【聯盟教育訓練】聲學分析與應用 活動報導

　　【振動噪音產學技術聯盟】 2018年5月30日於臺北科技大學辦理「聲學分析與應用」教育訓練，首先由聯盟北部據點召集人蕭俊祥教授代表致歡迎詞後，後由山衛科技吳孝文博士，開始第一場教育訓練，其主題為「聲音品質應用」，演講中吳博士提到許多聲音品質的分析方式，包含音源查找與評價聲音品質之方法，亦提到許多與業界合作之案例，例如透過雷射都卜勒分析車輛之噪音源。吳博士的演講內容相當活用及豐富，勾起學員對於探討周遭環境及相關研究樂趣，參與的業界先進與學生提出研究或是工作場合問題，包含如何分析其音緣與聲音品質，吳博士也不吝嗇地提供方法解決其遭遇之問題。
　　第二場教育訓練，聯盟邀請到台北科技大學的許書涵教授，其主講題目為「淺談熱聲理論與技術」，許教授透過生動的實際實驗活絡研究氣氛，如玻璃管與加熱鐵網產生聲音，其是在氣柱共鳴管中施加一急遽軸向溫度梯度所觸發之自激振盪現象，並解釋熱聲效應數學模型理論以及相關研究應用，立即吸引台下學員目光，後續許教授拿出小型的熱聲引擎，熱聲引擎以聲波取代活塞機械可動部件，讓台下聽眾更了解熱聲引擎的實際應用。演講結束後，學員與許教授互相交流，並提出許多熱聲效應可應用於生活上的點子，使學員更加了解熱聲領域上之知識與應用。
　　本次教育訓練圓滿成功，透過兩位專家的演講，讓台下聽眾受益良多，許多業界人士也能學到相關技術，提升專業能力，參與的學生也能夠透過這次的演講，使自己的研究更加精進。

活動花絮：

聯盟北部據點召集人蕭俊祥教授為山衛科技吳孝文博士的開場介紹 

山衛科技吳孝文博士的精闢演講

台北科大許書涵教授透過玻璃管實驗解釋熱聲效應

台北科大許書涵教授解釋熱聲引擎做動原理

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【基太克】飛行器的振動量測技術研討會

Meggitt Sensing Systems是全球知名的量測服務供應商，在民用、軍用航太工業，能源工業以及實驗室量測等領域提供了性能先進的感測器以及狀態監測系統。此次的研討會將介紹應用於飛行器的振動量測技術，以及各式新型的加速規傳感器。講師James Timothy Hardin先生在Meggitt集團任職多年，對於壓電式加速規傳感器、電子儀器和電纜等產品及現場應用方面具有豐富經驗，將帶來精彩的技術分享。基太克國際敬邀業界先進共同參與，分享量測技術的新知。

• 開課日期：107 年 6 月 14 日 星期四 (9:00～12:10)
• 開課地點：407 台中市西屯區安和路129號（台中福華大飯店5F）台中福華大飯店提供免費停車
• 費       用：免費，並提供午餐
• 主辦單位：基太克國際股份有限公司 (強化區域合作推動中南部智慧機械及航太產業升級輔導推廣計畫辦公室)
• 報名截止日期：107 年 6 月 8 日
• 講       師：James Timothy Hardin，Senior Application Engineer，Meggitt Sensing Systems

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《振動噪音科普專欄》如何解讀典型圓形平板的模態振型？

工程師對一個結構進行了理論模態分析(theoretical modal analysis)，可以求解得到結構的「自然頻率」(natural frequency)以及對應的「模態振型」(mode shape)。如何解讀結構「模態振型」的物理意義呢？本文針對圓形平板結構「模態振型」之物理意義解讀方式作個介紹。

在先前的單元談過與振動模態相關的單元：【模態振型(mode shape)如何解讀？物理意義？】、【典型矩形平板模態振型之解讀】、【甚麼是結構的振動模態？】，可以先瀏覽以溫故知新。

結構的振動模態(vibration modes)，包括：自然頻率(natural frequency)、模態振型(mode shape)、及模態阻尼比(modal damping ratio)。此三個參數稱為模態參數(modal parameters)，振動模態是系統的特性，我們可以由理論分析、數值解析求得結構的「理論模態參數」；也可以由實驗方法，以「實驗模態分析」，求得「實際結構的模態參數」，可參考先前單元：【甚麼是【實驗模態分析】？What is 'Experimental Modal Analysis' (EMA)？】。

