【聯盟教育訓練】物聯網現場推播實務與雲端之機器訊號分析

2019年12月13日振動噪音產學技術聯盟舉辦教育訓練課程，首先由中部據點聯盟計畫共同主持人黃宜正教授開場致詞並介紹今日主講人卓柏州。

卓柏州博士在物聯網深耕多年，對工廠物聯網架構非常有經驗，以感測器與大數據為前題進行的廠內SCADA與MQTT網路Sensor Controller Instrument 到 Edge Computing (iPC/PLC/uP) 到 MES [屬於製造執行系統]SCADA[屬於雲端]與走MQTT網路，其中邊緣運算Edge Computing (iPC/PLC/uP) 需要針對每一感測轉換(或是通用的通訊協定訊號)來的訊號進行各機台群的設計演算。另外詳細介紹Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)物聯網之基本設計原理，是為了物聯網(M2M)而設計的protocol: IBM於1999年發明的通訊協定，2014年變成一個開放的Organization Advancement Structured Information Standards (OASIS)。最後實際演示模擬機台間相互溝通的角色:發行者與訂閱者，讓學員手機能接收到來自發行者的訊息，並了解其通訊的觀念。

接著由黃宜正教授講解何為特徵工程，如何在機器學習上運用，介紹目前機器學習如何應用在工具機產業，透過文獻回顧與實例解，介紹現今已被使用的各種AI人工智慧的演算法，SVM支持向量機、MSE多尺度商、HHT等工具，經由滾珠導螺桿預壓及預拉失效、牙科手機陶瓷軸承溫升等案例，了解人工智慧的實際應用。

藉由業界實例與學界理論，能讓學員更加了解在現今工業4.0已不可避免的時代，萬物皆可聯網，可以透過哪些方面的理論與經驗精進自己，順應工程發展的趨勢，才為未來的人才，能為國家盡一份力。

活動花絮：

易訊網控 卓柏州 總經理【物聯網<MQTT協定>之應用訊號擷取之邊界演算與推播手機】講解

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《振動噪音科普專欄》牛、羊、豬、大象的聲音有甚麼特徵？

由先前單元：【不同的狗，吼叫的聲音頻譜有甚麼差異？】，探討「4隻狗的叫聲」的聲音頻譜特徵，或許會好奇其他動物的叫聲，會有怎樣的聲音頻譜呢？本單元就來討論「牛、羊、豬、大象」4種動物的聲音解析。

讀者可以參閱圖示，可看到透過「頻譜分析」以及「時頻分析」的4張圖示，分別對應的是「牛、羊、豬、大象」4種動物的聲音解析結果。或許，可以先猜猜看哪一張圖示，對應的是哪一種動物的聲音解析？

同時，讀者可觀看影片，可以先聽一下這「牛、羊、豬、大象」4種動物的聲音，可能是對應哪一張圖示的聲音解析？

要解讀這「牛、羊、豬、大象」4種動物的聲音之前，先回顧一下，採用屏科大機械系振動噪音實驗室開發的【SM軟體】，進行「頻譜分析」以及「時頻分析」，所得到的4個重要圖示，重點說明如下：

1.          聲音壓力時間域波形圖 (time waveform)：在圖示上方，呈現所分析聲音WAVE檔案的原始「時間域波形」信號。代表的物理意義是「聲音壓力」(sound pressure)。此波形圖呈現了聲音的「波動」現象，不過，除了大小聲外，似乎觀察不出甚麼特別的現像。

2.          時間域聲音壓力位準(響度)圖 (sound pressure level)：可以簡稱「聲音響度圖」，在圖示下方，呈現此聲音隨時間變化的「聲音振幅大小」(dB)，此「聲音振幅」的物理意義是「聲音壓力位準」(sound pressure level)。【聲音壓力位準dB和dB(A)有甚麼不同？】

3.          頻譜圖 (spectrum)：因為解析的信號是「聲音」，所以稱為「聲音頻譜圖」，在圖示左方，呈現此聲音WAVE信號的「頻譜」，也就是頻率與其振幅的組成。圖示的垂直軸為頻率，單位：Hz，水平軸是聲音的振幅大小，單位：dB。可以觀察「聲音頻譜」的分佈特徵。【常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼？】

4.          時頻圖 (spectrogram)：在圖示正中央，水平軸是對應「時間域波形」的時間(sec)，垂直軸是頻率(Hz)，彩色的分布圖示為聲音振幅大小(dB)。可以觀察隨時間變動時，「聲音頻譜」的分布狀態與趨勢。【甚麼是時頻圖？】

「牛、羊、豬、大象」4種動物的聲音頻譜特徵分析，參閱圖示說明如下：

1.      牛的聲音：牛的哞哞叫聲，從「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察，似乎和人的發聲現象很相似，都是有倍頻音的特徵，而紅色的「聲音振幅」等高線，有平順的起伏，頻率連續性的升高而降低的聽感，是牛「哞—」叫聲的頻譜特徵。【人們唱歌的聲音，有甚麼樣的頻譜特徵呢？】

