【振動噪音產學技術聯盟】網頁導覽影片

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振動噪音產學技術聯盟

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【基太克】107年12月11日工具機振動與動態精度量測技術研討會(台中)

工具機動態精度直接影響加工成品的精度,是評價機台品質的重要指標。機台使用者可以藉由量測動態精度的結果安排機台檢修校正計劃;機台開發商也能夠據此瞭解機台動態特性而進行調校,提升產品競爭力。本次研討會將介紹主軸迴轉精度、五軸機同動誤差等多種機台動態精度的量測方法,也將分享振動量測及校正動平衡的實務經驗,作為改善動態誤差的參考方法,內容豐富,歡迎業界先進蒞臨指教!

開課日期:107年12月11日 星期二 (9:00~16:00)
開課地點:407台中市西屯區東大路一段951號(逢甲大學中科校區)
    用:免費
主辦單位:基太克國際股份有限公司
報名截止日期:107年12月7日
講    師:工研院智慧機械科技中心 馬勝銘
              工研院智慧機械科技中心 陳建宏
              工研院智慧機械科技中心 吳偉任
              基太克國際股份有限公司 陳雲飛  

課程資訊:

■附    註:為尊重講師之智慧財產權益,恕無法提供課程講義。
■報名方式:※ 請填妥報名表後傳真至04-23504135
※ 報名電話:04-23504138 王筱芬 #218 /蕭家榛 #213,※傳真:04-23504135
※E-mail: fen@g-tech-inst.com / sandy@g-tech-inst.com
(※名額有限,請及早報名)


《振動噪音科普專欄》銅鑼振動與聲音特性探討及虛擬測試

銅鑼是一種打擊樂器打擊樂器如何分類?】、【樂器如何分類?】,在先前單元有對銅鑼的「振動模態」如何解讀?】、【鑼臍型式銅鑼之敲擊聲音與振動模態有關嗎?】,係由模態振型的角度在解釋銅鑼的發聲機制。

這個單元以一個手工打造具階梯弧面銅鑼,分別從實驗分析的方法來探討銅鑼振動模態特性。同時,說明虛擬測試(virtual testing, VT)的理念,應用在預測不同銅鑼形式發出聲音頻率的方法,也是打擊樂器設計開發的作業程序理念介紹。

先前單元介紹過虛擬測試【模型驗證的意義與虛擬測試之應用】,主要有三個步驟:

1.      模型驗證(model verification, MV):針對系統結構,分別透過分析與實驗的解析,比對驗證系統模態參數相吻合,以確認結構系統之分析模型正確性
2.      響應預測(response prediction, RP):引用驗證後的結構系統分析模型,設定外力負荷條件以及邊界狀態,可以進行響應預測,得到設定的性能指標(performance index)
3.      設計變更(design modification, DM):透過模型變更(model modification),可以對結構系統分析模型,進行如幾何形狀尺寸的設計變更,並進行虛擬測試(virtual testing, VT)

本單元,以銅鑼設計開發為目的,引用虛擬測試VT的三大步驟,首先,執行模型驗證MV,來了解銅鑼的振動特性,並以響應預測RP探討銅鑼的發聲機制,最後闡述設計變更DM的理念,可以預測不同銅鑼幾何形狀甚至尺寸變異的銅鑼敲擊聲音的發聲頻率。執行銅鑼設計開發的解析步驟及程序,說明如下:

1.      進行實驗模態分析(experimental modal analysis, EMA):以衝擊鎚敲擊實際的銅鑼,並以加速度規麥克風,分別量測銅鑼的加速度響應及聲音特性。可以取得結構系統的頻率響應函數模態參數包括:自然頻率(natural frequency)模態阻尼比(modal damping ratio),以及對應的模態振型(mode shape)
2.      進行有限元素分析(finite element analysis, FEA)FEA可以分成兩個步驟:(1)理論模態分析(theoretical modal analysis, TMA),可以得到理論的自然頻率以及模態振型(2)簡諧響應分析(harmonic response analysis),可以得到理論的頻率響應函數
3.      進行模型驗證(model verification, MV)的比較程序:接著,比對分析實驗所得到的模態參數,包括:自然頻率及對應的模態振型之比較。圖示列舉第一、第三、及第六個振動模態振型的分析與實驗比較,顯示有合理的對應,也就是分析模型可以有效預測銅鑼的振動模態特性。
4.      響應預測(response prediction, RP)對實際銅鑼以三種衝擊頭,如鋼頭、布頭、及塑膠頭,分別敲擊並量測銅鑼聲音響應,進行頻譜分析,取得聲音頻譜。以布頭敲擊為例,第二個峰值頻率320Hz有最大的聲音響應,觀察其對應的模態振型,是中間區域圓板(1,1)局部振動模態,也有如100Hz(r,θ)=(0,2)整體結構模態(global mode),以及607Hz是銅鑼中間區域的(r,θ)=(0,1)局部模態(local mode)的聲音頻率。更詳細的模態振型物理意義解讀,可參考:【銅鑼的「振動模態」如何解讀?】。在此重要的意義,是可以充分了解了此銅鑼振動模態,所對應的敲擊銅鑼後的發出聲音機制
5.      設計變更(design modification, DM):由前述步驟,EMAFEAMVRP,透過實驗與分析的比較,除了了解銅鑼的振動模態特性,也知道銅鑼發出聲音的機制銅鑼的模態振型相關。由於已經有了FEA的分析預測技術,並有MV的驗證,分析手法已經有相當的參考價值,可以對FEA的分析模型,進行不同銅鑼形狀的幾何模型變更,據以分析及預測銅鑼振動模態特性,進而可推測銅鑼的發聲模態發聲頻率

