（精密仪器及机械专业论文）小提琴共鸣箱点阻抗特性的测试与分析(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 小提琴是世界上最优美的乐器，表现力丰富，表现手法复杂多样。在小提琴 的制作方面，高档次的小提琴是手工制作的，小提琴的质量主要靠制作者的手工 技巧和经验来保证，制作过程缺少必要的理论指导。小提琴的设计制作主要是考 虑其声学性能，在组成小提琴的各个部件中，共鸣箱是最基本、最重要的组成部 分，其振动特性是影响小提琴声学性能的主要因素。 目前国内外已经有一些共鸣箱式弦乐乐器的相关研究，却鲜有能指导这类乐 器传统手工加工的方法。 鉴于小提琴共鸣箱传统手工制作的过程特征以及制作者的需要，本研究课题 利用工程测试的方法，研究共鸣箱的振动特性，尝试将共鸣箱的音响品质以点阻 抗参数来量化，为小提琴的手工制作提供一种便捷有效的测试设备和制作指导方 法。 本课题的主要研究方法是机械阻抗试验方法，以小提琴共鸣箱为研究对象， 主要工作分为硬件设计和软件设计编制两部分。系统硬件部分主要由笔记本电脑、 p c m c i a 数据采集卡、传感器和电荷放大器组成。数据采集卡选用美国q u a t e c h 公 司生产的d a q p 1 2 型的p c m c i a 卡，可以实现双通道数据的采集。软件部分分为数 据采集和数据分析两部分，数据采集模块采用“虚拟仪器”的设计思想，开发平 台选用美国n i 公司的l a b w i n d o w s c v l 6 0 软件，系统界面操作简单方便系统界面 操作简单方便。数据分析部分主要是对数据做相应的分析处理，分析得出小提琴 面板上各点的点阻抗，并绘制出小提琴面板的等刚度的灰度图。 根据本文所做的工作，小提琴制作者可以在制作过程中测出相应的点阻抗值， 通过与高品质小提琴参数的比较，及时地改进和优化共鸣箱的制作过程，提高制 作水平。也可以通过等刚度图的绘制，给成品提琴的修理方面作一定的指导。 关键词：小提琴，共鸣箱，点阻抗，振动测试，虚拟仪器 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev i o l i ni st h em o s te x q u i s i t em u s i c a li n s t m m e n ti nt h ew o r l d w h i c hi sa f f l u e n t i ne x p r e s s i o na n db e h a v e si nm u c hm o r ed i v e r s em e a n s t h em a k i n go fv i o l i ns t a r t e d r e l a t i v e l yl a t ei no u rc o u n t r y , t h eh i g hq u a l i t yv i o l i n sw e r eu s u a l l ym a d eb yh a n d ，a n d t h em e t h o do fm a k i n gv i o l i n sd e p e n d so nt r a d i t i o n a lc r a f ta n de x p e r i e n c em a i n l y , t h e q u a l i t yo fv i o l i n sa r em a i n l yb yt h em a k e r sc r a f ts k i l la n de x p e r i e n c e ，t h ew h o l ev i o l i n m a k i n gp r o c e d u r ew a sl a c ko fe s s e n t i a lt h e o r e t i c a ld i r e c t i o n s t 1 l ed e s i g na n dm a k i n go f v i o l i nm a i n l yt a k ea c c o u n to ft h e i ra c o u s t i c sp e r f o r m a n c e ，i na l lt h ep a r t so ft h ev i o l i n ， t h ev i o l i nb o d yi st h em o s tb a s i ca n dm o s ti m p o r t a n tp a r t i ti st h em a i nf a c t o rt h a t i n t l u e n c et h ea c o u s t i c sp e r f o r m a n c eo ft h ev i o l i n a 1 t h o u g ht h e r eh a ds o m er e l e v a n tr e s e a r c ho fa c o u s t i c a lr e s o n a t o rt y p es t r i n g e d i n s t r u m e n ti nt h ew o r l da tp r e