如圖1，是一個四週固定邊界的圓形平板結構，進行「理論模態分析」所求得的「自然頻率」以及對應的「模態振型」，看到彩色的圖示、甚至動畫，是不是有眼花撩亂的感覺？

從圖1，可以得知四週固定邊界的圓形平板結構的前20個振動模態，包括：「自然頻率」以及對應的「模態振型」，重點摘錄如下：

1.          這個圓板結構在400Hz以內，就有20結構振動模態：第1個自然頻率是34.66Hz，第20個自然頻率是387.44Hz。自然頻率通常由小排到大。

2.          軸對稱模態(axisymmetric mode)：由於是圓形的軸對稱結構，振動模態會有軸對稱的模態，如第2及第3個模態，自然頻率都是72.13Hz；其他如4/5、7/8、9/10、11/12、13/14、16/17、18/19都是倆倆的軸對稱模態。特徵是自然頻率相同，模態振型的物理意義相同，但是有90度相位角的差異。預期第21個模態也是與第20個模態是軸對稱的模態。

3.          非軸對稱模態(non-axisymmetric mode)：在這20個振動模態中，也有3個模態是非軸對稱模態，分別是：第1個自然頻率是34.66Hz，第6個自然頻率是134.92Hz，及第15個自然頻率是302.24Hz。

圖2標示了每個振動模態的節線(nodal line)，節線是有甚麼意義呢？在節線位置，圓板是不會來回振動，也就是不動點的位置。從圖2及影片的說明，重點如下：

1.          圓形平板可以以(r, θ)極座標的方式，藉以表示模態振型的物理意義。

2.          θ=0，是沿著圓週方向，沒有節線。θ=1，沿著圓週方向，有一條節線。θ=2，沿著圓週方向，有兩條節線。θ=3，沿著圓週方向，有三條節線。

3.          r=0，是沿著半徑方向，沒有節線。r=1，是沿著半徑方向，有一圈的節線。r=2，是沿著半徑方向，有兩圈的節線。

4.          綜合起來，圓形平板的模態振型物理意義，就可以由(r, θ)=(0,0)、(r, θ)=(1,0)、(r, θ)=(2,0)、(r, θ)=(0,1)、(r, θ)=(0,2)、(r, θ)=(0,3)等方式來標示。看到如(r, θ)=(1,3)，就可以知道是沿著半徑方向，有一圈的節線，而沿著圓週方向，有三條節線。

5.          須注意，自然頻率由小到大出現的順序，在圖2中，以(r, θ)方式標示的方式，是不規則跳動。

6.          也可以預期，自然頻率越高，所對應的模態振型將越複雜，複雜是指「節線」的數量會越多。

透過圖2以(r, θ)方式，標示圓形平板的模態振型物理意義，可以快速方便讓人一目了然，更能夠有意義的解釋振動模態的變化情形。

希望本文對解讀圓形平板結構模態振型(mode shape)物理意義的說明，對您有幫助！

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2018.05.08

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【聯盟教育訓練】如何用一支加速規進行工具機的機器學習 活動報導

　　2018年5月18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，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，教授對於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。

　　接著由PMC 精密機械研究發展中心 T3智慧整合開發部陳聖哲講解「如何用一只加速規進行工具機的機器學習」，在切削工件時，顫振的發生往往都是措手不及，並且它會在工件表面留下顫振刀痕及較大的粗糙度，致使刀具及工件損壞。構想將利用機器學習技術，在即將發生顫振前，提早預警，再提供給控制系統進行迴避作業，透過機器學習的方法論與演算法，如類神經網路、羅吉斯回歸、主要成分分析等建立模型提供預測使用。

　　藉由學界理論與業界實例，讓學生更能體會如何在眼下AI浪潮中實現人工智慧實際的應用在工具機診斷中，並學習各種演算法基礎概念與其應用目標，在自身研究或者未來就業皆能有所助益，並對台灣工具機產業能夠更多正面的改進。
活動花絮：

圖1 陳聖哲工程師 刀削顫振早期預防

演講主題如下：

1.彰師大-黃宜正教授

• 量測到的感測器資料數據應該如何面對與處理
• 機器學習方法
• 案例分享：牙科手機預壓及損傷與工具機滾珠導螺桿螺帽預壓力

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2.PMC精密機械研發中心-陳聖哲工程師--刀削顫振早期預防

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《振動噪音科普專欄》打擊樂器如何分類？

打擊樂器可以說是人類在樂器發展中，最早出現的一種樂器形式，因為是透過打擊不同物體，就很容易可以產生出不同的聲音效果。打擊樂器的種類相當多，有興趣讀者可以參考維基百科【https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_percussion_instruments】。