本單元以實際的一個「銅鑼結構」進行分析與實驗探討結構的振動模態,並由敲擊的聲音頻譜解讀了銅鑼發出聲音的機制,再引用虛擬測試VT的理念,可以對不同銅鑼形狀的發聲模態進行預測與設計分析,希望對讀者在了解打擊樂器設計開發原理CAE技術的應用,有進一步的了解與體會!

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.10.08


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《振動噪音科普專欄》銅鑼模型更新及聲音與振動特性探討



銅鑼是一種打擊樂器打擊樂器如何分類?】、【樂器如何分類?】,在先前單元有對銅鑼的「振動模態」如何解讀?】、【鑼臍型式銅鑼之敲擊聲音與振動模態有關嗎?】,係由模態振型的角度在解釋銅鑼的發聲機制。

在【平鑼聲音特性與振動分析之探討】單元,有簡要說明模型更新的方法。這個單元以一個手工打造具階梯弧面銅鑼,由模型驗證,分別從實驗分析的方法來探討銅鑼振動模態特性,並再進一步說明模型更新(model updating)的思考與改善方式。

如圖示,由第一階段的模型驗證結果發現,銅鑼的振動模態振型是可以有明確的物理意義解讀,但是,自然頻率的比對,在前4個模態,約在-3.48%以內,然而,高頻率模態的誤差,最大達16%23%,有偏高的趨勢,為什麼呢?

盡管在解讀銅鑼聲音的發聲機制,是成功的,是可以判讀銅鑼敲擊聲音與振動模態的關聯性,不過,在分析模型的模擬仿真角度來看,自然頻率誤差太大了。因此,有必要思考如何進行模型更新(model updating),使能夠改善分析模型,更接近於實際銅鑼結構的特性?

前文提到結構系統特性,可以由GMBI四個面向來看,針對此手工銅鑼,要建構其分析模型的思考,討論如下:

1.      Geometry幾何:由於是手工打造銅鑼,不管是平整度、真圓度在幾何形狀上,是難以完全的仿真,也就是模仿真實的幾何狀態。當然,就是盡可能的建構與實體銅鑼相近的幾何形狀與尺寸。
2.      Material材料:此銅鑼素材為銅合金,密度、楊氏係數及普松比是有參考值,不過,仍需要透過模型驗證程序,校正材料參數密度是比較可以掌握,透過實測質量可據以推算密度。在第一階段的模型驗證,採用相同的楊氏係數進行理論分析,卻有極大的自然頻率誤差,而且,有偏高的現象。據此,推測銅鑼可能有加工硬化的現象,所以對此銅鑼區分成內圓、折環、及外圓三個區域,針對此三個區域設定不同的楊氏係數,以模擬加工硬化的差異。透過反覆的模型更新步驟,取得三個區域校正後的銅鑼楊氏係數,分別為25.2GPa76.8GPa51.0GPa
3.      Boundary邊界:由於銅鑼是吊起來敲擊,自由邊界(free boundary)是合理的假設,因此,分析模型可以免設定邊界條件。
4.      Interface介面:此銅鑼是單一素材的結構體,沒有相互組合的零件,所以,分析模型也沒有需要設定接觸組合及其介面參數

經過模型更新(model updating)的反覆循環分析,實際上,是透過最佳化方法(optimal method),而取得了前述銅鑼三個區域的楊氏係數,由更新後的銅鑼自然頻率比對,除了第6個模態誤差是9.14%外,其餘模態自然頻率已在-4.17~3.28%之間,可以說此銅鑼分析模型已經接近實體銅鑼結構的特性。

再由銅鑼的加速度外力之間的頻率響應函數,與銅鑼聲音頻譜的比較,可更合理的預測與解讀銅鑼敲擊聲音頻譜的特徵。

本單元以一個手工打造具階梯弧面銅鑼,說明模型更新(model updating)的理念與實施方式。本案例以不同的楊氏係數模擬銅鑼不同區域之加工硬化效應,由更新後模型(updated model)的驗證比較,是達到改善分析初始模型(primary model)的不足。

透過本單元的說明,希望對讀者在模型驗證模型更新的理念與應用,有進一步的了解與體會!