s e n t b u th a dl i t t l em e t h o dt og u i d et h et r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r eo ft h i sk i n do fm u s i c a li n s t r u m e n t c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fv i o l i na c o u s t i c a lr e s o n a t o rt r a d i t i o nh a n d c r a f t p r o c e s sa sw e l la sm a k e r l sn e e d o u rs t u d yi sb a s e do nt h er e s e a r c ho fa c o u s t i c a l r e s o n a t o rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw i t ht h ee n g i n e e r i n gm e a s u r e m e n tm e t h o d ，a t t e m p tt o g a u g et h ea c o u s t i c a lq u a l i t yw i t ht h ep o i n ti m p e d e n c ep a r a m e t e ra n dd e v e l o pak i n do f a p p r a i s a lb a s i sa n dc o n v e n i e n te f f e c t i v eo p e r a t i n gp r o c e d u r e t h em a i nr e s e a r c ht e c h n i q u ei nm ys t u d yi st h ee x p e r i m e n to fm e c h a n i ci m p e d a n c e ， t h es t u d yw o r k si n e l u d et w op a r t s ：h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n h a r d w a r e c o n f i g u r a t i o n j n c l u d e sn o t e b o o k c o m p u t e r , p c m c i ac a r d ，s e n s o r s a n dc h a r g e a m p l i f i e r s c a r dd a q p - 1 2i ss e l e c t e df o rd a t aa c q u i s i t i o nw h i c hi sp r o d u c e db y a m e r i c aq u a t e c h i n ct h a tw h i c hc a l lr e a l i z et h eb i p a s sd a t aa c q u i s i t i o nf u n c t i o n s o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e st w om o d u l e s ：t h ed a t aa c q u i s i t i o na n ds i g n a la n a l y s i sm o d u l e t h ec o n c e p to f “v i r t u a li n s t r u m e n t ”i su s e dt od e v e l o pt h es o f t w a r es y s t e m t h e p l a t f o i t no ft h ed a t aa c q u i s i t i o ni sl a b w i n d o w s c v i6 0w h i c hi sd e v e l o p e db ya m e r i c a n a t i o n a li n s t r u m e n t i n c o p e r a t i o no ft h es y s t e mi sv e r ys i m p l e t h ea n a l y s i sm o d u l ei s t og a t h e r st h ed a t at om a k er e l e v a n ta n a l y s i sp r o c e s s i n g ，a l s od i s p l a y st h ec o n t o u rl i n e o fp o i n ti m p e d a n c ec h a r t t h ew o r kd o e sw h i c ha c c o r d i n gt ot h i sa r t i c l e v i o