2.      羊的聲音：羊的咩咩聲，從「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察，在1500~3000Hz之間有多個倍頻音的峰值頻率，聲音振幅最大在3000Hz左右，同時，紅色的「聲音振幅」等高線，隨著時間變化有連續波動的現象，就是「咩咩…」聲音的頻譜特徵。從「時間域」的「聲音壓力時間域波形圖」以及「聲音響度圖」都可以觀察到明顯的波動現象，也是「咩咩…」時間域的特徵。

3.      豬的聲音：可以聽到是「ㄍㄧ」的長嘶叫聲，從「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察，「ㄍㄧ」的嘶叫聲，大約是2500Hz的主頻率，而有連續的略微升高頻率的現象，同時，低頻率有兩個較小振幅的頻率出現。在「時間域」的「聲音壓力時間域波形圖」以及「聲音響度圖」都可以觀察到波動及衰減的現象，是「ㄍㄧ」的嘶叫、顫抖聲的特徵。

4.      大象的聲音：聽起來類似像一種「喇叭」的聲音，從「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察，「ㄅㄨˊ」的嘶叫聲，主要在0~4000Hz的頻帶之間，有多個倍頻音的聲音效果，這確實與喇叭的聲音相似。在「時間域」的「聲音響度圖」可發現「響度」相當穩定。

由以上「牛、羊、豬、大象」4種動物的聲音頻譜特徵，讀者可以配合聽到的聲音，以及對應的4個聲音解析圖示，了解到這4種動物的發聲特性。

幾乎所有的動物、甚至昆蟲都會發出聲音，他們發出的聲音有甚麼意義嗎？是溝通、還是情緒的表達？似乎等等的疑問，都有待人類的探索！

這個單元以「頻譜分析」以及「時頻分析」，探討了「牛、羊、豬、大象」4種動物的聲音，在「時間域」及「頻率域」的各種特徵。本單元除了在介紹聲音的特徵解析外，或許有讀者想到要更深入了解其他不同動物，有怎樣的不同叫聲，以及不同的情緒關聯性，又是否能透過科學量化的聲音解析，了解動物的聲音之訊息傳達？

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2019.11.23

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《振動噪音科普專欄》不同的狗，吼叫的聲音頻譜有甚麼差異？

由先前單元：【人們唱歌的聲音，有甚麼樣的頻譜特徵呢？】，探討人聲唱歌的聲音頻譜特徵，或許會好奇其他動物的叫聲、吼聲會有怎樣的聲音頻譜呢？本單元就來討論4隻狗的吼叫聲音之解析。

首先，請讀者觀看影片，可以先聽一下這「4隻狗的叫聲」，對應於所錄製的聲音WAVE檔案，所繪製的「聲音壓力時間域波形圖」也同時呈現，可以聽出來，「4隻狗的叫聲」是有對應此「時間域波形圖」的特徵。

本單元對「4隻狗的叫聲」的頻譜特徵分析，係採用屏科大機械系振動噪音實驗室開發的【SM軟體】，進行「頻譜分析」以及「時頻分析」，參閱圖示說明如下：

1.          聲音壓力時間域波形圖 (time waveform)：在圖示上方，呈現所分析聲音WAVE檔案的原始「時間域波形」信號。代表的物理意義是「聲音壓力」(sound pressure)。此波形圖呈現了聲音的「波動」現象，不過，除了大小聲外，似乎觀察不出甚麼特別的現像。

2.          時間域聲音壓力位準(響度)圖 (sound pressure level)：可以簡稱「聲音響度圖」，在圖示下方，呈現此聲音隨時間變化的「聲音振幅大小」(dB)，此「聲音振幅」的物理意義是「聲音壓力位準」(sound pressure level)。【聲音壓力位準dB和dB(A)有甚麼不同？】

3.          頻譜圖 (spectrum)：因為解析的信號是「聲音」，所以稱為「聲音頻譜圖」，在圖示左方，呈現此聲音WAVE信號的「頻譜」，也就是頻率與其振幅的組成。圖示的垂直軸為頻率，單位：Hz，水平軸是聲音的振幅大小，單位：dB。可以觀察「聲音頻譜」的分佈特徵。【常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼？】

4.          時頻圖 (spectrogram)：在圖示正中央，水平軸是對應「時間域波形」的時間(sec)，垂直軸是頻率(Hz)，彩色的分布圖示為聲音振幅大小(dB)。可以觀察隨時間變動時，「聲音頻譜」的分布狀態與趨勢。【甚麼是時頻圖？】

以下就針對這「4隻狗的叫聲」探討其「聲音頻譜」的差異，說明如下：

1.      A狗叫聲：從「時間域波形圖」，是連續的兩次吼叫聲，每次吠了3聲。在「時間域響度圖」約略和原始的聲音波形，是相對應的，有波動及衰減的現象。從「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察，在700Hz左右有明顯的峰值頻率，1000~2000Hz之間有多個峰值頻率，在3800Hz也有振幅較小的峰值頻率。