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.10.09



【活動報導】台灣聲學學會107年會員大會暨第31屆學術研討會

【台灣聲學學會】於2018年11月09日假國立成功大學舉辦「台灣聲學學會107年會員大會暨第31屆學術研討會」,學會成立宗旨乃結合研究聲學、聽覺語言溝通、機械音響、水中音響、建築音響、超音波及噪音與振動領域等專家學者提供技術、經驗交流研討的場所,並且協助政府及民間部門針對上述專業領域之研究與服務,進一步為提高台灣聲學學術及相關技術水準,以及促進國際聲學學術及相關科技之交流。

【台灣聲學學會】吳聰能理事長致詞表示,台灣聲學學會已成立31年,學會集全國產官、學界菁英於一堂,共商會晤、相互砥礪,為提升我國聲學專業領域不遺餘力,同時感謝各機關團體及會員對本活動的贊助與支持,並邀請各貴賓共襄盛舉慶祝台灣聲學學會31週年。最後也邀請【澳門聲學學會】、【香港聲學學會】等貴賓致詞。

本次研討會隆重邀請國外享譽聲學領域之專家發表專題演講,日本小林理學研究所所長山本貢平博士主講「Japan’s new assessment for noise around wind power station」與賴榮平教授主講「建築聲學性能相關CNS規格之最新標準化動向-各種單一評估指標(Rw、STC、Lw、△L、IIC、aw、等價吸音面積、LiA.Fmax)之計算及評價」。隨後進行台灣聲學學會會員大會,在其最後頒發優秀論文獎及感謝狀,其中聯盟會員國立屏東科技大學木材科學與設計系林芳銘教授帶領的團隊獲得最佳論文獎:【鋼筋混凝土既有住宅樓板衝擊音隔音性能改善之研究】。

本活動主辦單位亦邀請數間企業共襄盛舉,包括【利音貿易開發股份有限公司】、【台灣必凱環測股份有限公司】、【御風科技有限公司】、【振動噪音產學技術聯盟】、【鑫立儀器股份有限公司】皆設有攤位展示振動聲音量測之相關設備。聯盟專員於現場實際操作聯盟可技轉技術【客製化振動噪音量測系統(SVM)】,邀請會場有興趣的各界先進加入【振動噪音產學技術聯盟】,不論是量身打造教育訓練課程,或是專業顧問諮詢,聯盟皆可提供客製化服務。同日下午會場有26篇論文發表,共同研討、交流聲學議題,本次研討會圓滿順利。

※有關振動噪音相關領域之研發能量,其資訊可由聯盟網站瀏覽與下載(http://aitanvh.blogspot.tw/?m=0)

活動花絮:
台灣聲學學會吳聰能理事長致詞

國立成功大學蘇慧貞校長致詞

【澳門聲學學會】貴賓致詞

【香港聲學學會】貴賓致詞

日本小林理學研究所 所長-山本貢平 博士主講
「Japan’s new assessment for noise around wind power station」

成功大學 賴榮平教授主講
「建築聲學性能相關CNS規格之最新標準化動向-各種單一評估指標(Rw、STC、Lw、△L、IIC、aw、等價吸音面積、LiA.Fmax)之計算及評價」

台灣聲學學會吳聰能理事長頒發感謝狀予「振動噪音產學技術聯盟」主席王栢村教授,由林谷樺專員代表領獎

台灣聲學學會107年會員大會暨31屆學術研討會廠商展示區

「振動噪音產學技術聯盟」獲感謝狀


《振動噪音科普專欄》高爾夫球桿之模型驗證理念與虛擬測試之設計開發


這個單元來看「虛擬測試(virtual testing, VT)的理念,應用在高爾夫球桿的設計開發,要進行「虛擬測試(virtual testing, VT)的結構「設計變更(design modification)流程,如圖示,主要包括三個步驟:

1.      模型驗證(model verification, MV):針對系統結構,分別透過分析與實驗的解析,比對驗證系統模態參數相吻合,以確認結構系統之分析模型的正確性。
2.      響應預測(response prediction, RP):引用驗證後的結構系統分析模型,設定外力負荷條件以及邊界狀態,可以進行響應預測,得到設定的性能指標(performance index)
3.      設計變更(design modification, DM):透過模型變更(model modification),可以對結構系統分析模型,進行如幾何形狀尺寸的設計變更,並進行虛擬測試(virtual testing, VT)

一支高爾夫球桿,簡單說,會有球頭及碳纖維球桿組合而成,在模型驗證階段,分別對零件層次(component level)的單獨球頭以及碳纖維桿,進行模型驗證程序。其次,對整支高爾夫球桿的組合結構(assembly structure),也可以說是系統層次(system level),再進行模型驗證程序。

為什麼要從component level執行模型驗證?能不能直接由system level進行模型驗證呢?