l i nm a k e rm a ym e a s u r et h ep o i n t i m p e d e n c e b yc o m p a r i s o nw i t ht h eh i g hq u a l i t yv i o l i np a r a m e t e r , t h em a k e rm a y p r o m p t l yt h ei m p r o v e m e n ta n dt h eo p t i m i z e da c o u s t i c a lr e s o n a t o rm a n u f a c t u r ep r o c e s s ， r a i s e st h em a n u f a c t u r e u g ht h ec o n t o u rl i n eo fp o i n ti m p e d e n c ec h a r t s o m e c o n s t r u c t i v ea d v i c ec a nb ea d o p t e df o rt h er e p a i ro fv i o l i n k e y w o r d s ：v i o l i n ，v i o l i nb o d y , p o i n ti m p e d e n c e ，v i b r a t i o nt e s t ，v i r t u a li n s t r u m e n t i i 诹i ；l 圭工繁失港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导卜- ，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：；勿彩日期：”锌f 月；2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名 日期：洲绰，月22 ，日 指导蝴签名：咭妒喝 日期：确年夕月，日 萄 呤 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章概述 1 1 小提琴及其制作概述 1 1 1 小提琴的构造 小提琴是。种在世界上广泛使用的高雅乐器，同时它也是一种非常精妙的乐 器。现在的四弦小提琴是1 6 世纪从老式的三弦小提琴发展来的，1 6 5 01 7 3 0 年间 经意大利斯特拉迪瓦里、阿马蒂和瓜尔内里等家族加以改进而臻于完美。后来的 改良包括加长指板，增加腮托，用钢丝和尼龙丝取代肠线琴弦等。小提琴包括琴 身( 包括琴头、琴颈、指板和共鸣箱) 、琴弦系统( 包括弦轴、挂弦板、琴马和琴 弦) 和琴弓。琴身为木制结构，以槭木和云杉为原材料配合制造的音色最佳；琴 弦为金属丝；琴弓由马尾制成。小提琴属提琴族乐器中的高音乐器，艺术表现力 丰富，音色优美、表达含蓄、变化多端，具有歌唱般的魅力”l 。小提琴又是最具表 现力的乐器之一，演奏技巧极其丰富，作曲家们经常用以引发作品的基调。 小提琴从头到脚都是木结构胶合而成，并且重量是轻的出奇，通常琴的面板 承受的压力有1 1 公斤，而四根弦定准音后的张力可达到3 0 公斤。弦的音高依次 为g 、d 、a 、e 。 1 1 2 小提琴共鸣箱 小提琴的设计主要是考虑音响性能，共鸣箱是小提琴的发音器，对小提琴的 音量和音色品质起着中要的作用。没有共鸣箱，小提琴是发不出声音的。小提琴 的共鸣箱主要由面板、底板、侧板、f 形发音孔、音柱、低音梁几个部分组成。 在小提琴的振动中，来自琴弦的振动能量通过弦马传递到琴板，琴体以及近 乎封闭的箱内空间，引起琴体及其中空气的振动而辐射声波。这里既有弦的振动 也有板的振动和空气振动，各有其固有频率，形成整个乐器的频率响应特征。琴 体的面板、背板、音柱、低音梁、侧板、发音孔，均有各自的声学功能。 面板是一个中间隆起，往四周渐趋于水平的的薄壳体。从力学上说，拱形板 比平板抗压应力强，因此可以做得更强、更轻，且更有弹性而利于振动。背板的 作用虽不如面板重要，但是作为琴箱体的不可或缺的组成部分，它也具有本身的 湖北工业大学硕士学位论文 声学功能。面板的振动主要通过音柱和侧板传到背板。背板的振动虽然远不如面 板那样强，但也辐射高频声波并有自身的固有频率。背板的重要作用，还在于和 面板、侧板构成琴箱体。箱体内适当容积的空气振动，对发音十分重要，尤其是 对照音。 面板左边的背面，有一条类似龙骨的纵长木条，即低音梁。它的中段最高点， 正处于弦马左脚之下，弦马的振动能量即通过它传到整个面板和琴体。这根梁条 与面板粘合的底面，弧度做得比面板背面的凹弧略小，即放在面板背面浚梁条粘 合位置上，梁条的两端略翘起，然后强制粘于面板背面以此增强面板的应力。这 样，在受到弦马左脚传来振动时，就会更有弹性地使面板强烈振动。 f 形发音孔不仅是为了美观，而且具有使面板更具弹性易于振动的作用。发音 孔还具有使琴体内空气得以自如适当振动的重要作用。提琴上的f 形音孔，不仅 比它以前的弓弦乐器的其它形状音孔更为美观，而且它的开孔面积、形状和位置 也合乎声学原理。