医疗技术首要考虑的就是安全性。因此，完整记录开发阶段对于生产出优良产品和实现法律确定性而言十分必要。激光测振仪对医疗器械的开发和质量评估极其重要，如牙科或外科超声设备和成像方法等。使用激光测振仪进行测量，还可以提高医疗保健产品（例如吸入器、呼吸器和牙刷）的效率和安全性，其已成为研发、检查、校准和认证中耳植入物和植入式助听器的必备工具。超声能量必须到达医疗设备所需的位置。扫描式激光测振仪能快速、明确地告知超声波致动器能量的分布情况，加快开发过程。特定工作频率振动节点的定位可优化设计，从而降低能量耗散。系统具有高空间分辨率，测量精度达皮米级，能快速可靠地显示出高频振型。激光测振仪是起着决定性的关键技术，是用于验证有创性和诊断性医学超声仪器的FE模型的高效工具。其具有诸多技术优势：线性度高达MHz、完全负反馈效应、高横向分辨率，几乎满足所有结构动态测试需求。从声场可视化和耐久性（应变/应力）的基本技术引申出的计算方法为客户开辟出更深入的应用领域。因此，激光多普勒测振仪是医生和科研人员提高医疗设备的研发效率及可靠性的强有力工具。※更多案例信息，请与我们联系
软骨动态与粘弹性力学测试的非接触式替代方法一、软骨的力学承载特性软骨是一种承受动态载荷的组织。日常活动如行走，会使软骨承受1-6兆帕的较大应力，峰值应力甚至可达12兆帕。这些应力以0.01-2Hz的频率周期性作用于软骨，成年人的软骨每年通常要承受多达400万次的循环载荷。二、研究背景与技术研发骨关节炎影响约14%成年人，关节软骨力学动态特征的研究对疾病防治至关重要。尔湾康科迪亚大学GabrielaEspinosa博士在深造期间受激光多普勒测振技术启发，于KyriacosAthanasiou教授支持下与Polytec公司合作，研发出表征软骨力学特性的相关技术。该技术经论文证实，检测结果与传统方法高度一致，且具有非接触、无损的优势，能减少样本损耗、降低成本，还大幅缩短检测耗时、提升研究效率。其可通过检测圆盘状试样的一阶和二阶共振频率提取动态模量G*，结合相位/时间延迟测量获取损耗模量G''和储能模量G'，单一工具即可满足软骨替代物力学表征的多项监管检测要求。Espinosa博士计划将该方法用于评估组织工程软骨与天然膝关节软骨的相似度。三、软骨动态力学特性的研究价值软骨的动态力学特性与人体日常活动密切相关，同时在维持组织稳态中发挥着关键作用，因此成为软骨研究领域持续开展的核心研究内容，也是研发动态环境下软骨功能替代与再生技术的关键所在。四、传统软骨检测方法的局限性科研人员通常采用粘弹性测试条件下的准静态力学测量方法，如应力松弛试验、蠕变压痕试验，对软骨及其替代物进行评估；也会通过动态力学测试获取动态模量，偶尔还会借助该测试分析粘弹性特征。但这些力学测试方法大多具有破坏性，这不仅限制了部分研究方向的开展，还需要大量可用于检测的软骨组织样本。毫无疑问，非接触式的动态力学测试方法会受到软骨研究领域科研人员的广泛关注。本研究证实，激光多普勒测振技术的一大核心优势是能够实现非接触、无创的测量，这一关键特性使其有望成为生物科学领域一种极具价值的测量手段。五、研究核心目的与实验基础设计本研究的核心目的，是探究将测振技术作为非接触式动态力学测试方法，与准静态力学测试、生化分析方法在关节软骨表征中的应用效果对比。为此，研究人员分别采用传统方法和测振技术，对取自膝关节髁、髌骨、滑车沟和半月板的软骨外植体进行特征分析，并对两种方法的检测结果展开对比研究。