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振動噪音產學技術聯盟

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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

2.PMC精密機械研發中心-陳聖哲工程師--刀削顫振早期預防

《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DoReMe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C6Do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C6Do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