小提琴面板中段两个凹腰之间的区域是最具刚性不易振动的， 在这区域 x 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章国内外的相关研究和评估 根据网络信息检索相关学术论文和科技查新调研，近些年来，随着测试理论 和高灵敏度传感技术的发展，国内外已经有一些与共鸣箱式弦乐乐器相关的研 究，大致可以分为如下几类： 2 1 振动的分析方法 n t n u 的l h m o s e t 教授利用振动的方法分析了小提琴的振动特性，他所研 制的测试装置。1 如图2 1 所示。 图2 1l h m o s e t 教授的测试装置 m o s e t 教授试图通过试验的方法找到小提琴在演奏时的振动状况。在他的测试 装置里有一个力传感器和一个加速度传感器，力传感器测试琴弦上的激振力，而 通过设置在琴马( b r i d g e ) 附近的加速度传感器则测试共鸣箱体面板的加速度， 从而得到箱体的振动状况。因为小提琴手( p l a y e r ) 可能会在演奏时干扰试验， 所以他设计了如图2 1 的支撑方式。利用s u p p o r t 和s h o u l d e rs u p p o r t 模拟了小 提琴在演奏过程中的支撑状态。 i o s e t 教授认为小提琴的发音是通过琴马把琴弦的振动传递给共鸣箱体，引起 箱体的共鸣从而发出乐音，所以如何在测试装置里如何激振是他研究的兴趣所在。 4 湖北工业大学硕士学位论文 图2 2lh m o s e t 教授的测试系统的激振方式 如图2 2 所示的激振方式，m o s e t 教授认为小提琴在演奏( p l a y ) 过程中是利 用弓( b o w ) 来激振弦( s t r i n g ) ，可是这种激振的模式是很难用模拟的方法获得， 所以测试系统中设计了压在琴弦上的音锤( h a m e r ) 激振。因为力锤敲击释放的 脉冲在理想状态下的激励相当于用所有频率的正弦信号同时激振。 m o s e t 教授研究方法就是模拟演奏的真实状况，而且他假定小提琴的振动是一 个线性系统；所以他的研究成果只能定性的分析成品提琴的声音品质。 2 2 模态的分析方法 2 2 1 实验模态分析 小提琴的几何模型比较复杂，含有比较复杂的三维曲面。n t n u 应用光学教授 o l ej k k b e r g 以m o s e t 教授的试验装置为支撑平台利用激光全息干涉的方法对 小提琴的共鸣箱体的振动进行了测试。在查阅的大量资料里我们未能知道l g k b e r g 的具体测试方法以及测试装置，但是我们从现有的光学测试技术里可以推测出他 的这种测试方法应该具 x 湖北工业大学硕士学位论文 图2 5 吉他项板结构测点布置图 在测试过程中，将加速度计固定放置于顶板7 # 点测量脉冲响应，脉冲顺序 对各测点进行脉冲激励。通过模态分析的一些理论，求出实验吉他的模态振型和 参数。他综合实验吉他六弦弹奏声音历程及频谱分析，并根据现场弹奏者声质听 觉比较，初步得出：当琴弦振动频率与琴身振动模态频率耦合时，琴弦振动会激 发琴体相应的固有模态振动，弦振声易产生声波持续时问长、且具有和弦音的效 果1 。他的研究仅仅局限于吉他结构的实验模态分析及弹奏声的频谱分析。却并 没有得出结构振动模态与吉他弹奏音质的关系特性。 2 2 2 理论模态分析 运用有限元法建立小提琴共鸣箱体的参数化有限元模型，对小提琴共鸣箱体 的振动模态进行了理论上的分析和计算，并且分析了小提琴共鸣箱体的几个主要 结构参数的变化对小提琴共鸣箱体振动特性的影响。小提琴的面板属复杂的三维 曲面，而且没有精确的数学方程描述。在研究中使用a n s v s 软件，采用的是“切片 近似法”，利用循环结构对面板曲面作了8 0 次“切片”最后用a s l ( i n 命令扫略过 所有这些截面曲线而建立箱体的近似体，如图2 6 。 在建立了小提琴共鸣箱体的分析模型后，取壳体的厚度，侧板的高度，面板 的拱高结构参数为对象分析各个结构参数对箱体振动特性的影响，然后利用有限 元的理论建立了各个结构参数的参数化有限元模型，并逐个加以分析。最终提出 了基于频率值的共鸣箱结构优化设计。他的研究以理论的推导为主，以分析箱体 振动模念为主线，没有进一步研究与实际生产制作相结合的契合点。 j j ， 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章测试系统的总体设计方案分析 3 1 振动测试与信号分析的发展概况 目前，信号分析技术已经被广泛应用于许多学科和领域，研究结构的动态变 形和内力是个十分复杂的问题，它不仅与动力载荷的性质、数量、大小、作用方 式、变化规律以及结构本身的动力特性有关，还与结构的组成形式、材料性质以 及细部构造等密切相关。通过有限元动力分析计算方法可以解决许多结构振动方 面的问题，但所依据的模型和边界条件仍然不可能完全符合实际情况。尤其是对 于复杂结构，或者牵涉到较复杂的非线性机理时，单靠现有的振动理论和计算方 法来作分析判断，往往是不够的。在观察、分析、研究结构产生振动的原因及其 规律时，除了理论分析之外，通过振动试验或直接进行振动测试始终是一个重要 的，不可或缺的手段。对实际设备产品或结构模型进行振动试验可以解决复杂结 构振动问题，其中包括结构的动力特性或抗振能力。