Improvement and testing of a low-cost platform for vibrometric analysis

The main goal of violin makers is to reach the perfect acoustical response for their musical instruments. When making a new violin, they must deal with two crucial tasks: selecting a tonewood with the desired material properties and tracking the variations in the vibrometric properties of the piece due to geometrical alterations applied during the whole process. The collected information could support the violin maker in performing a fine tuning of the instrument until the desired acoustical response is reached. The State of the Art presents a low-cost multi-purpose platform specifically designed to help violin makers in those steps and able to perform Experimental Modal Analysis (EMA) on the wood piece from which its mechanical and modal parameters can be estimated. The platform consists in a set of analogue sensors (accelerometers and microphones) and a circuit board with a software embedded. Although the accelerometers used are cost-effective, the reduced bandwidth and high background noise compromise the readings, thus limiting the performances of the platform. The aim of this thesis is to identify better accelerometers that are suitable for the purpose and redesign the platform to accommodate those sensors. The choice fell on the digital IIS3DWB sensor, which provides cleaner acquisitions and thus better estimates. Unlike the previous sensor, it exploits a digital communication protocol to interact with the board. The board previously used is optimized for analogue values reading but it lacks efficiency in the digital signal acquisition field. To achieve a real-time reading at a high constant sampling rate, an additional intermediate board has been added into the platform pipeline, with the purpose of reading the sensors and sending the data to the main board, where all the computations are made. To test the performance of the improved measurement kit, a series of tests has been performed; the same measurement has been done on 10 different wood and metal pieces, by using the redesigned platform, the old platform and a set of professional sensors as ground truth. The new platform shows overall better performances, a lower background noise and a better understanding of the behavior of the analyzed piece in the higher frequency range.

Lo scopo principale dei liutai è raggiungere la perfetta risposta acustica per i loro strumenti musicali. Quando realizzano un nuovo violino, devono confrontarsi con due operazioni principali: la scelta del legno di risonanza con le proprietà elastiche desiderate e il monitoraggio delle variazioni delle proprietà vibrometriche causate dalle alterazioni geometriche del pezzo durante il processo. Le informazioni ottenute possono supportare il liutaio per la messa a punto dello strumento fino a quando la risposta acustica desiderata non è raggiunta. Lo stato dell’arte presenta una piattaforma economica e multiuso specificamente progettata per essere a supporto dei liutai in queste fasi, in grado di effettuare una Experimental Modal Analysis (EMA) sul pezzo di legno da cui poter stimare i suoi parametri meccanici e modali. La piattaforma consiste in un insieme di sensori analogici (accelerometri e microfoni), una scheda e un software integrato. Sebbene gli accelerometri siano economici, la ridotta larghezza di banda e un alto rumore di fondo compromettono le letture, limitando le prestazioni della piattaforma. Lo scopo della tesi è identificare degli accelerometri più performanti e riprogettare la piattaforma affinchè risulti compatibile con i nuovi sensori. La scelta è ricaduta sul sensore digitale IIS3DWB, che fornisce un segnale più chiaro, permettendo così stime migliori. Diversamente dalla precedente tipologia di sensori adottati, quest’ultimo utilizza un protocollo di comunicazione digitale per interagire con la scheda. La scheda utilizzata precedentemente è ottimizzata per la lettura di valori analogici, ma è caratterizzata da una ridotta efficienza nel campo dell’acquisizione digitale dei segnali. Con lo scopo di ottenere una lettura in tempo reale a una frequenza di campionamento alta e costante, è stata aggiunta una scheda intermedia, che permette di leggere i sensori e inviare le letture alla scheda principale, dove viene effettuato il resto del processamento. Una serie di test è stata eseguita per testare le prestazioni del kit di misurazione proposto; la stessa analisi è stata effettuata su 10 pezzi differenti di legno e metallo, utilizzando prima la piattaforma riprogettata, poi la vecchia piattaforma e un set di sensori professionali come riferimento. La nuova piattaforma mostra delle performances complessivamente migliori, un minore rumore di fondo ed una maggiore comprensione del comportamento dell’oggetto in analisi in un intervallo di frequenze più ampio.