专利名称：一种模拟人体声带振动装置及其实现方法
技术领域：
本发明属于物理模型仿生领域，特别设计一种模拟人体声带振动装置的实现方法。
背景技术：
人体的声带很难侵入，声带发声的整个过程不能被生动地测量。现有技术中采用直接测量离体的人类或动物喉部的方法，该方法可以在实验条件下实现理想的测量，但是也存在着很多局限性，如实验装置复杂，测量的不可再现性以及伦理问题。因此，人们经常会使用容易控制参数的物理模型来进行试验，如果物理模型能够反映真实声带的一些特性，那么这些参数就能够帮助人类理解发声的一些基本的物理过程。 在1968年，弗拉尼根和兰德格拉夫提出了一质量块模型，它是一个简单的对称的一质量块模型。石坂(Ishizaka)和弗拉尼根(Flanagan)在1972年提出了二质量模型。Story和Titze通过生理研究改进了质量块模型。粒子图像测速仪(PIV)利用激光成像技术瞬时测量流场中多点的速度值，测量流场中一个面(激光片光源照亮平面内)内的速度场(二维或三维速度)。传统的流速测量仪器，如通常采用的多普勒流速仪，只能进行单点测量，而且是接触式测量，无法对整个区域内的二维流场进行无扰动测量。当流场内部的流速变化较大，且有涡存在时，传统的仪器很难实现流速的准确测量。随着计算机技术与图像处理技术的快速发展，流场测试技术得以迅速发展与提高。粒子图像测速技术克服以往流场测试中单点测量的局限性，能够进行平面二维流场的测试，是一种最新的一种无扰动流场测量技术。本发明克服了现有技术中人体声带测量系统复杂，且无法多点、无接触式、可再现性地测量，以及测量干扰大的缺陷，提出了一种模拟人体声带振动装置及其实现方法。本发明设计了一种运用物理模型来模拟人体声带振动的方法，采用了弹簧-质量块-阻尼模型理论仿真声带结构，并引入了粒子图像测速装置，为以后研究建立声带与发声参数的关系提供支持，同时，本发明能够为不同发声和不同病变条件下的声带振动特性等医学研究提供支持。
发明内容
本发明提出了一种模拟人体声带振动装置，包括声带模型通道、声带模型、频率转换装置、真空泵、气体测量系统、振动测量系统、粒子图像测速系统、数据采集卡、计算机；
所述声带模型设置在所述声带模型通道上，用来模拟人体声带的振动并且触发所述粒子图像测速系统工作；
所述频率转换装置与所述真空泵连接，所述真空泵设置在所述声带模型通道的一端；所述气体测量系统与振动测量系统设置在所述声带模型通道上，所述气体测量系统与振动测量系统的输出端均与所述数据采集卡连接；所述粒子图像测速系统设置在所述声带模型周围，用来测试所述声带模型振动时的流速场；
所述数据采集卡与所述计算机连接。其中，所述声带模拟通道包括圆形通道与方形通道；所述圆形通道通过光滑的曲面过渡到所述方形通道；所述圆形通道的一端与所述真空泵连接。其中，所述圆形通道的长度为2600mm,直径为180mm ;所述方形通道的长度为440mm,横截面宽度为100mm,高为40mm。其中，所述气体测量系统包括超声波气体流量计、压力传感器、信号放大器；所述超声波气体流量计设置在所述声带模型通道上；所述压力传感器设置在所述声带模型通道上，所述压力传感器的输出端与所述信号放大器连接，所述信号放大器与所述数据采集卡连接。其中，所述振动测量系统包括
加速度传感器；信号放大器；麦克风；脉冲发生器；铜弹簧片；
所述加速度传感器通过所述同弹簧片与所述声带模型连接，所述加速度传感器的输出端与所述信号放大器连接，所述信号放大器的输出端与所述数据采集卡连接，同时与所述脉冲发生器连接；
所述脉冲发生器的输出端与所述粒子图像测速系统连接；
所述麦克风沿气体流动方向设置在所述声带模型通道内所述声带模型的后方，所述麦克风设置在所述声带模型通道的另一端，所述麦克风的输出端与所述信号放大器连接，
所述信号放大器的输出端与所述数据采集卡连接。其中，所述粒子图像测速系统包括
粒子图像测速激光器、粒子图像测速照相机、粒子图像测速控制器，
所述粒子图像测速控制器的输入端与所述振动测量系统连接，所述粒子图像测速控制器的输出端与所述粒子图像测速激光器，及所述粒子图像测速照相机连接；
所述粒子图像测速激光器分别设置在所述声带模型的正上方；
所述粒子图像测速照相机设置在所述声带模型的的同一水平面上并且正对声带模型
(22)的一侧。其中，所述声带模型的外形形状及尺寸为
权利要求
1.一种模拟人体声带振动装置，其特征在于，包括声帯模型通道(21)、声帯模型(22)、频率转换装置(2)、真空泵(I)、气体测量系统、振动测量系统、粒子图像测速系统、数据采集卡(17)、计算机(18); 所述声带模型(22)设置在所述声带模型通道(21)上，用来模拟人体声帯的振动并且触发所述粒子图像测速系统工作； 所述频率转换装置(2)与所述真空泵(I)连接，所述真空泵(I)设置在所述声带模型通道(21)的一端； 所述气体測量系统与振动测量系统设置在所述声带模型通道(21)上，所述气体測量系统与振动测量系统的输出端均与所述数据采集卡(17)连接； 所述粒子图像测速系统设置在所述声带模型(22)周围，用来测试所述声带模型(22)振动时的流速场； 所述数据采集卡(17)与所述计算机(18)连接。
2.如权利要求I所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述声带模拟通道(21)包括圆形通道与方形通道；所述圆形通道通过光滑的曲面过渡到所述方形通道；所述圆形通道的一端与所述真空泵(I)连接。