也只有在试验过程中，才能 观察到振动的新现象，进而建立符合实际的、合理的简化模型，并验证现有理论 的可靠性和适应性。振动测试是振动试验中获取振动信号数据的必要手段9 1 。 3 2 振动测试系统的工程应用 振动测试是指测量并记录振动物体的某些指定位置上的振动响应随时间变化 的过程，而振动测试系统就是测量并记录振动物理量的设备或系统。在计算机技 术发展迅速和广泛应用的今天，以计算机为主体的振动信号采集和存储系统完全 替代了古老的光记录和磁带记录设备，且数字化的振动信号为振动信号处理技术 开辟了广阔的应用天地。一般来说，基本的数字化振动测试系统主要由振动信号 测量部分和振动数据采集部分组成。 振动信号测量部分由获取振动信号的传感器以及将传感器所输出的电信号进 行加工的放大器或变换器组成。振动测试传感器又称为拾振器，是将振动信号变 换成电参量的一种敏感元件。换句话说，振动测试传感器的作用是将被测的振动 物理量转换成以电量如电压、电荷或电参量如电阻、电容、电感等为主要形式的 信号。由于不同传感器输出信号电参量的单位或量级是不一样的，往往需要通过 相应的放大器或变换器对不同种类的电信号进行诸如放大、调制解调、阻抗变换 湖北工业大学硕士学位论文 等的处理加工，使之变成为满足需要的模拟电信号。 振动数据采集部分由转换模拟信号为数字信号的数据采集器以及操纵数据采 集器进行采样并保存数字信号的计算机和采集软件系统组成。数据采集器的工作 过程为首先按一定的等时间长度对模拟信号进行采样即离散化，然后将离散时问 信号的每一瞬时模拟量通过模数转换装置转换成数字量即量化，得到时问离散的 数字信号。 随着动态测试技术理论的发展和生产中对测试需求的r 益增长，高质量的测 试仪器和现代化的测试方法不断出现。从最初的机械式测振仪，发展到今天，各 种应用物理学原理制成的传感器、高精度高速率的数据采集系统、f f t 分析仪、结 构动力学分析软件已在如f 领域得到广泛的应用”： ( 1 ) 动力强度试验。某些结构、设备、仪器仪表等往往不得不在振动或冲击 的环境中使用或运行，因此必须在满足实际使用环境所规定的振动或冲击条件下 对产品设备进行振动或冲击试验，以检查产品的耐振寿命，性能的稳定性，设计、 制造、安装的合理性等，这称为动力强度试验，也称为环境模拟振动试验。 ( 2 ) 结构动力特性测试。对测试得到的振动激励信号和响应信号进行频域分 析或直接对振动响应信号进行时域分析，采用试验模念参数识别方法，可以求出 结构的各阶固有频率、阻尼比及振型等相应的模态参数估计值。 ( 3 ) 抗地震性能试验。对建筑结构模型、设备仪器等试件输入实际地震记录 或根据抗震规范提供的反应谱生成的人工地震信号进行激励，测试结构或设备的 振动响应，按照相应的标准或规范分析并确定结构或设备抗地震的性能。 ( 4 ) 机械设备的状态监测和故障诊断。通过对机械设备的某些部件振动或噪 声进行测试，并根据所测得的信号( 包括振动、冲击、噪声信号) ，运用信号处 理分析技术，把反映故障发生的征兆分析诊断出来，及时采取预防和维护措施， 保证机械的正常运转，避免重大事故的发生。 ( 5 ) 结构动力检测。利用结构的动力响应识别结构模态参数或物理参数，并 进而评价结构性能、判别结构是否有损伤或损伤的位置及程度，以便采取修补或 加固措施。 ( 6 ) 核电站、水库水坝、特大桥梁、发射塔等重大工程设施的强震安全监测。 例如通过大坝周围的地震监测网站和设置在大坝上的强震监测仪器监测大坝所在 地区发生的强震信号或大坝水库蓄水期间发生的水库诱发地震信号以及大坝的强 震信号，并根据这些振动信号对大坝的抗震安全进行综合分析与评价，制定相应 的措施。 ( 7 ) 振动疲劳试验。用低于破坏强度的载荷对被测物体进行长时间的振动加 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 载，直至物体发生疲劳机械损坏。通过疲劳试验可以研究被测物体材料疲劳寿命， 为设计长期处于振动环境中的结构或产品设备提供必要的依掘。 3 3 瞬态激振法在机械振动测试与分析系统中的应用 脉冲激振是一种瞬态激振方法。实际进行脉冲激振时是用锤击法实现的，它 可以使得结构受到一个瞬态的宽频带冲击力而产生振动响应，用锤击法产生脉冲 激励信号是一一种最简便的激振方法，它尤其适用于中小型低阻尼结构的激励。基 本测试系统如图3 1 所示。脉冲锤由锤头、力传感器、锤柄及配重所组成。 冲锤 图3 1 瞬态激振基本测试系统 脉冲函数在一o 。+ 一的整个频率范围的频谱是连续恒定的，用一个脉冲函 数激励相当于用所有频率的正弦信号同时进行激励“。锤击法的一个显著优点就 是用一把力锤和加速度计就能测试一个结构包括振型在内的完整的动力特性。3 。具 体方法是将加速度计固定，依次用力锤敲击结构的其他测点，可以测试得到不同 点的单点激励的固定点的单点响应的一系列时域信号。经处理，可获得频响函数 矩阵中的一行，并由此求得由多个点的实测频响函数所构成结构完整的动力特性。 3 4 系统的总体设计原则 通过前期调研，我们发现高档小提琴的加工都是有经验的加工师在一整块原 木上凿出来的，这种加工需要长时间的经验积累，而且加工的方法是很难用理论 湖北工业大学硕士学位论文 进行传播和继承的，这也就导致了高档小提琴动辄几百万天价的价值。