《振動噪音科普專欄》系統方塊圖(System Block Diagram)

系統方塊圖(System Block Diagram)

在前文介紹了 ”ISO” 以及 “SPR” 的心法，本文再深入討論系統方塊圖的理念，並以古鈸打擊樂器的分析與實驗的簡介，說明結構系統的特性。

首先，由SPR分別是：Source 振動或噪音源；Path是傳遞路徑；Receiver是接受者，也可以說是Response響應。而ISO分別是：Input輸入、System系統、Output輸出。因此，SPR = ISO。

如圖示或影片的古鈸打擊樂器來說，我們會以鼓棒敲擊古鈸，施加外力作用於古鈸，造成古鈸的結構振動，進而發出聲音。在實務上，我們是可以量測施加的外力f(t)，以加速度規量測古鈸結構的振動量a(t)，以麥克風量測所發出的聲音之聲音壓力p(t)。

以SPR來解讀，此敲擊力就是source，古鈸結構上的振動以及敲擊發出的聲音，都是Response。那麼甚麼是path，包括結構路徑及空氣路徑？

若要探討此古鈸結構系統受敲擊外力時，所引發的振動與聲音，如圖示或影片，可以從三個角度來看這個結構與空氣系統、或是結構與空氣路徑：

1.         物理域(physical domain)：外力f(t)是輸入，而結構振動加速度a(t)及結構發出的聲音壓力p(t)都是輸出，也都是可度量的物理量。同時，結構的密度、楊氏係數、普松比，以及空氣的密度、音速(聲音在空氣中傳播速度，在常溫常壓下，約340 m/s)等，分別是結構路徑以及空氣路徑的系統參數。

2.         模態域(modal domain)：代表系統(路徑)特性為模態參數，包括：自然頻率、模態振型、及模態阻尼比，為表達系統內涵的一種方式。其中，模態振型在結構路徑(structural path)為位移模態振型，在空氣路徑(air path)為聲音壓力模態振型。

3.         頻率域(frequency domain)：頻率響應函數(frequency response function, FRF)為表達系統或路徑之內涵的參數。在結構路徑，若以衝擊鎚外力激振，又以加速規量測振動，FRF的物理意義為加速度除以力。在空氣路徑的FRF，如圖示則為聲音壓力除以加速度。

要求得系統內涵，以理論方式解析，常採用有限元素法(finite element method, FEM)，進行理論模態分析(theoretical modal analysis, TMA)可以求得結構的自然頻率及模態振型。進行簡諧響應分析(harmonic response analysis)，則可以求得頻率響應函數。此兩種分析都為P-analysis路徑分析，都是在求得系統內涵資訊，一為模態參數，一為頻率響應函數。

若以實驗方式求得系統內涵，此方法稱為實驗模態分析(experimental modal analysis, EMA)，或稱模態測試(modal testing)，簡要的步驟，在量測求得系統的頻率響應函數，透過曲線嵌合(curve fitting)，可得到結構的模態參數。此實驗流程即為P-test路徑測試。

要了解如圖示的打擊樂器敲擊聲音，可直接由實驗以麥克風(microphone)量測取得聲音壓力的時間域響應，再透過頻譜分析，得到聲音頻譜(sound spectrum)，藉以了解聲音之頻率特徵。此量測可以稱為R-test響應測試，除了量測聲音、也可以量測振動，兩者都是R-test，一為結構路徑的振動響應測試R-test for vibration，一為空氣路徑的聲音響應測試R-test for sound。

在振動噪音的實驗量測或理論分析，建構ISO及SPR的系統方塊圖，又深入了解系統或路徑的物理意義，是振動噪音診斷的基礎之一。

本文嘗試以系統方塊圖的角度，說明系統或路徑內涵的物理意義，希望對您有幫助。

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2017.07.12

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【基太克電子報】新品上市-生產線振動噪音檢測系統

生產線振動噪音檢測系統

隨著生活品質逐漸提高，使用者對產品的振動與噪音要求也愈來越嚴格。振動與噪音不僅影響使用者的觀感，更是產品壽命的潛在威脅。
傳統上產品出貨前是透過人工的感知，來感覺振動與噪音合格否?這樣憑感覺的檢測方式因人而異標準不一，且經驗累積在特定人的身上傳承困難，所以將感覺數據化成了現今振動噪音線上檢測的趨勢。

