這個單元的主題：甚麼是「聲振耦合」和「聲固耦合」？這是兩個常聽到名詞，從字義上來看「聲振耦合」，「聲」當然是聲音，「振」就是結構的振動，「聲振耦合」就是結構的振動和聲音的「耦合」(coupling)效應。
那麼「聲固耦合」呢？顧名思義，其中的「聲」當然也是聲音，「固」就是指固體的結構，「聲固耦合」也是結構與聲音的「耦合」(coupling)效應。所以，「聲振耦合」和「聲固耦合」可以說是相通的！
那麼，甚麼是「聲振耦合」和「聲固耦合」呢？這個單元就從「系統模型」(system model)的角度談起，分析的「系統模型」可以概分為：
1. 純結構系統(structure-only)：只單獨考慮結構的振動響應，忽略「流體」、「介質」(media)的效應。
2. 純聲場系統(acoustic field only)：只單獨的考慮系統音場的「流體」、「介質」響應，忽略結構體的振動效應。
3. 結構聲場耦合系統(structural acoustic coupling system)：同時考慮結構的振動響應，以及結構與「流體」「介質」間的耦合效應，並探討所引發的聲音響應。因此，「結構聲場耦合系統」的分析，就是「聲振耦合」和「聲固耦合」分析。
本單元以「迴轉式壓縮機」(rotary compressor)為例，來說明前述三種「系統模型」的差異。
參閱圖示為一個典型的「壓縮機」結構連接了「吐出管」及「吸入管」。「壓縮機」的本體包含了轉子及定子的馬達(motor)，以及壓縮室的泵(pump)，泵對冷媒壓縮，得到高壓低溫的冷媒由「吐出管」排出進行熱交換的「冷凍空調循環」，低壓高溫的冷媒再由「吸入管」回到「壓縮機」的「儲液瓶」(accumulator)或稱「過濾瓶」。
本單元就以「儲液瓶」為例，說明以上三種「系統模型」的分析模型以及分析結果。參閱圖示，可觀察對應的三個「分析模型」示意圖以及結構系統「模態」動畫圖示，概要說明如下：
1. 純結構系統(structure-only)：只單獨的考慮結構的振動響應，忽略「流體」、「介質」(media)的效應。而結構假設為「撓性體」(flexible body)、或「彈性體」(elastic body)。進行「模態分析」可以求得結構的「振動模態」，包括：「自然頻率」及對應的「模態振型」，在此結構振動分析的「模態振型」物理意義是結構的「位移模態振型」。
2. 純聲場系統(acoustic field only)：只單獨的考慮系統音場的「流體」、「介質」響應，忽略結構體的振動效應。其中，結構假設為「剛體」(rigid body)。系統的音場指的是「流體」、「介質」，例如：空氣、水、冷媒等。在此「儲液瓶」為例，其外殼、內管、擋板等結構體，假設為不會有彈性變形的「剛體」結構。「儲液瓶」內部空間有「流體」、「介質」就是冷媒。進行「模態分析」可以求得純音場的「聲音模態」，包括：「自然頻率」及對應的「聲音壓力模態振型」。在此純音場模態分析的「模態振型」物理意義，是冷媒「介質」的「聲音壓力模態振型」；而在結構振動分析的「模態振型」物理意義是「儲液瓶」結構的「位移模態振型」。
3. 結構聲場耦合系統(structural acoustic coupling system)：同時考慮結構的振動響應，以及結構與「流體」「介質」間的耦合效應，並探討所引發的聲音響應。其中，結構假設為「撓性體」、或「彈性體」。和結構接觸的「流體」、「介質」，例如：空氣、水、冷媒等，也都納入「系統模型」之中。在此「儲液瓶」為例，其外殼、內管、擋板等結構體，假設為會有彈性變形的「彈性體」結構，也同時考慮「儲液瓶」內部空間有冷媒的「流體」、「介質」，在外部空間有空氣的「流體」、「介質」，此「系統模型」就納入「結構」與「流體」間的耦合效應。進行「模態分析」可以同時求得結構的「振動模態」，以及音場的「聲音模態」。
有關結構的「振動模態」，以及音場的「聲音模態」，讀者可參考先前單元：【振動有「振動模態」，聲音有「聲音模態」嗎？】，以及幾個不同打擊樂器的結構「振動模態」，以及音場「聲音模態」之探討：【圓盤結構的振動模態及音場模態？】、【簡諧倍頻音板結構的振動模態及音場模態？】、【鐵磬打擊樂器之聲音頻譜與結構振動模態及音場模態特性】。
這個單元在探討「聲振耦合」和「聲固耦合」的差異，其實就是「結構聲場耦合系統」，我們介紹了三種「系統模型」(system
model)：
1. 純結構系統(structure-only)。
2. 純聲場系統(acoustic field only)。
3. 結構聲場耦合系統(structural acoustic coupling system)。
三種「系統模型」主要的差異在：
1. 「結構」：假設為「撓性體」(flexible body)/「彈性體」(flexible/elastic
body)，或是假設為「剛體」(rigid body)。「純音場分析」係假設結構為「剛體」；而「純結構分析」及「結構與音場耦合分析」則假設結構為「彈性體」。
2. 「流體」、「介質」：其效應是否納入「系統模型」？「純結構分析」不納入「介質」效應。「純音場分析」及「結構與音場耦合分析」則納入「介質」效應。
3. 「模態分析」：對「系統模型」進行「模態分析」，可以求得結構的「振動模態」，以及音場的「聲音模態」。要注意：結構振動模態分析的「模態振型」，物理意義是結構的「位移模態振型」。在音場模態分析的「模態振型」物理意義，是「介質」的「聲音壓力模態振型」。
以上個人看法，請多指教！
王栢村
2020.02.22文章粉絲團連結
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