声发射系统的技术指标：最高采样速度的选择

问题： 如何选择最高采样速度呢？是否越高越好？
本文将从采样速度的基本理论、采样速度高与低的优劣点、声发射系统的应用要求与系统匹配3方面来进行讨论。

采样定理，又称香农采样定理，奈奎斯特采样定理，只要采样速率大于或等于有效信号最高频率的两倍，采样值就一定包含所有原始信号不会被漏掉任何一个信号。也就是说采样速度与信号的最高频率相关，至少两倍才不会漏掉任何一个信号。

正弦波叠加原理认为复杂信号可以由多个不同频率和幅度的正弦波表达（单个频率和幅度是特例）。如果最高频率的正弦波分量不会被漏，其它低频的就更不会被漏了。

显然，绝大多数应用要求不能只采集到1个值，还要求不同程度的采集到整个信号的完整信息。理论上采样速度无穷大，就能得到完整的信息，即没有任何失真的数字信号。也就是说采样速度越高，得到的数字信号越完整，如图实心点示意显示。

虽然理论上采样速度越高获得的数字信号越完整，但考虑到实际应用的成本，无法实现无限高甚至过高，只能选择合理（即满足应用要求）的采样速度。例如，采样速度40兆，数据量就比采样速度2兆的数据量高20倍，采样速度10兆则高5倍，都会给硬件软件还有体积带来很多倍的增加。如果采样速度高到无限，增加的数据量和成本也是无限的。总之，过高的采样速度带来过高的成本，是不能被接受的。只有选择合理的适中采样速度才是合理的。

合理的适中采样速度应该是多少呢？我们可以分两步确定合理的适中采样速度。

首先确定最高信号频率。例如已知最高信号频率1MHz。最高信号频率不能高于声发射系统中任何数据流程过程中硬件或软件的频率，例如使用的传感器带宽是10KHz-1MHz，则最高信号频率不能大于1MHz，否则传感器就会对大于1MHz的信号成分滤波和失真。同理整个数据采集系统各部分的电路频率带宽等。目前实际应用大多数要求（标准和传感器选择）是100-400KHz（金属损伤），其它应用例如非金属损伤，泄漏，碰撞等频率带宽都低于100-400KHz。学术研究也很少高于1MHz，实际市场上可以采购的传感器也没有大于1MHz的。也就是，实际应用最高频率为400KHz，少量学术研究最高频率可以达到1MHz。

然后确定1个最高频率的正弦波信号，要求半周采集到几个点，如图。5倍最高频率的采样速度就是半周采到3个点，大多数情况已经能保留足够时域波形和频域的信息用于应用。

按照正弦波叠加原理，最高频率成分只是实际信号的部分分量大多数情况是极小比例的分量，另外大部分信号频率分量小于最高频率。绝大多数低频分离每个半周期会采集到多于最高采样速度的3个点，失真也会小很多。

铅笔芯折断被认为是包括高频信号的模拟宽带声发射信号，被很多声发射标准指定为标准信号。图A和图B是铅笔芯折断信号的2MHz和10MHz采样速度的波形和FFT图，可见主要信息都能保留，波形与FFT差异不大。综上，5倍最高信号频率的采样速度能满足大多数实际的应用需要。

图A：铅芯折断信号，采样速度2M，波形和FFT图。

图B：铅芯折断信号，采样速度10M，波形和FFT图。

比较两图的纵坐标和低频饱和与否，说明高频分量极小没有也不影响绝大多数的实际应用。

图C：传感器（WI500/1）的灵敏度曲线。

由数据和理论计算表明，最高2MHz的采样速度满足最高信号频率400KHz的数据采样，满足包括金属损伤的大多数声发射应用要求。