在回答這些問題前,先從一個產品結構系統來說,常是由多個零組件組裝而成,由此觀點可以概分產品結構的三個層次,也必須分別由三個層次依序進行模型驗證:

1.      Component level零部件層次:每個零部件有其幾何(geometry)形狀、尺寸,以及所據以製造的材料(material)。零部件層次的模型驗證,需要建構其分析模型與進行理論分析,因為幾何模型大約都可以明確建構,而材料參數如密度、楊氏係數及普松比等材料機械性質,固然都有參考值,仍需要透過模型驗證程序,才能明確的校正材料參數
2.      Sub-system level次系統層次:也可以說是次組合結構sub-assembly structure,在此層次的模型驗證意義,在明確界定分析模型的組合介面(Interface)參數。
3.      System level系統層次:當然就是產品結構系統在實際運作情況下的系統狀態,重要的就是系統邊界(boundary)的模擬仿真,

由以上說明,可以知道模型驗證在確認分析的系統模型之可靠度與正確性,包括:幾何(geometry)材料(material)邊界(boundary)、以及介面(Interface),以GMBI提示讀者的注意,分析模型是要模擬仿真實際結構系統的特性,GMBI假設的有效性與確認,就需要模型驗證技術。

本案例之高爾夫球桿模型驗證及虛擬測試的探討步驟概述如下:

1.      Component level的模型驗證:零部件層次概分為球頭及碳纖維桿,分別完成其模型驗證,校正了球頭及碳纖維桿的材料參數。
2.      Sub-system level的模型驗證:針對球頭及碳纖維桿的組裝介面,在分析模型需要對實際的組裝介面參數進行設定與校正。
3.      響應預測response prediction (RP):在本例有兩個RP的目標,(1)高爾夫球桿的擊球聲音預測,透過實際的聲音量測與頻譜分析,可以調校分析模型於聲音頻譜的預測,如先前單元介紹【高爾夫球頭振動特性與擊球聲音關聯性】。(2)高爾夫球桿打擊手感預測,透過球頭的振動模態振型,發展打擊能量指標,據以評估如球頭的打擊甜蜜區(sweet spot)
4.      模型變更model modification、設計變更design modification (DM):經由模型驗證MV到響應預測RP的分析與實驗的佐證,當然就可以引用分析模型的分析技巧,據以對結構模型的設計變更DM,進行虛擬測試(virtual testing),反覆RPDM的循環流程,以達到揮擊聲音及打擊手感的改善。

本單元再次說明結合模型驗證理念,於虛擬測試的產品設計開發,在此回顧一下進行模型驗證的主要3個步驟

1.      對實體結構的實驗模態分析(EMA):可以量測得到結構的頻率響應函數,並經由曲線嵌合(curve fitting),可以擷取得到結構的模態參數,包括:自然頻率、模態振型及模態阻尼比。
2.      對實體結構建立分析模型及對應的模擬分析:主要有兩種分析,包括:理論模態分析求得結構的自然頻率及模態振型;以及簡諧響應分析求得結構的頻率響應函數。
3.      模型驗證比較:分別由頻率域的頻率響應函數,以及模態域的模態參數,作比較探討,以確認分析模型等效於實體結構。

有關模型驗證議題的相關單元,列舉如下:

1.      甚麼是「模型驗證」?】,簡要介紹模型驗證的需要性及實施方法。
2.      如何應用EMA於分析模型的模型驗證?】,說明如何引用EMA於模型驗證。
3.      模型驗證的意義與虛擬測試之應用】,介紹應用模型驗證理念於虛擬測試Virtual Testing的工程實務案例,
4.      結合「CAE」與「EMA」之工程設計與應用:後懸吊扭曲管件結構】,【Integration of CAE and EMA for Engineering Design and ApplicationsVertical Auxiliary Table】,分別以實際的「後懸吊扭曲管件結構」以及「振動試驗機的垂直輔助平台」之設計變更流程,探討模型驗證(Model Verification)的意義與虛擬測試(Virtual Testing)之應用。

本單元以高爾夫球桿為例,從零部件層次的模型驗證系統層次的模型驗證,說明高爾夫球桿揮擊聲音打擊手感響應預測,以及以虛擬測試方式,進行結構設計變更的作業理念,以達到高爾夫球桿的聲音與手感的改善。希望對讀者在觀察產品結構系統的三個層次及其對應的GMBI模型驗證理念與實務,有進一步的了解與體會!

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.10.09