聲發(fā)射系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：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(yīng)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(nóng)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(guān)，至少兩倍才不會漏掉任何一個信號。

正弦波疊加原理認(rèn)為復(fù)雜信號可以由多個不同頻率和幅度的正弦波表達(dá)（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(shù)應(yīng)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(shù)字信號。也就是說采樣速度越高，得到的數(shù)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(shù)字信號越完整，但考慮到實際應(yīng)用的成本，無法實現(xiàn)無限高甚至過高，只能選擇合理（即滿足應(yīng)用要求）的采樣速度。例如，采樣速度40兆，數(shù)據(jù)量就比采樣速度2兆的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量和成本也是無限的?？傊^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(yīng)用要求與系統(tǒng)匹配

合理的適中采樣速度應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分的電路頻率帶寬等。目前實際應(yīng)用大多數(shù)要求（標(biāo)準(zhǔn)和傳感器選擇）是100-400KHz（金屬損傷），其它應(yīng)用例如非金屬損傷，泄漏，碰撞等頻率帶寬都低于100-400KHz。學(xué)術(shù)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(yīng)用最高頻率為400KHz，少量學(xué)術(shù)研究最高頻率可以達(dá)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(shù)情況已經(jīng)能保留足夠時域波形和頻域的信息用于應(yīng)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(shù)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(shù)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)指定為標(biāo)準(zhǔn)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(shù)實際的應(yīng)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(biāo)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(shù)的實際應(yīng)用。

圖C：傳感器（WI500/1）的靈敏度曲線。

由數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采樣，滿足包括金屬損傷的大多數(shù)聲發(fā)射應(yīng)用要求。

審核編輯 黃宇