在先前單元【樂器如何分類？】，我們由樂器的發聲機制來看，可以概分為以下幾種：

1.          Idiophone 體鳴樂器。

2.          Membranophone 膜鳴樂器。

3.          Chordophone 弦鳴樂器。

4.          Aerophone 氣鳴樂器。

那麼，我們如何對打擊樂器(percussion instrument)分類呢？其中一種方式，就是分為：

1.          有調打擊樂器(tuned or pitched)：參閱圖示，如木琴(xylophone)、鐘琴(glockenspiel)、顫音鐵琴(vibraphone)等，可以看出這些打擊樂器都有不同音階的排列組合，如同鋼琴的白鍵與黑鍵，可以明確打擊出不同音高(pitch)，也就是Do、Re、Me等不同音符(musical notes)，是可以演奏一首樂曲。

2.          無調打擊樂器(Un-tuned or unpitched)：參閱圖示，如木魚(wooden fish)、塑膠木魚(plastic wooden fish)等，主要用於節奏(rhythm)的伴奏，在樂曲演奏中，是屬於輔助型的打擊樂器。

知道了有調及無調的打擊樂器，那麼這些打擊樂器的聲音有甚麼不同嗎？以有調打擊樂器的木琴、鐘琴及顫音鐵琴來看，他們的打擊聲音的聽感會有所不同，是甚麼原因呢？又，像木魚這種節奏伴奏用的無調打擊樂器，他們的聲音又有怎樣的特徵？

我們可以由頻譜分析的方法，來解析這些聲音的特徵。讀者可以參考先前單元：【甚麼是頻譜分析？】、【常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼？】。

參閱圖示及影片，我們針對打擊樂器的聲音來一探究竟，分別說明如下：

1.          木琴(xylophone)：是敲擊C6，Do音階的聲音，從聽到的聲音及時間域響應來看，得知聲音短暫急促，時間域波形有快速衰減的特性，因為琴鍵是木頭製作。由對應的聲音頻譜(sound spectrum)來看，可以區別出：(1)基音頻率(fundamental frequency)，是聲音頻譜上的第1個峰值頻率；(2)泛音頻率(overtone frequencies)，是聲音頻譜上，除了第1個峰值頻率外，所有的峰值頻率，都是泛音頻率。

2.          鐘琴(glockenspiel)：也是敲擊C6，Do音階的聲音，由於鐵材製作的琴鍵，聲音的衰減率小，時間域波形有逐漸降低的趨勢。又，由聲音頻譜圖，可以區別出來：(1)基音頻率、(2)泛音頻率，與木琴相比較，是有明顯的差異，這就是同樣是C6的音階，兩種樂器所呈現的聽感不同，這種音色(tonality)的差異，主要就是來自泛音頻率組成特徵的影響。

3.          顫音鐵琴(vibraphone)：圖示是G3，就是So音階的聲音，可以看出時間域的聲音波形，呈現穩定的衰減效應。同樣，在聲音頻譜可以區別：(1)基音頻率、(2)泛音頻率；與木琴及鐘琴相比較，也是有相當明顯的差異。當然這就是琴鍵結構的幾何設計，會有不同的泛音頻率效果。有關琴鍵結構幾何對打擊樂器聲音特性的影響，我們再另闢單元討論。

4.          木魚(wooden fish)：是圖片其中一個木魚，量測的打擊的聲音以及時間域波形和聲音頻譜圖，可以知道像這種伴奏節奏用的無調打擊樂器，主要是發出一個單頻率的聲音，敲擊時有大音量，但是聲音快速的衰減，所以木魚就很適合用於節奏性的伴奏。可以透過不同大小的木魚，發出不同音高的聲音，作為樂曲的輔助演奏。

5.          塑膠木魚(plastic fish)：也是取圖片其中一個塑膠木魚，量測的打擊聲音以及時間域波形和聲音頻譜圖。不管是木魚、或是塑膠木魚，一般而言，大的結構體，聲音會較低沉；小的結構體，聲音會比較高。同樣的，有調打擊樂器，琴鍵大的長的是低音，琴見小的短的是高音。

打擊樂器實在是有太多種類，各有其聲音特色，也有不同的演奏方式，就算是前述的木琴、鐘琴及顫音鐵琴，選擇不同材質的打擊棒，演奏出來的聲音也都會有所差異。讀者看到這裡，是否想要敲打一下不同物體的聲音，感受一下打擊聲音呢？

