結構音場預測之驗證與應用

       近年來合金與複合材料的快速發展，以及球具使用者對揮桿舒適度與擊球聲音悅耳度之要求日漸增高，但因球頭設計為複雜的過程，其球頭之幾何設計參數相當多，很難利用簡易的實驗歸納法或試誤法配合球桿，設計或改善球頭參數與造型。而利用結構的振動特性與聲音頻譜間之關聯性分析，並將其應用在各種不同結構或高爾夫球頭設計上，以減少振動及改變聲音響應的實務分析上，進而使產品的品質提高，減少結構因共振產生破壞，更能對結構作變更設計預測其聲音響應，使產品聲音達到優化，所以有必要利用聲音模擬預測方法，來預測及改善高爾夫球具之擊球聲音。

    本文主要利用電腦輔助工程分析(Computer Aided Engineering, CAE)及實驗模態分析(Experimental Modal Analysis, EMA)，除了針對一完成模型驗證之平板結構，同時也對高爾夫球頭進行擊球之聲音量測，並結合CAE技術導入VL-ACOUSTICS聲音預測分析軟體，運用結構音場分析模組，進而得到理論預測之結構聲音響應，最後以實驗量測所得之聲音響應進行比對，以驗證評估理論之聲音預測方法之可靠度。

屏東科技大學機械工程系所  振動噪音實驗室
實驗室主持人：王栢村教授
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特殊音效打擊樂器之開發與製作

        打擊樂器已經發展超過百年，甚至可上溯到古代世界各地。一些古老的打擊樂器能產生出來自古人智慧之特殊聲音效果。編磬是石頭做的中國傳統打擊樂器之一，古鈸也被稱為古董鈸是青銅製之圓盤狀結構。這兩種古老的打擊樂器分別發現都有潛在的能產生【簡諧倍頻音】，但較少科學化系統性的研究。【簡諧倍頻音】是指所產生的敲擊聲，其數個泛音頻率相對於基本頻率有接近整數比的效應，因而有飽滿、柔軟之和諧音效。由於此特殊的聲音效果，本計畫將分別開發具有【簡諧倍頻音】的兩種新型打擊樂器，分別是鐵磬及古鈸。
       本計畫將參考石磬與古鈸之現有基本外形，並進行改良設計，發展出具特殊外型與音效之打擊樂器，首先將透過最佳化設計方法找出符合各個音階之最適外型，並提出了專利的申請，並進行實際加工，也將透過聲音量測技術，針對完成設計與製作之特殊音效打擊樂器進行聲音品質評估，包含音準、音色、持續度以及各項主客觀指標。進而完成2組2個八度音之「具簡諧倍頻音打擊樂器」之設計與製作。

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和弦鐵琴之設計製作與樂音品質主觀評價

       目前市面上的打擊樂器--鐵琴，其單一鐵琴片具有C音階的基音頻率以及多個隨機散佈的泛音，因此敲擊單音之聲音較為單調且音色特性儉樸，故設計製作具有豐富泛音特性的打擊樂器是為創新性之嘗試；而聲音量測程式方面則進行打擊樂器的實際量測，並進行比較與評估，希望針對打擊樂器製作出一樂音品質之主觀評價方法。

       為使所設計之和弦音鐵琴片結構，符合目標之聲音頻率與打擊方式而進行改善設計與製作。將所開發之低成本自動化PC base聲音量測模組，對各種打擊樂器做現場(on-site)即時量測與樂音頻率分析，藉以建立打擊樂音品質之主觀評價方法。

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基於聲音品質之結構逆向設計應用於具簡諧與和弦音銅鑼組之開發

       銅鑼聲音特性較為單調、音色較為儉樸，又可分為無調與有調兩種，一般常見的銅鑼階為無調，無固定音高；而有調銅鑼有固定音高之特性。銅鑼經敲擊後，其聲音是由基音頻率與多個隨機泛音組成，其基音與泛音之間並無一定之比例關係，故一般銅鑼的聲音不具和諧性。將以打擊樂器為出發點延續至銅鑼結構設計，針對已充分了解「和諧結構」的設計方法與原則，發展出具簡諧倍頻與和弦音之銅鑼結構。

