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《振動噪音科普專欄》常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼?


常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼?

在振動噪音的分析或量測,常會提到【振動頻譜】或【聲音頻譜】,其實,這是很模糊的說法,本單元嘗試對常見的各種【頻譜】(spectrum)做個說明。

首先來談一下甚麼是【頻譜】(spectrum),以2D line plot二維線條圖為例,如果,x軸為頻率(frequency)的圖示,都可以泛稱為【頻譜】。那麼問題來了,y軸是甚麼呢?

當我們說【振動頻譜】,首先需要知道y軸的物理量是甚麼?表達振動量大小,通常會以位移(displacement)、速度(velocity)、加速度(acceleration)三種物理量來表示。如果是振動分析,求得結構的位移,理論上,透過微分就可以分別得到速度及加速度。

如果是振動的實驗量測,就要看所使用的感測器(sensor),最常使用的振動感測器,大概就是加速度規(accelerometer),所以量到的物理量當然就是加速度了,由實驗儀器量測到的訊號是時間域的數據,可以以a(t)表示。

如果,有頻譜分析儀(FFT analyzer)就可以將量測的a(t) 轉換成頻譜,FFT (fast Fourier transform)快速傅立葉轉換是主要的數學方法,由a(t) 經過FFT運算,可以得到A(f)A(f)稱為【傅立葉頻譜】(Fourier spectrum),又因為是對a(t) 加速度訊號,進行FFT運算,所以更精確地說A(f)是【加速度傅立葉頻譜】。

A(f) 【加速度傅立葉頻譜】可以再進一步做處理,可以得到Gaa(f),稱為【加速度自身功率頻譜密度函數】(auto power spectral density (PSD) function for acceleration),不管是中文名稱或英文名稱,真的完整的名詞都太長了,因此,在英文上確實有一些簡化的說法,例如:auto PSDauto spectrumacceleration spectrumacceleration auto spectrumacceleration power spectrumvibration spectrum,對應的中文說法,相當於【自身功率頻譜】、【自身頻譜】、【加速度頻譜】、【加速度自身功率頻譜】、【加速度功率頻譜】、【振動頻譜】。

讀者昏了嗎?以上這些說法,沒有絕對的對或錯,對學術性論文寫作,需要對照與對應前後文的說明。對於普及性的技術文章或技術報告,讀者是需要自行解讀與判斷。當然寫作的嚴謹性,是作者的責任了!

撰寫本文希望能給讀者一些正確的觀念,首先說【振動頻譜】,振動不是物理量,要表達振動的大小,一般以位移、速度、或加速度來表示,所以【振動頻譜】是很不精確的說法,應該要說【位移頻譜】、【速度頻譜】、或【加速度頻譜】。事實上,這樣的說法,仍然是不夠精確的!

本文目前提到的【頻譜】就有兩種:【傅立葉頻譜】以及【自身功率頻譜密度函數】可簡稱【自身功率頻譜】,甚至【功率頻譜】。有沒有注意到,這兩種頻譜的名詞,都沒有冠上物理量,這只是純粹的數學意義(mathematical meaning)

那甚麼是【物理量】(physical parameter)呢?位移、速度、及加速度是代表振動大小的物理量。聲音壓力(sound pressure)是代表聲音大小的物理量。力(force)是代表作用在結構系統的外力大小的物理量。原則上,【物理量】都是可以直接度量的物理參數。

有物理量,就會有單位(unit),以上提到在振動噪音領域常見的物理量,其常用的SI制的物理量單位。位移(m)、速度(m/s)、加速度(m/s^2)、聲音壓力(Pa)、力(N)

再來,從國中物理就學到【力】有三要素:大小、方向、作用點。如果,我們都有感測器可以量測到力、聲音壓力、位移/速度/加速度等,要注意的是,我們量測到的是大小的量值,還要注意感測器所量測的方向,以及感測器所擺放的位置。

以下以符號以及對應的【頻譜】名詞,對本文做個總結:
1.        如果感測器量測到了力是f(t),聲音壓力是p(t),位移是x(t),速度是v(t),加速度是a(t)。在此先忽略了方向,也認定是在感測器的量測位置,所以都可以量測到時間域的訊號,包括:f(t)p(t)x(t)v(t)a(t)
2.        對時間域信號,可以透過頻譜分析儀進行快速傅立葉轉換(FFT),可以得到【傅立葉頻譜】,所以,可以分別得到:【力的傅立葉頻譜】F(f)、【聲音壓力傅立葉頻譜】P(f)、【位移傅立葉頻譜】X(f)、【速度傅立葉頻譜】V(f)、【加速度傅立葉頻譜】A(f)
3.        由已知的傅立葉頻譜,再經過數值運算處理,可以進一步得到【自身功率頻譜】,分別是【力自身功率頻譜】Gff(f)、【聲音壓力自身功率頻譜】Gpp(f)、【位移自身功率頻譜】Gxx(f)、【速度自身功率頻譜】Gvv(f)、【加速度自身功率頻譜】Gaa(f)

根據以上的說明,如果有人說我量測到了【振動頻譜】,讀者應該想到要追問:
1.        您量測的振動信號是甚麼?
2.        您所使用的是哪一種感測器?
3.        您量測到的是位移、速度、還是加速度?
4.        您量測的方向?
5.        您感測器放置的位置?
6.        您的【頻譜】是【傅立葉頻譜】?還是【自身功率頻譜】?