本次测振实验采用PSV-500-BXtra扫描式激光测振仪，将软骨组织外植体置于压电致动器上进行动态激励，通过该激光测振仪的函数发生器向压电致动器输入各实验对应的激励信号。软骨组织在动态激励下发生形变，激光测振仪则对软骨组织上表面的轴向位移进行检测。六、激光测振实验具体操作流程研究人员在覆盖软骨试样和压电致动器的区域设置了包含100-150个测点的网格，以此确定检测点位。需要重点说明的是，本次实验同时对软骨试样和压电致动器的相关数据进行了采集。在首轮检测中，研究人员对试样进行10至100000Hz的扫频测试，通过识别试样速度数据中的峰值，确定其一阶和二阶共振频率。此环节中，压电致动器的相关数据仅用于验证其共振频率不会对软骨试样的共振频率检测造成干扰。为排除刚体运动产生的峰值干扰，研究人员通过观察共振频率下的动态变形形态，验证了弯曲振动模式的存在。相关视频片段通过PSV软件还原了软骨试样一阶和二阶振动模式的动态过程。研究人员依据美国材料与试验协会（ASTMInternational）关于通过振动法测定圆盘状试样动态力学性能的标准，计算出各软骨试样的动态模量G*。具体方法为：分别根据一阶、二阶共振频率计算动态模量，再将两个结果取平均值，得到每个试样的动态模量G*最终值。完成上述检测后，研究人员采用500Hz的正弦激励测定软骨组织的粘弹性特征。实验中，正弦参考信号（黑色）驱动压电致动器产生响应（蓝色），二者的相位偏移体现在黑色与蓝色虚线的差值上；软骨组织的周期性形变以红色呈现，其与压电致动器信号的相位差为δ。研究人员通过PSV软件对数据进行傅里叶逆变换，将频域数据转换为时域数据。该分析过程需同时结合压电致动器和软骨试样的相关数据，以测量二者对参考信号响应的相位差δ。已知相位差的正切值为粘性与弹性贡献的比值，即损耗模量与储能模量的比值。结合动态模量G和相位差δ，可通过以下公式计算储能模量G'和损耗模量G''：G'=GcosδG''=G*cosδ七、后续实验与数据统计分析由于激光测振技术为无损检测，完成测振实验后的软骨试样可继续用于传统的破坏性力学测试，从而实现测振技术检测结果与传统方法检测结果的关联性分析。本次研究后续对软骨试样开展了应力松弛试验、蠕变压痕试验及生化分析。本研究的相关表格统计了无损测振技术测得的动态模量G*、储能模量G'、损耗模量G''，与软骨研究中传统破坏性检测方法所得结果的斯皮尔曼等级相关系数ρ，明确了二者相关性的强弱及显著性。表格中数值代表相关系数ρ（即相关性强弱），颜色代表显著性水平，带有对角线的白色单元格表示相关结果未达到统计学显著水平。八、研究成果与应用价值本研究成功验证了激光测振技术在软骨动态力学特性非接触式测量中的可行性。研究测得的软骨动态力学特性与准静态力学特性、生化特性均存在多项相关性，为揭示循环载荷下的软骨功能机制提供了重要依据。同时，基于激光测振技术的检测精度足以区分膝关节不同部位软骨的粘弹性特征差异。这项研究不仅在短时间内明确了软骨准静态特性、粘弹性特性与动态特性之间的关联，还为软骨的高通量无损检测提供了切实可行的方法，该方法非常适用于软骨发育生物学、组织工程及转化医学等领域的研究应用。更多研究细节可参阅相关论文：https://lnkd.in/gh2ek6kB
