（標準和傳感器選擇）是100-400KHz（金屬損傷），其它應用例如非金屬損傷，泄漏，碰撞等頻率帶寬都低于100-400KHz。學術研究也很少高于1MHz，實際市場上可以采購的傳感器也沒有大于1MHz的。也就是，實際應用最高頻率為400KHz，少量學術研究最高頻率可以達到1MHz。

然后確定1個最高頻率的正弦波信號，要求半周采集到幾個點，如圖。5倍最高頻率的采樣速度就是半周采到3個點，大多數情況已經能保留足夠時域波形和頻域的信息用于應用。

按照正弦波疊加原理，最高頻率成分只是實際信號的部分分量大多數情況是極小比例的分量，另外大部分信號頻率分量小于最高頻率。絕大多數低頻分離每個半周期會采集到多于最高采樣速度的3個點，失真也會小很多。

鉛筆芯折斷被認為是包括高頻信號的模擬寬帶聲發(fā)射信號，被很多聲發(fā)射標準指定為標準信號。圖A和圖B是鉛筆芯折斷信號的2MHz和10MHz采樣速度的波形和FFT圖，可見主要信息都能保留，波形與FFT差異不大。綜上，5倍最高信號頻率的采樣速度能滿足大多數實際的應用需要。

圖A：鉛芯折斷信號，采樣速度2M，波形和FFT圖。

圖B：鉛芯折斷信號，采樣速度10M，波形和FFT圖。

比較兩圖的縱坐標和低頻飽和與否，說明高頻分量極小沒有也不影響絕大多數的實際應用。

圖C：傳感器（WI500/1）的靈敏度曲線。

由數據和理論計算表明，最高2MHz的采樣速度滿足最高信號頻率400KHz的數據采樣，滿足包括金屬損傷的大多數聲發(fā)射應用要求。

審核編輯 黃宇