最後,給讀者做一個練習:如果有人說我量測到了【聲音頻譜】,請問讀者需要追問些甚麼提問?

本單元嘗試說明【頻譜】這個名詞,希望對讀者有幫助。除了【傅立葉頻譜】以及【自身功率頻譜】外,事實上,還有許多【頻譜】,例如:one third octave band spectrum 【三分之一八音頻帶頻譜】、frequency response function (FRF)【頻率響應函數頻譜】。

另外,在代表聲音的物理量,除了聲音壓力(sound pressure)外,還有聲音強度(sound intensity)以及聲音功率(sound power)

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2017.08.27

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【虎門科技】Webinar: The Next Big Thing in Engineering Simulation


       


       

【Webinar: The Next Big Thing in Engineering Simulation
日期:September, 07 2017
時間:9月7日 22:00 (台灣時間)



Description:

On September 7th at 10 a.m. EDT, we will unveil a new technology that will facilitate discoveries and breakthroughs, and take engineers’ efforts to the next level. Product development will change, and simulation will be more accessible for every engineer. You don’t want to miss this opportunity to catch the first glimpse of something entirely new from ANSYS. It just might be the next big thing in engineering simulation.

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徵【CAE工程師】信錦企業股份有限公司

工作內容

職務性質
全職
需求人數
1
職類
機構工程師,機械工程師
職務說明
1.RD實務相關經驗者.
2.
1年以上CAE軟體使用經驗者.
3.
具做過振動實驗測試者佳.
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個性具細心、耐心者佳.
5.
ANSYS , NX Nastran軟體相關經驗者佳.
工作待遇
面議   
上班地點
新北市中和區建康路1689   
工業區
未填寫
管理責任
不需負擔管理責任
出差外派
無需出差
上班時段
日班、08:30~17:30
休假制度
週休二日
可上班日
二週內

工作條件

接受身份
上班族
工作經驗
1年以上或不拘
學歷要求
專科、大學
科系要求
機械工程相關
語文條件
英文(:略懂、說:略懂、讀:略懂、寫:略懂)
擅長工具
Outlook
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工作技能
未填寫
證照
未填寫
具備駕照
輕型機車
其他條件
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應徵方式

職務聯絡人
李先生
職務E-mail

公司電話 : 02-6621-5888-636

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《振動噪音科普專欄》【自然頻率】可以簡稱【頻率】嗎?

【自然頻率】可以簡稱【頻率】嗎?

【自然頻率】可以簡稱【頻率】嗎?NO,頻率(frequency)是一個泛用的名詞,在振動噪音領域,會有各種【OO頻率】的專有名詞,各有其明確的定義與物理意義,本單元嘗試對常見的【頻率】名詞作介紹。

【頻率】(frequency),常用的單位是,Hz=cycle/sec,赫茲=/秒。

【自然頻率】(natural frequency),常用的單位也是Hz。一個結構系統都有其固有的振動模態(vibration mode),理論上,結構的振動模態有無限多個,每個振動模態,包括:自然頻率、模態振型(mode shape)、以及模態阻尼比(modal damping ratio)

在結構的振動模態,雖然有無限多個,對結構振動響應貢獻度大的,通常是低頻率的振動模態。【第一個振動模態自然頻率】,常會稱為fundamental natural frequency【基礎自然頻率】。因為是振動模態的自然頻率,也有稱為【模態頻率】(modal frequency)

一個結構如果受到單一頻率的外力激振,此外力稱為簡諧外力(harmonic force),此外力激振方式稱為簡諧外力激振(harmonic force excitation),就有此【簡諧外力激振頻率】(harmonic force excitation frequency)的專有名詞,常被簡稱為【簡諧激振頻率】(harmonic excitation frequency),或更簡潔的稱為【激振頻率】(excitation frequency)

當一個結構,受到一【簡諧外力激振頻率】(harmonic force excitation frequency)作用,如果,此【外力激振頻率】等於或相近於結構的【自然頻率】,此結構會產生共振(resonance)的效應,因此,有人會說這是結構的【共振頻率】(resonant frequency),本人認為這是不精確的說法,不過,仍然常有人會以共振頻率來說。