基太克公司將累積多年的振動噪音測試經驗與訊號處理技術，發展振動噪音線上檢測系統，提供高精度與高穩定性的系統，協助客戶解決振動噪音品質問題。

系統組成：

1. 靜音箱與測試治具(可客製化) 2. Novian 4通道動態分析儀
3. 高感度加速規x2 4. 高感度麥克風X1
5. 個人電腦 6. barcode Scanner(選配)

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【虎門科技】技術新訊-【RecurDyn V9R1】TSG 新功能搶先看

►【RecurDyn V9R1】TSG 新功能搶先看

產品開發常避免不了，須透過打造原型機進行實際的驗證，以汽車製造業為例，要進行長時間的實駕測試並且記錄大量的訊號資訊，再提供訊號資料給試驗平台(Test-Rig)進行相關的產品測試。

“用最有效率的方法全面性的了解機構系統動態行為”

產品開發藉由打造原型機進行實際的驗證，通常開發時程較冗長且成本高，在講求高競爭力的時代，透過 CAE 虛擬試驗平台(Virtual Test-Rig)模擬是既方便又省時的方法。

虛擬試驗平台模擬分析，假使沒有實際的路面訊號資料可提供，則必須去創建 CAE 路面模型(左圖)，取得幾組的加速度和載荷...等資料，如 : 右上圖 Outputs 所示，供虛擬試驗平台使用。

要在 CAE 軟體裡面描述真實的路面，考慮所有非線性的物理特性並不容易。V9R1 TSG(Time Signal Generator) 新功能”時域訊號產生器”提供了一個折衷做法。就是把實際量測的訊號，如：加速度、載荷、角度位置，位移等訊號資料，提供給虛擬試驗平台(Virtual Test-Rig) 進行產品驗證，不失為一個有效率的方法。

路面行駛過程中所量測到的訊號資料，如：加速度，載荷等，通常量測點會在結構上的某個位置，如左上圖中的藍色點，此量測資料是無法直接施加到虛擬試驗平台做使用，因激勵的來源是在輪胎下方，實車整體架構跟虛擬車體模型在邊界條件上也不盡相同，所以無法直接使用。

TSG (Time Signal Generator) 提供以上所述問題的解決方案

■ TSG (Time Signal Generator)

1.將實際量測得到的訊號資料視為輸出訊號 ” Output Signals (Target Signals)”。 2.TSG 計算得到新的輸入訊號”New Input Signals ”此輸入訊號會與輸出訊號匹配。 3.TSG 迭代解逆向動力學問題，確保系統所產出的”新的輸入訊號”與實際的系統相似。

■TSG (Time Signal Generator) 應用

1.Target Signals (Output Signals) 為實車測量的訊號。 2.幾次迭代計算後，ACCZ 模擬的輸出訊號會與實際的訊號匹配，如圖 Final Iteration。 3.獲得 Final Drive Signals ( New Input Signals) 虛擬試驗平台的驅動訊號 。

機構動態性能分析 (RecurDyn) 非常適合用於產品開發的工具 虎門科技官網資訊連結 聯盟最新訊息將會發布於粉絲團 聯盟粉絲團連結

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《振動噪音科普專欄》如何界定振動的大小、或聲音的大小？

如何界定振動的大小、或聲音的大小？

上週末和朋友談到噪音的大小，也連帶講到怎樣是振動大？赫然發現許多人對於振動或聲音的大小，還真的滿混淆的！本文，就來說明振動的大小、以及聲音的大小，如何界定？如何判斷？

首先，我們來談一下天氣的冷熱，有人會說今天好熱、或好冷喔！天氣的冷熱其實會因人而異，因為每個的感受是不同的，對於冷或熱都是主觀的說法。

因此，我們需要比較客觀的說法，以天氣的冷熱而言，比較客觀的指標應該就是溫度了，例如：今天氣溫30度、或是10度，這樣人們就有一個比較明確的冷熱感覺。

所以，一般我們口語化說的冷或熱，常用的物理量(physical property)就是溫度，也就是客觀的指標。溫度的單位是攝氏25度，或是華氏75度，書寫方式為25℃、或是75℉。

又，當我們說誰比較高、比較矮，或是誰比較胖、比較瘦？也是有客觀的指標，對應的物理量，分別是長度及質量。所以，如果以身高175公分，體重70公斤來說明，這樣有客觀的數值指標，我們就很容易比較誰高、誰胖了。

