這個單元要來探討的主題是：發展與應用分析聲音的工具程式，如【SM軟體】，需要甚麼技術能力？
在先前兩個單元，都有提到，地震時國家級警報聲的聲音分析。首先，觀看影片，可以聽到地震時，所發出的國家級警報聲。也可參閱圖片右下方的圖示，就是採用【SM軟體】所得到的聲音特徵分析圖示。
這個單元將更深入來看，如果要發展、或是應用如【SM軟體】分析聲音的工具程式，需要甚麼樣的技術能力？
首先，參閱圖片右上方的圖示，軟體程式之【ISOC】系統流程圖，由【ISOC】心法，說明【SM軟體】的大架構：
1. Input 輸入數據：【SM軟體】所需要的「輸入數據」(input data)。
2. System 系統程式：【SM軟體】的程式功能。
3. Output 輸出參數：【SM軟體】分析可以得到的「輸出數據」(output data)。
4. Control 控制變數：【SM軟體】分析過程中，可以設定的「控制變數」(control variables)。
其次，引用過去討論過的【MADI】心法，讀者可參閱：#164，【產品振動噪音之量測、分析、診斷與對策 MADI for Product Noise and Vibration】。處理產品振動噪音問題的四大步驟，包括：
1.
「量測」(Measurement)：要能夠客觀的評價產品之振動噪音，當然就需要「量測」其原始狀態的振動噪音。
2.
「分析」(Analysis)：其次，針對「量測」的信號，須進行「分析」，最常使用的就是「頻譜分析」= FFT (fast Fourier transform) = 快速傅立葉轉換。
3.
「診斷」(Diagnosis)：由「量測」及「分析」得到的訊息，接著就是要探討原因，希望能夠瞭解形成振動或噪音的原因。通常「分析」及「診斷」是個反覆循環的程序。
4.
「對策」(Improvement)：如果能夠透過「診斷」知道為什麼、瞭解了產品振動或噪音的原因，當然就要對症下藥，提出因應的改善對策。
第一，M：「量測」(Measurement)。主要需要的設備，包括：
(1)
「感測器」(Sensor)：若是量測聲音，主要的sensor，就是「麥克風」(microphone)。
(2)
「數據擷取裝置」(Data Acquisition device, DAQ)：可以將sensor的類比信號，轉換取得其數位信號。
(3)
「頻譜分析儀」(FFT Analyzer)：可以將sensor量測到的數位信號，進行各種分析。
在此，使用的是【SM軟體】，所以System =【SM軟體】。需要的「輸入數據」就是：Input = 𝒑(𝒕)，聲音壓力時間波形(time waveform of
sound pressure)。注意：𝒑(𝒕)是原始的量測數據，如時頻分析介面的最上圖示。以【SM軟體】為例，有三種方式：(1) 直接量測。(2) WAV檔案。(3)
TXT檔案。
第二，A：「分析」(Analysis)。【SM軟體】的「時頻分析」(Spectrogram Analyzer)介面，如圖片右下方，主要包含幾個分析功能：
(1)
「頻譜分析」(Spectral analysis)：主要對時間波形 𝒑(𝒕)，進行FFT處理，可以取得「頻譜傅立葉頻譜」(Fourier spectrum) 𝑭(𝒇)。這是過程資訊，並沒有顯示，因為，無法平均，所以，只能觀察瞬時的變化。實務上，不會觀察，所以沒有顯示。
(2)
「自身功率頻譜分析」(Auto power spectrum analysis)：對𝑭(𝒇)，進一步做PSD處理，可以取得「自身功率頻譜」(Auto power spectrum) 𝑮𝒑𝒑(𝒇)，如時頻分析介面的左邊圖示。𝑮𝒑𝒑(𝒇)
可以取平均，比較可以觀察出聲音的頻譜特徵，是觀察聲音頻譜的主要評估指標。
(3)
「時頻圖分析」(Spectrogram analysis)：主要是應用「短時傅立葉轉換」(short time Fourier transform)，可以取得「時頻圖」(Spectrogram) 𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇)，如時頻分析介面的中間彩色圖示。其水平軸是時間，垂直軸是頻率，彩色的分布，相當於不同時間、不同頻率的聲音大小分布狀態。可以看出聲音頻率，隨時間的變化情形。
(4)
「聲音壓力位準分析」(Sound pressure level (SPL) analysis)：參閱時頻分析介面的下方圖示，就是 𝑳𝒑(𝒕)，隨時間變動的聲音總量，單位是dB或dBA。𝑳𝒑(𝒕)的物理意義是，在該時間下，「時頻圖」𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇)的頻率區間之聲音總量。