本單元簡單介紹打擊樂器的一種分類方式：分別是有調及無調打擊樂器。同時，介紹了(1)基音頻率、(2)泛音頻率，所組成的樂器之音色。希望本文的討論對讀者有幫助。

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2018.04.21

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【聯盟教育訓練】抑振技術在UAV航拍品質改善之應用 活動報導

2018年5月11日高苑科技大學辦理「抑振技術在UAV航拍品質改善之應用」，本研討會由嘉南藥理大學周玉端博士演講有關抑振技術在UAV航拍品質改善之應用，並與與會各廠商代表如格福、鍵財、川益、豪星、油機、多米諾自動化、東豐纖維等，共同研討抑振技術在產業之應用等相關議題。

　　近年來由於無人飛行載具(UAV)具備高機動性與相對低成本的特性，可運用於填補傳統衛星遙測與傳統航拍資料獲取的空隙，同時藉由具備定位導航系統、自動飛行控制、即時影像及資訊傳輸等先進功能，使得空間資料的蒐集更有效率。UAV將是繼衛星遙測技術之後，成為21世紀空間資訊革命極具戰略關鍵的發展平台。然而在實際的UAV航拍攝影過程中，現有主要機載影像系統由於機身振動及外界擾動（側風干擾等）所帶來的飛機機身瞬時運動，會發生周期性的搖晃，使視軸模糊，甚至使目標脫索，造成攝影機瞄準線相對被測目標的偏移，特別當飛機運動姿態較大時；如躲避威脅時，可藉由飛機本身振動抑制及慣性修正方式，維持攝影機原偵測方向。

　　本次演講過程先針對機械振動噪音的基本概念進行說明，藉由原理的說明及案例的演示，加強聽眾對振動噪音的基礎知識有先期的認知。接下來導入振動量測的儀器、裝置方式及訊號解讀的說明，使聽眾能了解實際機械振動實驗過程。最後以無人飛行系統航拍雲台抑振之應用，作為實際案例的演示。此次演講涵蓋了學理、量測與實作內容，可提供聽眾對機械振動與應用有完整的概念。

活動花絮：
 

圖1 周玉端主任主講振動噪音原理與測量之基本概念 

 

圖2周玉端主任主以航拍機舉例說明 

 

圖3 周玉端主任藉由戶外講解UAV航拍雲台抑振實例 

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聯盟【聲學分析與應用】教育訓練，在北科大，歡迎各位先進踴躍參加~

【聲學分析與應用】教育訓練

本次聲學分析與應用教育訓練，將在台北科技大學舉辦，邀請到山衛科技的吳孝文博士來為此訓練做演講，吳博士將會探討如何評價聲音品質方法及其理論深度探討，並介紹音源查找與傳遞路徑之研究，進而於此研究探討中了解聲振耦合技術應用與Beamforming技術應用；另外也邀請到台北科技大學的許書涵教授進行下半場演講，其將探討熱聲效應，其是在氣柱共鳴管中施加一急遽軸向溫度梯度所觸發之自激振盪現象。由於熱聲效應是以聲波形式運行熱力循環，可應用為熱聲引擎與熱聲冷凍機。熱聲引擎以聲波取代活塞機械可動部件，有耐久、易保養等優點，亦可運行高熱效率之史特靈循環，因此演講將深入探討熱聲現象與熱聲裝置發展現況、線性熱聲理論、熱聲引擎聲場計算簡述以及管內聲場量測，使各位更加了解此領域上之知識與應用。
　　在此專業領域上能有這麼好的教育訓練，能了解更多知識與應用，要把握好此次機會喔~誠摯邀請各位先進踴躍參加~

1. 日期：107年5月30日(星期三)下午13:00至17:00
2. 地點：國立臺北科技大學 綜合科館 110-2室
3. 對象：業界先進、學校教師與學生
4. 報名費用：免費參加，名額有限，請盡快報名，以免向隅
5. 報名方式：請至本聯盟網站點選【活動報名5月份】→【聲學分析與應用】教育訓練→填寫報名表後送出。報名截止日：107年5月2９日中午12:00止。

時間	演講主題	演講人
13：00～13：20	報到
13：20～15：00	聲音品質應用	山衛科技 吳孝文 教授
15：00～15：20	茶敘
15：20～17：00	淺談熱聲理論與技術	北科大 許書涵 教授
17：00	賦歸

• 主辦單位：科技部、國立屏東科技大學「振動噪音產學技術聯盟」、國立臺北科技大學
• 協辦單位：國立師範科技大學、高苑科技大學、正修科技大學、中華民國振動與噪音工程學會
• 聯絡人：洪藝玲專員 (08)770-3202#7036

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