蛛网的编织形式巧夺天工，具有非常独特的建筑学、力学和动力学性能，真可谓是自然界的奇迹！蛛网常见的结构，即由一个中心伸出的若干呈放射状的骨架丝线-纵丝和围绕这个中心的螺旋丝线-横丝构成的网状结构。蛛网需要抵抗风致振动及飞行猎物的高能冲击。为预测一个完整蛛网结构的振动阻尼响应，我们在蛛网形成地点-丛林实地，测试其组成丝线的阻尼特性。本次实验中，我们使用的是PDV-100数字便携式激光测振仪，来测量重量非常轻的蜘蛛丝的阻尼特性。对于这类轻质结构，我们只能选用非接触式振动测量系统，如PDV-100，因为如此轻质的螺旋丝线结构是无法承受如黏贴式加速度计或应变计等传统接触式传感器的重量。试验搭建我们将激光测振仪及其附件带到蛛网的形成实地-丛林。试验搭建情况如图1所示。实验过程中使用近似模拟自然风的人工微风对蛛网进行激励，用激光测振仪测量丝线的时域响应，再用对数衰减法获得丝线的振动阻尼。图1：右侧为实地测量蛛网振动阻尼的试验装置左侧，将激光点定位在丝线上测试结果在实地测试的优点是蛛网丝线是根据周围自然环境而产生自然张力。此外，在自然环境中产生的框丝可以对蛛网起到很好的支撑作用，而且它对蛛网的结构完整性和猎物捕获性能起着重要作用。构成蛛网的主要结构部位的电子显微图如图2所示。图2：蛛网重要组成部分的电子显微图将激光聚焦到蛛网的不同位置，分别对横丝和纵丝进行采样(如图1)。给予激励后，用激光测振仪测得的这两种丝线在时域上的振动速度响应结果如图3所示。分析表明，横丝振动速度的衰减比纵丝要快得多(衰减时间更短)。图3：激光测振仪测得的纵丝和横丝的时域响应灰色：横丝黄色：纵丝表1显示的是根据蛛网上多个不同测点位置的时域数据，计算得出两种丝线的平均固有频率和阻尼比。横丝具有较高的阻尼比和固有频率。本次试验中，蛛网受到的激励是近似模拟自然风的人工微风激励，在低频激励下，只考虑结构性的阻尼衰减效应，而不考虑外部环境阻尼衰减效应（气动阻尼）和与支撑相关的能量损失。固有频率阻尼比(ζ)纵丝10Hz0.075横丝36Hz0.12表1：固有频率和阻尼比数值纵丝是蛛网结构的重要组成部分，它们确保蛛网能抵御大风或暴风雨等自然袭击，以及捕食猎物时受到的冲击。此外，纵丝还负责吸收外部冲击力。横丝具有高阻尼比和灵活性，它能及时地将外来动能传输至纵丝。通过这种方式，蛛网得以在多变的自然环境中生存和发挥捕食作用。总结与展望在这次研究中，我们利用激光测振仪研究了蛛网的振动阻尼，从而得以深入了解蛛网在丛林中得以生存的这一自然现象的原因。实地振动阻尼测试表明，横丝具有较高的减振性能，它能瞬间将振动冲击分散至纵丝；纵丝能通过消耗横丝传递来的能量来防止蛛网破裂，从而保持蛛网的结构完整性。科学家们表示，蛛网的最新研究对工程学领域和材料学等领域具有重要的参考和借鉴意义。
在自然界中，雌性在寻找配偶时往往很挑剔。本文旨在研究雄蜂的振动是否是雌蜂选择交配对象的影响因素之一。这里，我们使用了激光测振仪研究雄蜂在交配期间的振动。研究发现，雌蜂对雄蜂在交配前的某些振动特性表现出一种偏好，这种特性表现为振动时间明显更长，而振动间隔更短。可能对于雌蜂而言，振动意味着力量，它们以此来确保自己所选的配偶健壮而富有活力。在动物界，由雌性来决定交配权的现象很普遍。理论表明，如果一方对后代投入更多，那么它就会通过选择最佳配偶来最大化自身的繁殖能力。雌性对后代的付出通常比雄性要多，在接受雄性交配之前，它们会利用雄性的各种特征，如颜色、尺寸、交配鸣声或气味来评估雄性的质量。各种蜂群(大黄蜂、无刺蜂和蜜蜂)均使用胸腔振动来沟通交流、收集花粉和防卫防御。尽管人们已经知道一些物种在交配时会发出振动信号，而有关振动信号在蜂群交配行为中所起作用的研究却甚少。蜂群振动时翅膀肌肉进行收缩，而翅膀保持不动。肌肉收缩使胸腔变硬，从而使振动频率更高。