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聲音模擬程式之發展與應用

       就過去的做法，在聲音的分析方面，僅以耳聽的方式來判定音階的高低與音色的好壞，然而面對現今科學技術的進步與創新，對於過去這樣的作法，似乎不符合經濟效益。

       本文目的旨在發展聲音頻譜分析程式，利用簡易的錄音設備，並配合各種不同的敲擊工具，針對鑼臍型銅鑼在敲擊後所發出的聲音加以錄製，再透過聲音頻譜分析程式，以求得其銅鑼之聲音頻譜變化。並發展具多頻率對數衰減正弦波之聲音模擬程式，將鑼臍型式銅鑼進行外觀幾何形狀之變更，經由多頻率具對數衰減正弦波之聲音模擬程式，以瞭解鑼臍型式銅鑼之幾何形狀對聲音的影響。

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具和弦音與簡諧倍頻音鐵琴片之設計分析

       目前市面上的產品，就鐵琴片而言，其形狀所形成的結構振動模態特性，所得到的基音為其主音階，泛音與基音並沒有簡諧倍頻音與和弦音的特性，為獲得和弦與和諧音的感受(consonance)，設計出鐵琴片之幾何形狀結構，使得其基音與泛音有特殊的比例關係，形成和弦音與簡諧倍頻音關係，則可使得鐵琴片能發出和弦聲音(chord sound)與和諧聲音(harmony sound)。

       本文以和諧音(harmony sound)為出發點對結構幾何進行外形設計，發展具和諧音結構之設計理念，並建立基於兩種聲音特性需求的結構幾何形狀尺寸設計方法，包括：(1)具和弦音、(2)具簡諧倍頻音，使得所設計的結構本身之振動自然模態具有和諧性，本文以鐵琴為設計之標的物，設計並製作出具有豐富泛音特性的打擊樂器。

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鐵磬之模型驗證與聲音特性探討

       石磬為石製的一種古代打擊樂器，在中國與韓國都有發現，石磬基本外形為L 型板塊，具有長股與短股以及其間夾角的幾何特徵。本文利用有限元素分析技術，以鐵質材料進行材質轉換，建立幾何參數化的分析模型，進行理論模態分析，可求得理論之模態參數，包括鐵磬結構的自然頻率與模態振型；也取一組幾何參數設計，進行鐵磬加工製作，並對實際鐵磬結
構進行實驗模態分析，以衝擊鎚為輸入，麥克風為輸出，透過頻譜分析儀擷取信號經由快速傅立葉轉換，求得鐵磬之頻率響應函數，再利用曲線嵌合軟體擷取出鐵磬的實驗模態參數；經比對驗證有限元素分析與實驗之模態參數，可確認分析模型與實際結構之等效性，未來可應用此分析模型做特殊音效鐵磬之設計。本文也對實際製作的鐵磬以不同硬度之敲擊槌探討打擊聲音特性，了解鐵磬敲擊聲音之音色與振動模態關聯性。本文結合理論與實驗分析方法所建構之設計開發流程，將可應用於各類打擊樂器之設計與製作。

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古鈸打擊樂器之聲振耦合分析

       敲擊聲音響應是評估打擊樂器聲音品質的重要依據，而敲擊聲音與空氣及結構的幾何形狀，材料和邊界條件形成耦合效應，透過實驗手法的設計分析曠日廢時，因此本文旨在發展打擊樂器振動聲音的耦合分析，採用有限元素分析(FEA)商業軟體建構空氣結構耦合系統的有限元素模型。首先進行系統的聲場模態分析，以獲得空氣結構系統的聲場模態參數。系統模態振型可以分為結構模態振型及聲場模態振型。結構模態振型通常可由實驗模態分析(EMA)求得，聲場模態振型則不容易由實驗得到。本文將分別由FEA及EMA所求得的結構相關模態特性進行比較，包括系統的自然頻率及位移模態振型，另外可以從分析結果觀察聲場模態振型。

