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振動噪音產學技術聯盟

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【聯盟教育訓練】物聯網現場推播實務與雲端之機器訊號分析

20191213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並介紹今日主講人卓柏州。

卓柏州博士在物聯網深耕多年,對工廠物聯網架構非常有經驗,以感測器與大數據為前題進行的廠內SCADAMQTT網路Sensor Controller Instrument Edge Computing (iPC/PLC/uP) MES [屬於製造執行系統]SCADA[屬於雲端]與走MQTT網路,其中邊緣運算Edge Computing (iPC/PLC/uP) 需要針對每一感測轉換(或是通用的通訊協定訊號)來的訊號進行各機台群的設計演算。另外詳細介紹Message Queuing Telemetry Transport (MQTT)物聯網之基本設計原理,是為了物聯網(M2M)而設計的protocol: IBM1999年發明的通訊協定,2014年變成一個開放的Organization Advancement Structured Information Standards (OASIS)。最後實際演示模擬機台間相互溝通的角色:發行者與訂閱者,讓學員手機能接收到來自發行者的訊息,並了解其通訊的觀念。

接著由黃宜正教授講解何為特徵工程,如何在機器學習上運用,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,經由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。

藉由業界實例與學界理論,能讓學員更加了解在現今工業4.0已不可避免的時代,萬物皆可聯網,可以透過哪些方面的理論與經驗精進自己,順應工程發展的趨勢,才為未來的人才,能為國家盡一份力。

活動花絮:

易訊網控 卓柏州 總經理【物聯網<MQTT協定>之應用訊號擷取之邊界演算與推播手機】講解

《振動噪音科普專欄》牛、羊、豬、大象的聲音有甚麼特徵?


由先前單元:【不同的狗,吼叫的聲音頻譜有甚麼差異?】,探討「4隻狗的叫聲」的聲音頻譜特徵,或許會好奇其他動物的叫聲,會有怎樣的聲音頻譜呢?本單元就來討論「牛、羊、豬、大象4種動物的聲音解析。

讀者可以參閱圖示,可看到透過「頻譜分析」以及「時頻分析」的4張圖示,分別對應的是「牛、羊、豬、大象4種動物的聲音解析結果。或許,可以先猜猜看哪一張圖示,對應的是哪一種動物的聲音解析?

同時,讀者可觀看影片,可以先聽一下這「牛、羊、豬、大象4種動物的聲音,可能是對應哪一張圖示的聲音解析?

要解讀這「牛、羊、豬、大象4種動物的聲音之前,先回顧一下,採用屏科大機械系振動噪音實驗室開發的【SM軟體】,進行「頻譜分析」以及「時頻分析」,所得到的4個重要圖示,重點說明如下:

1.          聲音壓力時間域波形圖 (time waveform):在圖示上方,呈現所分析聲音WAVE檔案的原始「時間域波形」信號。代表的物理意義是「聲音壓力(sound pressure)。此波形圖呈現了聲音的「波動」現象,不過,除了大小聲外,似乎觀察不出甚麼特別的現像。
2.          時間域聲音壓力位準(響度) (sound pressure level):可以簡稱「聲音響度圖」,在圖示下方,呈現此聲音隨時間變化的「聲音振幅大小(dB),此「聲音振幅」的物理意義是「聲音壓力位準(sound pressure level)。【聲音壓力位準dBdB(A)有甚麼不同?
3.          頻譜圖 (spectrum):因為解析的信號是「聲音」,所以稱為「聲音頻譜圖」,在圖示左方,呈現此聲音WAVE信號的「頻譜」,也就是頻率與其振幅的組成。圖示的垂直軸為頻率,單位:Hz,水平軸是聲音的振幅大小,單位:dB。可以觀察「聲音頻譜」的分佈特徵。【常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼?
4.          時頻圖 (spectrogram):在圖示正中央,水平軸是對應「時間域波形」的時間(sec),垂直軸是頻率(Hz),彩色的分布圖示為聲音振幅大小(dB)。可以觀察隨時間變動時,「聲音頻譜」的分布狀態與趨勢。【麼是時頻圖?

牛、羊、豬、大象4種動物的聲音頻譜特徵分析,參閱圖示說明如下:

1.      牛的聲音:牛的哞哞叫聲,從「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察,似乎和人的發聲現象很相似,都是有倍頻音的特徵,而紅色的「聲音振幅」等高線,有平順的起伏,頻率連續性的升高而降低的聽感,是牛「」叫聲的頻譜特徵。【人們唱歌的聲音,有甚麼樣的頻譜特徵呢?
2.      羊的聲音:羊的咩咩聲,從「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察,在1500~3000Hz之間有多個倍頻音的峰值頻率,聲音振幅最大在3000Hz左右,同時,紅色的「聲音振幅」等高線,隨著時間變化有連續波動的現象,就是「咩咩」聲音的頻譜特徵。從「時間域」的「聲音壓力時間域波形圖」以及「聲音響度圖」都可以觀察到明顯的波動現象,也是「咩咩」時間域的特徵。
3.      豬的聲音:可以聽到是「ㄍㄧ」的長嘶叫聲,從「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察,「ㄍㄧ」的嘶叫聲,大約是2500Hz的主頻率,而有連續的略微升高頻率的現象,同時,低頻率有兩個較小振幅的頻率出現。在「時間域」的「聲音壓力時間域波形圖」以及「聲音響度圖」都可以觀察到波動及衰減的現象,是「ㄍㄧ」的嘶叫、顫抖聲的特徵。
4.      大象的聲音:聽起來類似像一種「喇叭」的聲音,從「聲音頻譜圖」及「時頻圖」的觀察,「ㄅㄨˊ」的嘶叫聲,主要在0~4000Hz的頻帶之間,有多個倍頻音的聲音效果,這確實與喇叭的聲音相似。在「時間域」的「聲音響度圖」可發現「響度」相當穩定。

由以上「牛、羊、豬、大象4種動物的聲音頻譜特徵,讀者可以配合聽到的聲音,以及對應的4個聲音解析圖示,了解到這4種動物的發聲特性。

幾乎所有的動物、甚至昆蟲都會發出聲音,他們發出的聲音有甚麼意義嗎?是溝通、還是情緒的表達?似乎等等的疑問,都有待人類的探索!

這個單元以「頻譜分析」以及「時頻分析」,探討了「牛、羊、豬、大象4種動物的聲音,在「時間域」及「頻率域」的各種特徵。本單元除了在介紹聲音的特徵解析外,或許有讀者想到要更深入了解其他不同動物,有怎樣的不同叫聲,以及不同的情緒關聯性,又是否能透過科學量化的聲音解析,了解動物的聲音之訊息傳達?

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2019.11.23

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