2.      B狗叫聲：從「時間域波形圖」，是連續的兩次吼叫聲，每次的叫聲有起伏的嗚聲，對應的「時間域響度圖」也是有起伏的對應特徵。從「聲音頻譜圖」可以看到有500、900、1200Hz等的明顯峰值頻率，在「時頻圖」的紅色線條，相當於「聲音振幅」等高線，可以觀察到起伏的波動現象，這就是對應這隻狗的叫聲，所聽到的「起伏音的嗚聲」。和「A狗叫聲」的比較，A狗有較高頻率、單一的吠叫聲。而「B狗叫聲」就相對比較低沉，發聲頻率比較低，吠叫時有「起伏音的嗚聲」。

3.      C狗叫聲：聽起來像是一隻小狗的叫聲，從「時間域波形圖」，是連續的3次叫聲，時間很短暫，由「時間域響度圖」可看出每次叫聲的衰減現象。從「聲音頻譜圖」可以看到在1000~3000Hz頻帶之間，有多個明顯的峰值頻率，由「時頻圖」的觀察，主要的高聲音振幅的紅色區間，也是在1000~3000Hz頻帶，相較於A及B兩隻狗叫聲，頻率相對較高，由短促的叫聲、頻率較高的頻譜特徵，聽起來就是一隻小狗的汪汪叫聲。

4.      D狗叫聲：這隻狗的叫聲，感覺起來也是一隻小狗，類似「B狗叫聲」也有「起伏音的嗚聲」，不過「D狗叫聲」在「時頻圖」的紅色線條的「聲音振幅」等高線，集中在1000~2000Hz，明顯比「B狗叫聲」在500~1500Hz之間，頻率比較高，所以聽起來是隻小狗的「汪—汪—」叫聲。

由以上的4隻狗叫聲的聲音頻譜分析探討，可以知道有類似單聲的吼叫，大狗叫的頻率比較低，聽感如「嗚、嗚、」，而小狗叫的頻率比較高，聽感如「汪、汪、」。有的狗叫聲會有「起伏音的嗚聲」，大狗的聽感是「嗚—嗚—」叫聲，而小狗的聽感是「汪—汪—」叫聲。

狗是人類忠實的朋友，他們的叫聲，或許就像人類有不同的情緒，會在語言聲調的表達中顯示出不同的情感。

這個單元以「頻譜分析」以及「時頻分析」，探討了狗的叫聲在「時間域」及「頻率域」的各種特徵。本單元除了在介紹聲音的特徵解析外，或許有讀者想到要更深入了解自家的狗兒，是有怎樣的不同叫聲，以及不同的情緒關聯性，又是否能透過科學量化的聲音解析，了解狗的訊息傳達？

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2019.11.23

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【活動報導】ISO 18436-2 CAT II國際振動分析師認證課程

2018年6月振動噪音產學技術聯盟(AITA/NVH)，與Mobius Institute正式簽約成為授權的培訓夥伴，並於2019年11月25-29日開起第三場【ISO 18436-2 CAT II國際振動分析師】培訓及認證課程，為台灣第一家由Mobius Institute授權開課認證機構。

課程為期四天半，最後半天考試，共有12個主題如下

1.      Principles of vibration振動原理

2.      Data acquisition數據採集

3.      Signal processing信號處理

4.      Condition monitoring狀態監測

5.      Fault analysis故障分析

6.      Corrective action矯正措施

7.      Equipment knowledge設備知識

8.      Acceptance testing驗收測試

9.      Equipment testing and diagnostics設備測試和診斷

10.  Reference standards參考標準

11.  Reporting and documentation報告和文件

12.  Fault severity determination判斷故障嚴重性

聯盟請到Mobius認證合格講師，馮騰峻先生為我們進行五天的課程訓練，第一天課程首先說明振動原理、信號處理以及時域波形分析；第二天課程主要介紹Data取得、分析過程與平衡旋轉機械、診斷不平衡；第三天課程將不對心、軸彎曲、軸承偏翹、如何軸對中、皮帶傳動分析、機械鬆動做一個詳細的解說；第四天課程說明滾動軸程、電動機、齒輪箱、泵、風機和壓縮機的振動分析；第五天課程，講師利用實際案例解說自然頻率與共振，並指導如何設置警報限及進行接受度測試。

第五天的下半天，進行振動分析師的認證考試，讓課程學員藉此成為一名合格的振動分析師。

經過精彩的認證課程訓練，讓學員學習到，如何成為「分析振動數據以檢測和診斷故障的人」，也透過課堂Q&A與綜合討論，課程學員與講師一同互動分享，使學員收穫滿滿。歡迎有興趣的廠商或學者與【振動噪音產學技術聯盟】聯繫。

活動花絮：

馮騰峻 講師 【ISO 18436-2 國際振動分析師課程】講解

馮騰峻 講師 【ISO 18436-2 國際振動分析師課程】講解

馮騰峻講師與學員大合照

振動分析師相關資訊請參考

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