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鐵磬打擊樂器之聲振耦合分析

       打擊樂器的敲擊聲音響應是評估打擊樂器聲音品質的重要依據，因此預測結構聲音響應有其需要性。本文主要針對可作為打擊樂器的鐵磬結構進行聲振耦合分析，首先運用有限元素分析(FEA)商業軟體建構空氣結構耦合系統的有限元素模型，進行系統的聲振耦合模態分析，以獲得空氣結構系統的模態參數。系統模態參數，包括自然頻率及模態振型，其中模態振型又可以分為結構位移模態振型及聲場聲壓模態振型。透過對實際結構進行實驗模態分析，可求得實際結構之模態參數當作基準，進行模態參數之驗證。

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民俗童玩木製青蛙之聲音特性探討

       在台灣觀光形象商圈上，民俗童玩木製青蛙是常見的商品，可以敲擊或刮刷木製青蛙而發出類似青蛙鳴叫的特殊聲音，因此擬以科學量測方式對木製青蛙的聲音進行研究。本文收集了八隻體型不同之木製青蛙，其中有兩隻大小相近，但不同的製造廠家。實驗設計針對木製青蛙放置在桌上或以手持，分別以敲擊頭部，以及前刮刷拭木製青蛙背脊的波浪表面，進行聲音量測取得時間域響應，透過快速傅立業轉換求得自身功率頻譜密度函數以觀察聲音頻譜特性。本文探討了不同尺寸木製青蛙之間的聲音特性，未來可透過電腦模擬分析，將有助於改良木製青蛙的聲音品質，或是發展成有調的打擊樂器。

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竹製打擊樂器之聲音特性探討

       每種樂器演奏的聲音都有各自的特色，可以藉由聲音量測判別不同樂器的聲音特性，進而改良樂器的製造工藝。本文針對一組從C6到G7具有12個音階的竹製打擊樂器進行聲音特性探討，每一竹管為圓柱殼結構，在一端有特殊的底切構造。實驗規劃在量測每一個竹管受敲擊時的時間域響應，並獲得聲音功率頻譜，探討敲擊聲音的頻譜特性。針對每一竹管，以三個指標包括：音準、音色、持續度，進行聲音特性探討。

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銅鑼模型更新及聲音與振動特性探討

        銅鑼為典型的中國傳統樂器之一，一般用於廟宇慶典活動或節慶助樂之用，在張[1] 林午銅鑼的製作與調查中，說明「鑼」為中國樂器中，極為重要的敲擊樂器，而鑼之厚薄、大小與外觀形狀等均會影響其聲音音質。

       本篇是運用實驗模態分析的方式，對銅鑼進行實驗量測與理論分析，以衝擊鎚為驅動器激振銅鑼，並以加速度計為感測器，透過頻譜分析儀SigLAB擷取信號，經過傅立葉轉換獲得結構頻率響應函數，再利用曲線嵌合獲得該銅鑼之模態參數，包括自然頻率及所對應之模態振型，以提供有限元素分析的模態參數進行比對，確認有限元素模型的正確性，並進一步了解其模態特性與振動特性。

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平鑼聲音特性與振動分析之探討

    鑼係源自中國，在我國傳統樂器中佔有重要的角色，不論是迎神賽會或民間慶典，到傳統戲曲中，鑼已成為不可或缺的樂器之一。主要以結構激發振動進而產生聲音，而影響發聲機制的因素相當多，諸如樂器之結構、形狀、尺寸和材質等，因此進而探討平鑼發聲之物理機制及其相關振動特性。