常見的機器很多都是轉動的,以電扇為例,常以每分鐘轉速(revolute per minute, RPM)來表示旋轉的速度,此RPM轉速,可以轉換為轉速對應的頻率,f=RPM/60f就是【轉速對應之頻率】,或簡稱【轉速頻率】(rotating speed frequency)

在轉子動力學(rotor dynamics),轉子機械的振動現象,轉子的【轉速頻率】相當於該系統的【外力激振頻率】,轉子系統的振動響應,常會出現【轉速頻率】之整數倍頻率的振動特性,從一倍【轉速頻率】、兩倍、三倍、到高倍數的【轉速頻率】都有可能。實務上,觀察此【倍數轉速頻率】的振動量大小,常可反映出轉子的狀態。

另外,在樂器聲學(musical acoustics)領域,不管是弦樂器如吉他、小提琴,或是鋼琴、豎琴,這類的樂器結構,是線結構的振動現象(string vibration),常以撥弦、以拉弓摩擦琴弦、敲擊琴弦,造成弦線的振動而產生聲音。

以弦樂器的弦線結構來說,就有無限多個振動模態,其中【第一個振動模態自然頻率】,就是主要的【發聲頻率】,此頻率值與音階的標準頻率相同,就完成琴弦的調音。這裡,又有兩個頻率的名詞:【音階的標準頻率】,以及弦線的【第一個振動模態自然頻率】。例如:A4 (La)的標準頻率是440Hz,弦線調音在使得【第一個振動模態自然頻率】等於【音階標準頻率】。

弦樂器的發聲機制原理,他的發聲頻率基本上就是弦線的所有【振動模態頻率】,【第一個振動模態自然頻率】等於【音階標準頻率】,所以又稱之為【基礎頻率】(fundamental frequency)、或稱為【基音頻率】。高模態的聲音頻率,稱為【泛音頻率】(overtone frequency)

由於弦線的振動特性,弦的【泛音頻率】都呈現與【基音頻率】有倍數關係,所以可以稱此泛音頻率有簡諧倍頻音(harmonics sound)特性,所以,【基音頻率】與【泛音頻率】的組成,可以稱為【簡諧倍頻頻率】(harmonic frequencies)

談到這裡,復習一下各種【頻率】相關的名詞:
l   結構系統:自然頻率、第一個振動模態自然頻率、基礎自然頻率、模態頻率。
l   外力輸入:簡諧外力激振頻率、簡諧激振頻率、外力激振頻率、激振頻率、共振頻率
l   轉子系統:轉速對應之頻率、轉速頻率、倍數轉速頻率
l   樂器聲學:音階標準頻率、基礎頻率、基音頻率、泛音頻率、簡諧倍頻頻率

本單元嘗試對常見的各種【頻率】名詞作介紹,希望對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2017.08.24


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【山衛科技】2017年9月1日 聲音品質研討會,歡迎參加

舉 辦 日 期:2017年09月01日
舉 辦 時 間:09:00~16:30
主 辦 單 位:山衛科技股份有限公司
協 辦 單 位:中華民國振動與噪音工程學會
舉 辦 地 點:台北 (確認報名後另行通知,因場地有限,請盡速報名)
主講人: André Pirnay
報 名 費 用:免費參加,名額有限請盡早報名
報 名 方 式:1.請填妥報名表並傳真至 02-2692-1380 或 E-MAIL 至 william@samwells.comhenry@samwells.com
                 2.山衛科技網站線上報名
聯絡電話: 02-2692-1400 #223(高先生)/#228(溫先生)
報名截止日期:2017年08月30日


    近二十年來,山衛科技不斷致力於聲音品質的推動,使得聲音品質成為台灣產品的競爭力。這二十年來,聲音品質已成為具普世價值的法規標準,產品具有優越的聲音品質才能佔有一席之地。以聲音品質為基礎的法規日益蓬勃,看見未來,也永遠是山衛的堅持。



    聲音品質是人們對於產品噪音的感受,但人類聽覺是個複雜的機制,一個聲音事件具有多個面向如聲音的總體位準,發生時間的長短,對頻譜的貢獻度…等,該怎麼用客觀的儀器去主觀的度量評價一個聲音事件?
        HEAD Acoustics在聲音的領域創新領先,本次研討會,我們特聘請專家André Pirnay來介紹HEAD Acoustics在聲音品質領域最新的應用與發展,不只車用、家電、IT產業,不只產品的聲音品質,更要探討環境的聲音品質、整體的感受,整體的評價,更精確深入地探討這項量測技術,並預測未來的趨勢,請一同來共襄盛舉。