在「分析」步驟，最主要就是得到前述四種分析的結果，包括：時間波形 𝒑(𝒕)、聲音頻譜𝑮𝒑𝒑(𝒇)、聲音時頻圖𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇)、以及聲音壓力位準，即聲音總量 𝑳𝒑(𝒕)。
第三，D：「診斷」(Diagnosis)。由【SM軟體】的「時頻分析」(Spectrogram Analyzer)介面，可以得到一個輸入數據：聲音壓力時間波形= 𝒑(𝒕)，單位：Pa。三個輸出參數，包括：
(1)
聲音頻譜= 𝑮𝒑𝒑(𝒇)，單位：dB/dBA。
(2)
聲音時頻圖= 𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇)，單位：dB/dBA。
(3)
聲音壓力位準之聲音總量= 𝑳𝒑(𝒕)，單位：dB/dBA。
在「診斷」步驟，最主要就是反覆觀察輸入數據：𝒑(𝒕)，以及三個輸出參數：𝑮𝒑𝒑(𝒇)、𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇)、𝑳𝒑(𝒕)，之間的關聯性。
視需要就要運用【SM軟體】的「控制變數」(control variables)功能，包括：
(1)
頻率區間控制：可以任意選擇頻率的下限=𝒇𝟏、上限=𝒇𝟐。以調整想要觀察的頻率區間。而𝑭𝒏𝒚𝒒 =「奈奎斯特頻率」(Nyquist frequency)，無法控制，𝑭𝒏𝒚𝒒 = 𝑭𝒔 /2。𝑭𝒔：就是「取樣頻率」(sampling
frequency)。在量測時，已經設定了𝑭𝒔，無法變更。
(2)
時間區間控制：可以任意選擇時間波形的起始時間= 𝒕𝟏、終止時間=𝒕𝟐。以調整想要觀察的時間波形區間。須注意：𝑻是總量測時間，𝑻𝒔是「取樣週期」(sampling period)，𝑻𝒔 = 𝟏/ 𝑭𝒔。在量測時，已經設定了，無法變更。
實務上，常會透過：(1)頻率區間控制：頻率的下限=𝒇𝟏、上限=𝒇𝟐。以及(2)時間區間控制：時間波形的起始時間= 𝒕𝟏、終止時間=𝒕𝟐。反覆地進行「分析」(Analysis)與「診斷」(Diagnosis)，此時，三個輸出參數：𝑮𝒑𝒑(𝒇)、𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇)、𝑳𝒑(𝒕)，會呈現不同狀態。透過反覆的「分析」、「診斷」，直到能夠充分瞭解這個聲音的特徵。
第四，I：「對策」(Improvement)。如果，是國家級警報聲的分析，可以在瞭解聲音特徵後，評估這個聲音對於警報作用的有效性。就可以根據聲音的特徵分析，進行改善。
綜合一下這個單元的討論，總結如下：
1.
介紹了軟體程式之【ISOC】系統流程圖：任何程式模組都可以運用【ISOC】，來解析程式的功能架構。I= Input、S= System、O= Output、C= Control。
2.
回顧了處理產品振動噪音問題的四大步驟=【MADI】心法，包括：(1) 「量測」(Measurement)，(2) 「分析」(Analysis)，(3) 「診斷」(Diagnosis)，(4) 「對策」(Improvement)。
其次，在【SM軟體】的【ISOC】大架構來看，總結如下：
1. Input 輸入數據：【SM軟體】所需要的「輸入數據」(input data)= 𝒑(𝒕)，聲音壓力時間波形(time waveform of
sound pressure)。取得𝒑(𝒕)，有三種方式：(1) 直接量測。(2) WAV檔案。(3)
TXT檔案。
2. System 系統程式：【SM軟體】的程式功能，包括：(1) 「頻譜分析」(Spectral analysis)，(2) 「自身功率頻譜分析」(Auto power spectrum analysis)，(3) 「時頻圖分析」(Spectrogram analysis)，(4) 「聲音壓力位準分析」(Sound pressure level (SPL) analysis)。
3. Output 輸出參數：【SM軟體】除了可以顯示「輸入數據」(input data)，聲音壓力時間波形= 𝒑(𝒕)。由分析可以得到的「輸出數據」(output data)，包括：(1) 聲音頻譜= 𝑮𝒑𝒑(𝒇)，(2) 聲音時頻圖= 𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇)，(3) 聲音壓力位準之聲音總量= 𝑳𝒑(𝒕)。
4. Control 控制變數：【SM軟體】分析過程中，可以設定的「控制變數」(control variables) ，包括：(1) 頻率區間控制：頻率的下限=𝒇𝟏、上限=𝒇𝟐。(2) 時間區間控制：時間波形的起始時間= 𝒕𝟏、終止時間=𝒕𝟐。
以上個人看法，請多指教！
王栢村
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