       本文研究主要探討平鑼之振動與聲音特性，結合實驗模態分析和聲音量測進行探討，對平鑼進行實驗量測與理論分析，以衝擊鎚為驅動器，並以加速度計為感測器，透過頻譜分析儀SigLab擷取信號，經過傅立葉轉換獲得結構頻率響應函數，再利用曲線嵌合獲得該平鑼之模態參數，以提供有限元素分析的模態參數進行比對，確認有限元素模型的正確性，並進一步了解其結構振動模態特性與發聲機制之相關性。

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不同打擊樂器聲音特性探討

       各種樂器之發聲模式不同，有打擊、吹奏及摩擦等不同方式，各種結構激發振動產生聲音，又每種樂器之結構振動方式皆不相同，主要影響發聲的要素相當多，如樂器的結構、形狀、尺寸及材質等，因此對不同打擊樂器進行聲音量測，以了解不同打擊樂器的聲音特性，掌握不同打擊樂器的聲音特性。

       本文針對打擊樂器以不同量測系統頻譜分析儀進行聲音量測，針對聲音特性進行探討，以聲音品質音高、音色及持續度這三大方向進行討論，從中了解不同打擊樂器的聲音特性。

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鐵琴樂器之聲音特性分析與驗證

       鐵琴片是西方的一種打擊樂器，在打擊樂器當中，鐵琴的聲音清脆、鮮明，既可以當旋律的主奏，亦可當旋律的伴奏，在配器的使用上變化性是相當高的。鐵琴是由許多不同尺寸音階的音板所組合而成的，主要是運用敲擊槌敲擊各個不同尺寸音階的鐵琴片音板來發出聲音，本文將探討鐵琴片結構之聲音特性，並對鐵琴片結構之自然頻率與模態振型差異及邊界的影響進行探討。

       本文的主要目的是探討鐵琴片結構之聲音特性，並建構鐵琴片於自由及實際邊界下之有/無加速度計之參數化有限元素模型，接著進行鐵琴片於自由及實際邊界下之有/無加速度計之完整的模型驗證。

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實際邊界下之鐵琴片模型驗證

       鐵琴片是西方的一種打擊樂器，在打擊樂器當中，鐵琴的聲音清脆、鮮明，既可以當旋律的主奏，亦可當旋律的伴奏，在樂團中樂器的配器當中，其使用上的變化性是相當高的。鐵琴是由許多不同尺寸音階的音板所組合而成的，主要是運用敲擊槌敲擊各個不同尺寸音階的鐵琴片音板來發出聲音，從過去的研究裡得知鐵琴片結構本身的模態特性，並探討鐵琴片結構於聲音與振動之關連性，但對於鐵琴片於海棉棉墊基座的實際邊界下，鐵琴片結構自然頻率與模態振型之差異及邊界的影響，尚未有深入的探討。

       本文的主要目的是建構自由及實際邊界下之有/無加速度計鐵琴片之參數化有限元素模型，並運用實驗與分析結果對鐵琴片探討有/無加速度計之影響，接著進行C6與C7音階鐵琴片於自由及實際邊界下之有/無加速度計之完整的模型驗證，最後，運用驗證後之參數化鐵琴片有限元素模型對不同音階鐵琴片進行模態參數之預測與驗證。

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特殊設計簡諧倍頻鐵琴組之聲音品質評估

        市面上常見的鐵琴組，單一鐵琴片經敲奏產生一基音頻率及多個隨機散布的泛音，聲音較為單調、音色特性簡樸，故設計製作具有豐富泛音特性的打擊樂器為創新性之嘗試。為使簡諧倍頻音鐵琴組得以商品化，需建立一套評估製作鐵琴片聲音品質之方法。

        本文針對已申請專利[1,2]之特殊外型鐵琴片製作成品，進而量測其聲音頻率做數據比對，與探討簡諧倍頻音鐵琴片聲音特性，包括：音準、音色與持續度等；探討不同材質敲擊槌，對簡諧倍頻音鐵琴片之影響；製作完成三組八度音之簡諧倍頻音鐵琴組，經由客觀量測評估與主觀評價做比較，探討其聲音品質特性，未來也可作為評估或製作打擊樂器的依據。

        

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