红毛蜜蜂是一种广泛分布在中欧和北欧的独居蜂。在求偶前期，雄蜂以拥抱姿势趴在雌蜂背上，并采取一系列行为来说服雌蜂同意交配：如振动胸腔、与雌蜂进行身体摩擦、反复伸出触角覆于雌蜂触角之上、将前腿放在雌蜂的复眼上等。在这过程中，雌蜂可能会将雄蜂从身上甩下来以示拒绝，但雌蜂到底是根据雄蜂的哪种行为来选择配偶，我们仍不得而知。这里，我们分析的是当雄蜂以拥抱姿势趴在雌蜂背上后，雌蜂是否以雄蜂的振动作为同意交配的标准。方法和材料本次试验简介被测对象：蜜蜂，雄蜂和雌蜂分别置于不同的木质捕捉巢内测试地点：德国乌尔姆大学某楼顶测试时间：白天测试温度：室温配对时，将1只雌蜂引入一个大约有40只雄蜂的飞行笼中，这些雄蜂来自多个捕捉巢。一旦两只蜜蜂达成交配前准备(雄蜂以拥抱姿势趴在雌蜂背上，其它雄蜂撤退)，就将这对蜜蜂取出，放入一个塑料盒子内(40×20×10cm)。使用激光测振仪(Polytec公司的PDV-100)采集雄蜂在交配前的胸腔振动，PDV-100连接内置采样率44.1kHz的32位声卡并装有Soundforge8.0软件的笔记本电脑。随后，将测试数据导入至AvisoftSasLabPro进行分析。在所有雄蜂的胸腔上标记一个白点，以增强反光强度。（注：PDV-100已全新升级成VibroGo，各项性能均有大幅提升）我们分别记录被接受雄蜂（被雌蜂允许交配）和被拒绝雄蜂的胸腔振动特性并加以比较。因为雄蜂在记录过程中偶尔会移动位置，激光束与蜜蜂之间的角度也会发生变化，因此我们无法比较雄蜂的胸腔振幅。测量结果通过数据分析我们可以看到，雄蜂胸腔振动有1~9段(持续振动)，每段包含大约10-220次爆发式脉冲振动（图1）。交配前，被接受的雄蜂的爆发脉冲振动持续时间明显长于被拒绝的雄蜂（图2），而且爆发脉冲的时间间隔似乎更短，但差异不是很明显（图3）。图1：蜜蜂胸腔振动记录图上半部：被拒绝雄蜂；下半部：被接受雄蜂被接受雄蜂的爆发脉冲振动持续时间要长于被拒绝雄蜂，而且爆发脉冲的间隔时间更短图2：被接受和被拒绝雄蜂的爆发脉冲长度被拒绝雄蜂数量=11，被接受雄蜂数量=12，两组数据差异明显图3：被接受和被拒绝雄蜂的爆发脉冲间隔被拒绝雄蜂数量=11，被接受雄蜂数量=12，两组数据差异不明显论雄蜂振动的重要性我们通过一系列持续振动段来描述雄蜂的振动特性。研究结果很清楚地表明雌蜂更喜欢与振动爆发时间较长的雄蜂交配。由于振动需要收缩胸腔，这会大量消耗体力，雌蜂可能把振动当做强壮和健康的标志。这对于蜂龄较长的雄蜂而言非常不利，因为它们缺乏产生长时间爆发脉冲的体力。关于雄蜂振动对于雌蜂择偶的重要性我们还知之甚少，但有证据表明，在很多情况下雌蜂可能会根据雄蜂的振动来筛选配偶。由于雄蜂的胸腔振动会消耗大量能量，因此雌蜂很有可能会将其视为一种表达忠诚的信号。为验证这些观点就需要做些实验，在记录雄蜂交配前振动的同时，将他们的活力、健康程度和蜂龄等因素考虑在内。总结与展望本次试验结果则为蜂群的嗡嗡声提供了全新解读。一直以来，人们认为蜂群没有听觉系统，蜂群的嗡嗡声这类研究在很大程度上被忽视。然而，它们显然在通过感官来感知这些振动，而且通过进一步研究，我们可能会揭示更多蜂群使用胸腔振动来进行内部交流的秘密。