研討會主題:
  • Introduction to Psychoacoustics and Binaural Measurements
  • ArtemiS SUITE extract
  • HEAD Visor case studies: presentation and hands-on the software
  • Metric Designer in ArtemiS SUITE
  • Impact measurement in ArtemiS SUITE (rowing hammer/rowing accelerometer)
  • Sound Design for Electric Vehicles
    • Acceptance of synthetic driving noise in the interior of electric vehicles
  • Sound labeling on consumer products
  • Soundscape - progress in the standardization of an integrated approach
  • Listening tests and the judgment of the sound quality by using SQuare - Study case for kitchen application
內容簡介:
  •  ArtemiS SUITE 8.2  -  ArtemiS 的使用者不可不知
Utilizing your entire screen estate
Restoring the previous session (workspace)
Savable Data Viewers
More reporting options
A better overview in automation projects
ASCII export with configurable header
Increased performance

HEAD Visor
         HEAD VISOR使用麥克風陣列技術快速定位聲源。設置和操作輕而易舉。在幾分鐘內就可以獲得有關干擾噪聲源的信息。由於其獨特的螺旋形麥克風佈局及其複雜的算法,HEAD VISOR為聲學分析提供出色的空間和時間分辨率。即使高動態範圍也可以精確地分離噪音聲源。使用其三個攝像頭,HEAD VISOR在測量期間連續跟踪圖像中所有對象的距離,並使用此信息精確計算從相應位置發出的聲壓級。



  •  BrakeObserver

       優化煞車系統消除噪音、偵測並紀錄煞車噪音、分析可能因素、及時回饋噪音事件的主觀評價分數。
- Supports you in the development and sound optimization of brake systems
- Intelligently and automatically detects and records brake noise
- Continuously records descriptive parameters for brake noise

- Documents results and allows noise events to be evaluated interactively

特別是高頻剎車噪音是汽車製造商煩惱和保修成本高的原因。
 因此,在製動系統的開發中,消除剎車的尖叫聲是越來越重要。
 使用BrakeOBSERVERHEAD聲學開發了一種能夠將干擾性制動噪聲(包括“制動噪聲”)與正常工作噪聲區分開的軟件解決方案,從而可以提供卓越的檢測結果。

BrakeOBSERVER 應用
    - 記錄和分析煞車制動噪聲
    - 煞車制動系統的開發,優化和認證
    - 故障排除 

  • Metric Designer
在大多數情況下,聲音的品質量取決於多個參數(如聲壓級)。組合多個不同部分值以導出特徵單個結果值的計算規則允許您為您的產品聲音創建有意義的質量指標。此類計算規則也稱為Metric,可幫助您以可靠和節省時間的方式來評估產品的聲學品質,確定產品的優缺點,並可靠地指定目標聲音。
例如,通過將受試者的判斷映射到基於測量的分析結果,可以基於Jury Test的結果來開發Metric。通過以這種方式開發的Metric,您可以不需要額外Jury Test、達到省時且可靠地評估產品的感知音質。

開發sound quality metric的過程有幾個步驟,HEAD Acoustics為您提供了一系列工具:

- Aurally accurate recording: binaural artificial head, HMS
- Aurally accurate playback: labP2 with the correct signal level and equalization
- Perceptive assessment: SQuare software for jury tests
- Measurement-based analysis: ArtemiS SUITE analysis software
- Metrics definition: The Metric Project of ArtemiS SUITE


  • Ebm-papst (德國知名創新風扇馬達公司)建立了典範的listening room,利用SQuare 進行Subjective Judgement (主觀評價聲音)。客戶可真實地評價出好聲音的產品。而以家電果汁機之 Case Study 告訴我們,如何找出正確的心理聲學參數作為評價聲音品質之指標參數。
    • Soundscape Approach

       不只個體的聲音品質,包圍個體的所有環境也是影響聲音品質之主角,以電動汽車為例、道路聲音品質之研究、聲景、電動車聲音品質需整體綜合研究,環保綠能帶領電動車來臨。電動車整體噪音變小了,四週環境噪音反而明顯了。我們將討論電動車聲音要如何設計。不只電動車,道路路面、改善輪胎材質、降低反射噪音、城市聲景(soundscape)設計、與環境噪音都必須一起討論,相關法規 ISO/FDIS 12913-1 已啟動。為 Soundscape 之第一個聲學法規(Acoustics Standard)

    • Acoustics standards:Soundscape ISO 12913-1(analysis and assessment of ambient noise)、ISO 532-1/-2(for the determination of time-dependent loudness/ for calculating stationary loudness)

邀請對象:
  1. ArtemiS聲音品質工具之使用者及有興趣者
  2. 汽車、家電、產線、3C產品相關聲音品質的從業人員
  3. 凡產品有振動噪音問題,且對聲音品質設計、NVH有興趣者
參考資料 :
Download this file (Booking_20170901.pdf)Booking_20170901.pdf135 kB