3.如权利要求2所述模拟人体声带振动装置，其特征在干，所述圆形通道的长度为2600mm,直径为180mm ;所述方形通道的长度为440mm,横截面宽度为100mm,高为40mm。
4.如权利要求I所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述气体測量系统包括超声波气体流量计(3)、压カ传感器(4)、信号放大器(5);所述超声波气体流量计(3)设置在所述声带模型通道(21)上；所述压カ传感器(4)设置在所述声带模型通道(21)上，所述压力传感器(4)的输出端与所述信号放大器(5)连接，所述信号放大器(5)与所述数据采集卡(17)连接。
5.如权利要求I所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述振动測量系统包括 加速度传感器(6、7);信号放大器(8、11);麦克风(9、10);脉冲发生器(16);铜弹簧片(23)； 所述加速度传感器(6、7)通过所述铜弹簧片(23)与所述声带模型(22)连接，所述加速度传感器(6、7)的输出端与所述信号放大器(8)连接，所述信号放大器(8)的输出端与所述数据采集卡(17)连接，同时与所述脉冲发生器(16)连接； 所述脉冲发生器(16)的输出端与所述粒子图像测速系统连接； 所述麦克风(9)沿气体流动方向设置在所述声带模型通道(21)内所述声带模型(22)的后方，所述麦克风(10)设置在所述声带模型通道(21)的另一端，所述麦克风(9、10)的输出端与所述信号放大器(11)连接， 所述信号放大器(11)的输出端与所述数据采集卡(17)连接。
6.如权利要求I所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述粒子图像测速系统包括 粒子图像测速激光器(12、13)、粒子图像测速照相机(14、19)、粒子图像测速控制器(15)， 所述粒子图像测速控制器(15)的输入端与所述振动測量系统连接，所述粒子图像测速控制器(15)的输出端与所述粒子图像测速激光器(12、13)，及所述粒子图像测速照相机(14、19)连接； 所述粒子图像测速激光器(12、13)分别设置在所述声带模型(22)的正上方； 所述粒子图像测速照相机(14、19)设置在所述声带模型(22)的同一水平面上并且正对声带模型(22)的ー侧。
7.如权利要求I所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述声带模型(22)中设置有多个弹簧结构；所述弹簧结构包括质量块(24)、弹簧(25)、阻尼模型(26)，所述质量块(24)通过所述弹簧(25)与阻尼模型(26)设置在所述声带模型通道(21)上。
8.如权利要求8所述模拟人体声带振动装置，其特征在于，所述弹簧(25)为悬梁臂弹簧片，所述悬梁臂弹簧片弯曲度为k\ = ^...................^...............^ 所述悬梁臂弹簧片的扭转刚度为 ■ 其中，I代表悬梁臂弹簧片的长度，W代表悬梁臂弹簧片的宽度，t代表悬梁臂弹簧片的厚度，^代表悬梁臂弹簧片弯曲度，t1代表悬梁臂弹簧片的扭转刚度，E代表杨氏弹性模量，G代表剪切模量，u代表泊松比。
9.如权利要求1-9中所述的ー种模拟人体声带振动装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤ー调节所述频率转换装置(2)，控制所述真空泵(I)向所述声带模型通道(21)内输送气体； 步骤ニ所述超声波气体流量计(3)与压カ传感器(4)測量所述气体的流量及压力，并传输给所述数据采集卡(17)后发送至所述计算机(18)进行处理； 步骤三所述加速度传感器(6、7)測量所述声带模型(22)的振动情况，产生的振动加速度信号经过脉冲信号发生器整形成方波后，驱动所述粒子图像测速控制器(15);所述麦克风(9、10)获得振动的声音数据，并传输给所述数据采集卡(17)后发送至所述计算机(18)进行处理， 步骤四所述粒子图像测速控制器(15)控制所述粒子图像测速照相机(14、19)进行拍照，并通过所述数据采集卡(17)将数据发送至所述计算机(18)进行处理。
全文摘要
本发明公开了一种模拟人体声带振动装置，包括声带模型通道、声带模型、频率转换装置、真空泵、气体测量系统、振动测量系统、粒子图像测速系统、数据采集卡、计算机；频率转换装置与真空泵连接，真空泵设置在声带模型通道的一端；气体测量系统与振动测量系统设置在声带模型通道上，输出端均与数据采集卡连接；数据采集卡与计算机连接。本发明设计了一种运用物理模型来模拟人体声带振动的方法，采用了弹簧-质量块-阻尼模型理论，来模拟仿真声带并引入了粒子图像测速装置，为研究建立声带与发声参数的关系提供支持。本发明方法能够为不同发声和不同病变条件下的声带振动特性等医学研究提供支持。
文档编号G01H17/00GK102680076SQ20111044831
公开日2012年9月19日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者严舒, 陈东帆, 陈维涛, 韩兴乾, 高祥 申请人:上海大学, 华东师范大学