导语叶缘焦枯病菌(xylellafastidiosa)会在农作物中会引起多种严重病害，这种植物病原体是加州和南美的葡萄树产生致命疾病的罪魁祸首，仅加州每年需为此耗资1.04亿美元。在一个专门的研究项目中，不同于现有的使用农药来消灭害虫的方法，科学家们找到了一种对生态系统无不良影响的方法-利用激光振动测量技术来分析昆虫们求偶时的通讯方式，从而采取手段来控制害虫繁衍。这为自2013年以来惨遭叶缘焦枯病菌肆虐的欧洲农民带来了希望。01葡萄园的叶缘焦枯病菌由昆虫学家RodrigoKrugner领头的美国农业部研究小组已经向位于加州葡萄园的叶缘焦枯病菌宣战。这种病菌会引起严重的植物疾病，如意大利的“橄榄树麻风病”或巴西的柑橘溃疡病。美国和南美的葡萄树染上皮尔斯病后，病株木质部导管被病菌团块及植物本身形成的侵填体和树胶堵塞，水分和养分输导受阻，这些植物会在三年内完全死亡。研究小组确定了13种昆虫作为带菌者，即载体，包括玻璃翅叶蝉(GWSS)，一种身长约1厘米的小型蝉。GWSS是一种特别危险的传播媒介，因为它可以飞行很长距离，而且病菌在周围地区传播地极其迅速。使用杀虫剂来抑制GWSS种群已超过25年。然而，研究人员近期发现叶蝉对喷洒农药的耐受性在不断增加，这迫使他们需要探索新的方法。02激光测振仪在昆虫学中的应用GWSS具有复杂的通信系统。它通过身体振动产生声音，从而通过植物传递振动。它们通过腿部的感觉器官来感知同类信号，甚至通过植物传递的振动来求偶。“没有专门的设备是无法听到这些频率和振动的”，RodrigoKrugner解释道。研究小组的想法是首先破译这些频率和振动，然后找到一种方法来阻止或干扰它们：“这种方法就是干扰昆虫间的通讯，第一步就是识别和描述它们的求偶信号，我们还会寻找他们通讯系统中的薄弱环节，这些都是我们要设法干预的地方”，Krugner说。研究人员们使用的是德国Polytec公司的便携式激光测振仪来获取和分析这些频率。03可用于实验室和现场的便携式振动测量Polytec公司的便携式激光测振仪测试距离从0.4米到20米以上，功耗低，尤其适用于生物样本的实验室振动分析和直接在葡萄园进行田间测试。最新的便携式激光测振仪VibroGo，采用一体化设计，非接触式测量结构表面的振动速度，频率覆盖DC~100kHz。密封式设计，结构坚固，重量轻，专为需要便携性的振动测量而设计。设备还可配备可充电电池，能与通用数据采集系统兼容，是非接触式研究生物样本的理想工具。它甚至可在强电磁场或其它危险区域工作，或在森林、荒野等地方进行远距离科研。研究人员成功地获得了各种声音的持续时间和频谱参数，设法对它们进行分析，并弄清楚这些求偶信号的发出者。他们确定了雌性、雄性叶蝉在求偶或与竞争对手通讯时的振动频率。通过对它们的行为和信号的分析，研究人员能够分离出他们所谓的“待选干扰信号”，并使用这种干扰信号干扰求偶。04研究成果及未来计划这种方法已在实验室研究中显示出可喜结果：一组GWSS共134对，在没有信号干扰的情况下有28对进行交配；另一组GWSS也是134对，在有信号干扰的情况下仅有1对进行交配。这种新方法也证明了其在野外使用的价值，正如Kruger讲道：“我们将干扰信号的录音带到野外进行播放，也能抑制葡萄园中尚未交配的昆虫进行交配活动”。这种方法可以与现有的措施相结合，如在区域范围内使用杀虫剂或大规模投放害虫的天敌。与使用有毒喷雾或外来捕食者不同，声透射只与一种特定的昆虫作斗争，对当地益虫没有影响，而GWSS的通讯频率也是蝉类特有的。总结与展望这种创新的、对环境无害的方法和现有的数据，使我们有理由乐观地认为，美国农业部已经能够开发出一种有很大成功潜力的方法，使得控制范围不仅仅是GWSS群种。现行任务是掌握更深入和更全面的数据，以优化在葡萄树种植过程中使用到的声透射方法。信号源传播越远，频率越低则对昆虫的干扰也就越小。该研究小组还计划利用光学振动测量技术分析叶缘焦枯病菌的其它病媒和其它植物病害。