我们希望 能通过机械测试的方法建立高档小提琴振动特性的数据库，找到高档提琴振动特 性和声学品质之间的关联。鉴于小提琴的手工加工过程的特殊性，我们采用机械 阻抗的度量方法，使得即使没有太多经验的加工师也能借助我们的分析系统在较 短的时间内掌握加工高档优质提琴的方法。因此系统的设计原则就是测试结构简 单、评价结果直观，以期能指导高档小提琴手工制作。 整个测试系统由硬件数据采集部分和软件数据处理部分组成。仪器的硬件部 分由力锤脉冲激振部分、传感器、电荷放大器、p c m c i a 数据采集卡组成；软件部 分由双通道实时示波、信号f f t 分析、点阻抗图的绘制程序部分组成，并可存储 相关的数据及数据分析结果。系统整体从功能上分为信号采集与实时示波模块和 信号分析模块两大部分。信号采集与实时示波模块主要完成共鸣箱振动信号的采 集和数据存储工作。信号分析模块实现信号f f t 分析，计算出对应各振动点的刚 度值和绘制面板的点阻抗分布状况的灰度图。 3 5 硬件选择及配置 为确保仪器系统的整体体积较小易于携带适于现场作业，选择硬件时尽可能 选择体积小、性价比高的产品，所挑选的硬件包括笔记本电脑，p c m c i a 数据采集 卡，传感器及电荷放大器，所有设备只需一个笔记本电脑包即可装下，携带非常 方便。 传感器和电荷放大器均购买专业生产厂家的产品，以保证系统测试精度。选 择阻抗头5 6 0 1 作为传感器使用，同时具备力传感器和加速度传感器。经试验分析， 需检测的加速度测量范围小于2 m s 2 ；测量的频率范围小于3 0 0 0 h z ；灵敏度越高越 好；阻抗头的安装方式是利用螺钉与力锤安装在一起，阻抗头5 6 0 l 的部分主要性 能如下： f o rt h ea c c e le r o m e t e r ( 自口女度) c h a r g es e n s i t i v i t y ( 电荷灵敏度)3 0 p c 屈 v o l t a g es e n s “i v i t y ( 电压灵敏度)2 5 m v g t r a n s v e r s es e n s i t i v i t y ( 最大横向灵敏度) 5 f r e q u e n c yr a n g e ( 频带范围) 1 6 0 0 0 h z l i n e a r i t y ( 线性度) 1 0 mq ( 典型) ( 1 1 ) 支持“热插拔”，使用方便； ( 1 2 ) 标准p c m c i a i i 型尺寸：8 5 6 m mx5 4 o h h nx5 o m m ，与笔记本配合使用， 实现真正的便携式测试。 湖北工业大学硕士学位论文 图4 2 是d a ( p 1 2 的内部原理图。 8 路差分或l 虹挖增；赫 1 6 路单端模h i， 拟输入r 、下 程择2 4 位时ll i 描列表 钟 数字i o 采样拄制 d 转换 器 2 k 数据 n f 0 存 储器 接l j i 信息 储器 图4 2 a d 号内部原理图 d a q p 一1 2 卡默认程控增益等于1 时它的双极性电压输入范围总是为1 0 v ，a d 转换器输出的数据格式为1 2 位偏移二进制格式，一个采集点大小为2 个字节。a d 转换器采集一个点的时间是2 “s ，而转换成电压的时问4 i 超过8 肛s ，数据转换后将 直接反馈送入数据f i f 0 储存器。数据f i f 0 储存器带有2 0 4 8 个采样点的数据缓冲区， 它有两个可编程端口，一个标志存储器满，一个标志存储器空，d a q p 一1 2 卡使用前 一个端口，而忽略后一个。当采集程序在执行触发命令( a r m t r i g g e r ) 开始数 据采集之前，将预先刷新数据f i f o 存储器，此时数据f i f o 存储器竖起“空”标志， 当采集开始后只要有数据离开数据f i f o 存储器，“空”标志就被清除。当数据f i f o 存储器中的数据缓冲区存满后，它将设置“满”标志，数据缓冲区中的数据点数 小于2 0 4 8 时，“满”标志将被清除。美国q u a t e c h 公司为其公司生产的各类数据采 集卡提供了一套功能强大的通用系统驱动软件d a q d r i v e 作为数据采集的软件接 口。d a q d r i v e 具有很高的灵活性和适应性。 4 3 3d a o p 一12 卡的使用和编程 d a q p 一1 2 卡为即插即用数据采集卡，美国q u a t e c h 公司为其公司生产的各类数 据采集卡提供了一套功能强大的通用系统驱动软件d a q d r i v e 作为数据采集的软件 接口。d a q d r i v e 具有很高的灵活性和适应性，其被分成两部分。第一部分包括应 用程序接口( a p i ) ，并负责内存管理、文件i 0 及其它与硬件无关的函数；第二 部分与硬件直接相关并完成对硬件设备的操作。d a q d r i v e 是采用面向数据的接口， 1 9 篆洲 时= 湖北工业大学硕士学位论文 而不是面向功能的接口。对所需进行的数据采集操作，是通过一系列的参数设置 来定义操作，而不是通过调用若干函数完成。这是它与其它的软件接口非常不同 的一点。