从噪声到信息——声发射技术在流程工业中的应用

    工业过程中总是伴随着某些强能量或者弱能量的输出（热量、声音、振动等）。在制造业、运输业等许多过程中，声音的产生成为其内在固有的特性，而这些被人们定义为“噪声”的能量本身就蕴含着大量的信息。声发射技术就是针对整个过程中产生的“噪声”能量，在特定范围内对信号进行测量、采集、分析，最后得到能真实反映系统的信息[1]。

    近年来，声发射技术在流程工业中的应用越来越受到关注[2－3]。人们希望能够利用其自身特点，在恶劣的工业环境下工作，从而加强生产监控，提高产品质量[4]。 本文作者对运用声发射技术在气-固体系、液-固体系、气-液体系中的已有研究成果进行归纳综述，同时也对现有技术存在的问题进行了讨论。

    1 声发射技术基本原理、数据流程及设备组成

    文中所涉及的“噪声”能量不仅包括在可听声范围内（频率 2～20 kHz）的振动信号，而且还指向更广的频率区间（0～250 kHz）。声发射技术具有多种不同的应用形式，但在数据采集及处理的流程上具有共性，一般的数据流程（从噪声到信息）可归纳为如下 4 个部分。

   （1）传感器技术 包括传感器种类（加速度计、麦克风、水听器等）、数量（单个或多个）；固定方法（磁力、黏结剂、法兰等）；安装位置等。

   （2）数据采集技术 信号传输电缆；接地；信号训练、放大、滤波、A/D 转换等。

   （3）信号分析技术 信号的滤波、变换（快速傅里叶变换/FFT、小波变换/wavelet transform等）。

   （4）多元回归 目标参数与经过处理的信号进行多元回归，建立目标参数的预测模型。

    图 1 为基本数据流程示意图，从产生声音的物理现象开始，经过传感器捕捉，采集信号，再经过滤波、A/D 转换、信号分析等，最后进行多变量回归，建立信号与流程变量之间的模型。典型的硬件设备如浙江大学于 2003 年完成的一套声发射检测系统（Multi-AE）。该系统主要由声传感器（加速度计）、前置放大器、主放大器、数据采集卡、计算机和同轴电缆信号线等组成[5]。

    2 声发射技术在气-固体系中的应用

   气-固流化床作为化工生产中一个重要反应器，现已成为反应、干燥、造粒等工序的重要场所[6-7]。流化床内颗粒对壁面的无规撞击是壁面振动能量的白噪声激发源[8]。通过对产生的声发射信号进行全方位的数据分析[9]，可以得到有关流化床内部的具体信息，例如粒径分布、流动模式、料位、起始流化速度等。