最近发表在《欧洲物理杂志专题》（EuropeanPhysicalJournalSpecialTopics）上的一项研究介绍了激光多普勒测振仪（LDV）的一项开创性应用，以更好地理解非洲象的发声及其行为含义。这项研究的主要目的是确定大象群体中声音交流的动态，特别关注一种被称为“我们出发吧”的的特定隆隆声。这些隆隆声序列在协调大象群体的运动、空间关系和加强社会联系方面起着至关重要的作用。图1:LDV测试试验研究法研究人员对一群圈养的非洲象进行了研究，这些大象被安置在一个宽敞开阔的场地里。他们开创式使用LDV技术，这是一种无需直接物理接触、非侵入性测量技术，用于远程测试被测表面的振动速度。该项技术已广泛应用于工程、生物医学科研和动物交流研究等各个领域。LDV捕捉振动的特殊能力，尤其是在次声波频域（低于人类听觉范围），使其成为研究大象低频发声的理想工具。在本次研究中，将某头特定大象确定为LDV的监测目标。当大象发出隆隆声时，LDV能精确地检测并详细记录振动数据。这种方法使研究人员能够以前所未有的精度获取数据，从而深入了解这些发声的声学特征。大象隆隆声的声学特征测试数据揭示了大象隆隆声的重要结构参数。例如，一个典型的隆隆声持续大约5秒，特征频率为17~20Hz，并分别在约40Hz和60Hz处出现两个不同的谐波（图2）。这些详细的测试数据有助于表征和区分大象个体发声，可能有助于深入了解大象发声时的情绪和生理状态。图2：“我们出发吧”隆隆声的声学特征“我们出发吧”的隆隆声是本次研究的中心焦点，是大象社群中特有的且高度相关的发声，主要与开启象群的集体行动有关。LDV记录显示，“我们出发吧”的隆隆声的特点是持续时间更长，通常超过10秒，并具有独特的低频次声波调制模式。了解这种发声的特性对于揭示大象如何协调群体运动和决定集体行动至关重要。行为意义这项研究的发现对我们理解大象的行为和交流有着重要意义。正如本研究所展示，LDV技术为大象生物声学和行为生态学领域提供了诸多启示。其中一个重要发现是LDV能够可靠地识别出象群发声回合中的发声个体，这有助于理解大象群体中声音交流的动态，并可能确定出象群中的首领角色。大象社会是复杂的，首领在它们的协调和决策过程中起着重要作用。LDV能揭示出这些复杂的动态特性，有可能帮助研究人员确定大象群体中的社会结构和等级制度。此外，与研究动物发声的传统方法相比，该技术具有切实优势。例如，声控项圈已被用于监测单个动物的叫声。然而，这些系统可能成本高昂，在野外部署具有挑战性，并且可能导致动物的自然行为受到干扰。另一方面，LDV采用远程、非侵入性测试方法，在不干扰它们的自然行为的前提下，便于在野外研究中使用，记录家族群体中某一个体的发声。应用与未来研究总之，这项研究标志着LDV技术在应用上的一个重要里程碑，促进了我们对大象声音交流的理解。LDV在发声回合中识别单个呼叫者，并高精度记录其发声数据的能力为动物行为的研究开辟了新途径。本次研究意义深远。理解发声在协调大象群体运动和行动中的作用，可能对大象的保护和管理有重要意义。在野外，它可以帮助跟踪和保护象群，为它们的社会互动提供见解，并促进缓解人象冲突。该技术的非侵入性特点使其成为未来广泛研究动物的宝贵工具。在发声回合中识别出某个呼叫者可能是一项艰巨的挑战，但是LDV提供了一个很有前途的解决方案。对于研究其它具有复杂社会结构和通信系统的物种的研究人员而言，可以将这项技术应用到他们的工作中。