d a q d r i v e 驱动软件提供了丰富的函数使应用程序能有效完成数据采集卡 的启动、采集丌始前各项采集参数的配置、信号的采集和传输等工作，在数据采 集程序中，程序丌发者将调用一系列函数，这些函数充当d a q d r i v e 宏，作用是配 置所有必需的数据结构并执行所有预先定义好的各项操作，编程中使用到的核心 数据结构如下”2 。”： ( 1 ) a l l o c a t er e q u e s t a l l o c a t er e q u e s t 的原型定义为： s t r u c t a 1 1 0 c a t e r e q u e s t u n s i g n e dl o n gr e q u e 乳t y p e ：丰请求类型 u n s i g n e ds h o r tc h a n n e 上a r r a yl e n g t h ：丹采集通道数 u n s i g n e ds h o r tn u m b e ro f _ b u f f e r s ： 丰所用缓存区个数$ u n s i g n e dl o n gb u f f e r s i z e ：肛每个缓存区空间十 u n s i g n e dl o n gb u f f e r a t t r i b u t e s ：肛缓存区属性 v o i df a r 术 m e m o r y p o i n t e r ：术内存指针丰 u n s i g n e dl o n gm e m o r y _ h a n d l e ：木内存地址木 ) ： d a q p 一1 2 卡进行采集时，先将数据进行a d 转换，然后将数字信号送入计算机 内存中。a 1 1 0 c a t e r e q u e s t 为此内存定义了首地址和空间大小。 ( 2 ) a d c j e q u e s t a d c _ r e q u e s t 结构定义了数据采集发生的必要参数，其原型如下： s t r u c t a d c r e q u e s t u n s i g n e ds h o r tf a r 丰c h a n n e 上一a r r a y p t r ：肛采集通道序列术 f l o a tf a r 4 9 a i n a r r a y - p t r ： 序程控增益序列 u n s i g n e ds h o r ta r r a y _ l e n g t h ：序采集的通道数目$ s t r u c td a q d r i v e _ b u f f e rf a r $ a d c - b u f f e r ：a 指向数据缓存区的指针 u n s i g n e ds h o r t t r i g g e r s o u r c e ： 术触发源 u n s i g n e ds h o r tt r i g g e r m o d e ：木触发模式 u n s i g n e ds h o r ti o - m o d e ：丰数据输入模式 湖北工业大学硕士学位论文 d o u b l e s a m p l e r a t e ： $ 采样频率( h z ) u n s i g n e dl o n gn u m b e r _ o fs c a n s ：胁每个通道的扫描次数 u n s i g n e dl o n gr e q u e 趴s t a t u s ： 丰用于监控事件请求状态 1 ( 3 ) d a q d r i v f b u f f e o d a q d r i v f _ b u f f e r 定义了单个缓存区的内部结构，其结构原型为： s t r u c td a q d r i v eb u r f e r u n s i g n e ds h o r tb u f f e r s t a t u s ：序监视控制当前数据缓存区的状态 v o i dh u g e $ d a t a b u f f e r ： 胁数据缓存区的地址指针 u n s i g n e dl o n gb u f f e r - l e n g t h ：$ 数据缓存区大小 u n s i g n e d1 0 n gb u f f e r c y c l e s ：序仅d a 数字输出时使用 s u c td a q d r i v eb u f f e rf a r n e x ts t r u c t u r e ： 胁指向下一数据缓存区的 指针 ，： 选用何种数据结构柬来实现数据缓存区是十分关键的问题，因为它不仅要非 常方便的实现数据采集和数据处理两个环节的数据传输，还要保证在此过程中数 据不丢失、不重取。同时还可以对数据采集过程中可能出现的各种错误进行监控 并进行错误处理，从而保证了程序的稳定运行”“。使用d a q p 一1 2 卡进行信号采集 的应用程序运行过程如图4 3 。 