《振動噪音科普專欄》甚麼是重擊現象(beating phenomenon)?


在振動或聲音量測,常會碰到量測信號有重擊現象(beating phenomenon),到底重擊現象是甚麼?為什麼會有重擊現象?重擊現象有甚麼影響?重擊現象是好的或不好的現象?如果是好的,如何創造重擊現象呢?如果是不好,又該如何避免重擊現象?本單元就來介紹重擊現象!




參閱圖1是重擊頻率(beating frequency)fb=5Hz的範例,時間域x(t)波形,是由兩個正弦波所組合而成,一個正弦波頻率,f1=200Hz,另一個正弦波頻率,f2=205Hz,由於兩個頻率值很相近,就會形成如圖示的時間域波形,而其對應頻譜就是兩個頻率的特徵。

再參閱圖2是重擊頻率(beating frequency) fb=10Hz的範例,不同的是,一個正弦波頻率,f1=200Hz,另一個正弦波頻率,f2=210Hz,因為重擊頻率fb=10Hz,比圖1的重擊頻率fb=5Hz大,所以,重擊現象的波形週期,就比較短。

1及圖2兩種不同重擊頻率的時間域波形特徵,以及對應聲音的聽感是完全不同的。在台灣宜蘭有林午銅鑼,他們製作的銅鑼所敲擊的聲音,就有這樣的重擊現象,聽起來就有很震撼的感受。

另外一方面來說,在一般的工廠機器振動的量測信號,如果有此重擊現象,通常就需要特別注意了。因為,重擊現象是兩個很相近的頻率之合成效應,機器的振動信號有重擊現象,常常是:一個頻率來自轉速頻率的激振頻率,另一個頻率,可能是結構的自然頻率,這時所引發的重擊現象,很可能是接近結構共振,對機器而言,重擊現象通常是一種警訊,需要特別留意。

綜合討論如下:
(1)      重擊的現象:信號在時間域的響應,會有如圖示的重擊波形現象;在頻譜圖,會觀察到有兩個頻率相近的正弦波;在時間域響應可以辨識出重擊週期,進而推算重擊頻率fb
(2)      重擊現象的原因:主要原因是有兩個頻率相近的正弦波之合成效應。時間域響應的重擊週期,會依兩個頻率的差值,所得到的重擊頻率之倒數推算之。
(3)      重擊現象的影響,是好的或不好的現象:對如銅鑼打擊樂器而言,重擊現象會有震撼的聲音感受效果,可能是好的現象。對於一般機器而言,如果有重擊現象,可能是結構共振的一種警訊,需要特別留意。
(4)      如果重擊現象是好的,如何創造重擊現象:以銅鑼而言,適當的結構設計,可使得銅鑼結構可發出聲音的振動模態,有兩兩相近的自然頻率特性,這樣就能夠產生重擊現象的聲音特徵。
(5)      如果重擊現象是不好,又該如何避免重擊現象:對於機器的振動信號有重擊現象,因為重擊現象是兩個相近頻率波的合成效應,要檢視產生重擊現象的基礎頻率及重擊頻率的來源,以確認避免共振,這是防患於未然的基本原則。

本單元討論重擊現象,以及重擊現象發生原因及其影響,希望對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2017.10.16





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