采集程序中按照如下这六个基本步骤即可完成对数据采集硬件的操作和数据 采集工作： ( 1 ) 启动数据采集硬件 c h a r 丰d e v i c e t y p e = ”d a q p 一1 2 ”：半定义数据采集设备名称$ c h a r d l l _ n a e = ”d a q p w i n d 1 1 ”： 术调用d l l 文件丰 c h a r c o n f i g - f i l e = ”d a q p 一1 2 d a t ”： 术定义硬件资源配置文件，文件 路径为当前目录 s t a t u s = d a q ( ) p e n d e v i c e( d l l n a m e ， l o g i c a l 一d e v i c e ， d e v i c e t y p e ， c o n f i g f 订e ) ： d a q o p e n d e v i c e 函数用于启动数据采集卡。文件d a q p 一1 2 d a t 中包含了数据采 集硬件的各种硬件资源信息，此文件必须在进行数据采集之前进行配置。 d a q o p e n d e v i c e 读取d a q p 1 2 d a t 文件中的信息并初始化硬件，并给变量 湖北工业大学硕士学位论文 l 。g i c a 上d e v i c e 赋值，l o g i c a 上d e v i c e 是以后各函数识别d a q p 1 2 卡的唯一标志。 图4 3d a q p 1 2 卡采集工作流程图 ( 2 ) 读入数据采集硬件信息 s t r u c ta d cc o n f i g u r a t i o na d c i n f o ： g a i n 一1 i s t = ( f l o a t 丰) m a l l o c ( a d c i n f o g a i n a r r a y l e n g t h 术 s i z e o f ( f l o a t ) ) ： s t a t u s = d a q g e t a d c f g i n f o ( 1 0 9 i c a l 一d e v i c e ， 0 ，a d c i n f o ) ： s t a t u s = d a q g e t a d g a i n i n f o ( 1 0 9 i c a l d e v i c e ，o ，g a i n _ l i s t ) ： 函数d a q g e t a d c 纯i n f o 读入数据采集卡的各项硬件信息( 1 0 9 i c a l d e v i c e 中) ， 信息存入a d c _ i n f o 所指向的数据结构，数据结构类型为a d c c o n f i g u r a t i o n 。函 数d a q g e t a d g a i n i n f o 返回程控增益数组的值，此数组的值与数据采集硬件相关。 湖北工业大学硕士学位论文 第5 章测试系统软件设计 5 1 软件总体设计思路 小提琴共鸣箱振动信号采集分析系统的软件功能主要分为两大部分：数据采 集与实时示波模块和信号频域分析模块。 数据分析流程如图5 1 所示。 图5 1 数据分析流程图 两部分的工作分别基于不同的软件平台，以便最大效能的发挥不同平台的强 大功能。数据采集与实时示波模块完成工程信号的双通道的数据采集、a d 转换、 实时波形显示和数据文件的存储等功能，信号的分析模块包括数字滤波、加速度 湖北工业大学硕士学位论文 信号的积分运算( 求速度) 、双通道信号的f f t 变换、点阻抗的计算以及基于振幅 的等刚度值点的平滑连线、刚度值的灰度图的绘制。 软件的开发主要就是进行数据处理，要进行数据准备、数据检验以及数据分 析。 数据准备：包括数据检测、单位转换、数字化过程、零均值化处理以及消除 趋势项。数字化过程：将连续数据离散成间断的数值。采用数字量分析前，首先 必须将模拟信号通过采样和量化转换成数字信号。采样就是从连续信号中取得系 列离散化数据，量化就是将采样点上的数据转变成数字量。采样时必须满足采样 定理，即采样频率至少应为最高频率的两倍，t ，2 厂m 。，。零均值化处理：为简化 数据处理的计算，可以把数据转换成零平均值的数据，即是对采样时间间隔中的 数据同时都减去一个均值。 数据检验：数据类型不同，处理分析的过程和方法也不同，分析结果的定论 也不同。因此，在处理分析之前，通常要对随机数据的类型进行检验。检验的目 标是数据的正态性、平稳性和周期性。在试验数据中，假如除随机量之外还有周 期分量，那么功率谱中会出现一个尖峰，它会与一个尖峰处有能量集中的窄带随 机过程混淆。直接检查从平稳数据得到的功率谱密度、振幅概率密度以及相关函 数，可以检查随机数据之外的周期成分。这是周期性检验。数据的平稳性检验， 最初步的方法是对时间历程曲线用直观目视检验，在小提琴共鸣箱动态特性测试 中，试验表明，可以满足需要。正态性检验，这个是直接计算数据的概率密度， 然后与理论正态分布做比较。 数据采集模块使用了多线程技术来完成数据采集过程中的实时示波和用户界 面的响应。在单线程的采集程序中，设置数据采集硬件进行数据采集时，这一调 用将会阻止程序执行其它内部任务，如界面操作、实时示波等，这些任务只有在 数据采集完成之后才能执行。为避免这种阻塞，多线程技术可以很好的解决这类 问题，使得数据采集进行的同时，程序也能够及时响应界面操作命令，同时也可 以实现数据采集与实时示波的同步进行功能”。