這裡提到的客觀指標，指的是物理量要有三個概念：一個是物理量的指標、二是物理量指標的數值、三是物理量的單位。舉例說明如下：

1.         代表冷熱：以溫度之物理量為指標，單位是攝氏℃、或是華氏℉。同樣的溫度，以不同單位顯示，其物理量的指標之數值就不同。例如：溫度為攝氏25度，就相當於華氏75度。

2.         代表身高：以長度之物理量，在量測身高時，常用的單位是公分(cm)。在計算BMI指標時，身高就要採用公尺(m)的單位。

3.         代表體重：以質量之物理量，單位是公斤。

那麼代表振動的大小是甚麼呢？又代表聲音的大小是甚麼呢？

代表結構的振動，會以位移之物理量，單位是公尺(m)。因為位移的微分是速度，速度的微分是加速度，位移、速度、加速度都是可以代表振動大小的物理量，其常用單位分別為：公尺(m)、每秒公尺(m/s)、每秒每秒公尺(m/s²)。

那麼聲音又是採用甚麼物理量呢？聲音大小我們常說分貝又是甚麼呢？

當我們講話時，發出的聲音會使得空氣中的大氣壓力波動，而形成聲波在空氣中的傳播。代表聲音的大小，會以大氣壓力之物理量，也就是聲音壓力為物理量，單位是帕斯卡(Pascal)，英文縮寫Pa=N/m²。一般認定：1000Hz的純音(pure tone)，聲音壓力為20X10^-6Pa時，人耳可聽到的最小聲音壓力。聲音的分貝(decibel)值，縮寫dB，就是取此20X10^-6Pa為參考聲音壓力，所計算的分貝值。有關分貝的定義及相關說明，再另文討論。

綜合來說：

1.         代表振動的大小：以位移、速度、加速度物理量為指標，其單位分別為，公尺(m)、每秒公尺(m/s)、每秒每秒公尺(m/s²)。振動大小的界定，當結構體位移的量值大，振動就大。

2.         代表聲音的大小：以大氣中聲音壓力波動的大小來界定，是以聲音壓力的物理量為指標，其單位為Pa。當聲音壓力的量值大，聲音就大。

本文介紹物理量的三個概念，一是物理量是一個指標、二是物理量指標的數值、三是物理量的單位。例如：身高(長度)175公分、體重(質量)70公斤、氣溫(溫度)攝氏25℃等，就分別有物理量、數值、單位等三個項目的說明。

簡要來說，針對結構體振動的大小，是由結構體的位移/速度/加速度量值的大小來判斷。而聲音的大小，則是由大氣中的聲音壓力量值的大小來判斷。

希望本文對如何界定振動的大小、或聲音的大小之說明對您有幫助。

以上個人看法，請多指教！

備註：BMI (Body Mass Index)：身體質量指數、或稱身高體重指數=體重(公斤) / 身高²(公尺²)。

王栢村

2017.07.03

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《振動噪音科普專欄》為什麼新的音響喇叭會吵到鄰居？

為什麼新的音響喇叭會吵到鄰居？

上週末晚上，到一位朋友的茶花園測試他新買的音響喇叭，大夥就唱起了卡拉OK。不久，鄰居來示意太吵了，頓時間，大家都覺得過意不去，立即關閉，以免再吵到鄰居。

大夥就七嘴八舌的說，過去不管唱得多high，應該都沒有吵到鄰居，這次換了新喇叭，果然，音響效果奇佳，真的吵到鄰居了！甚麼原因呢？又怎麼改善呢？

有人說，去退貨，對的，這是SPR的S策略，把音源(Source)處理掉就好了。不過，這好像不是買新喇叭的初衷啊！

要考慮聲音的產生與傳播、以及改善策略，可由SPR：Source音源、Path傳播路徑、Receiver收受者，三個角度來思考。

R是鄰居，肯定是在的，R策略怎麼做呢？平常做好敦親睦鄰的工作，是很好的辦法！

再想一下S策略呢？首先，就是因為新喇叭的品質好，可以聽到高低音分明，顯然低音效果特別好。而且，音量可調很大，據稱是演唱會級的power。如果，不能盡情地唱卡拉OK，那這套新喇叭不就無用武之地！

那麼P策略呢？大家都想到要隔音，但是在空曠的農地上，如何做呢？怎能符合經濟效益？

觀察了一下茶花園地形現況，探索一下為什麼會吵到鄰居？ 參考圖示其原因如下：

1.     低頻率聲音容易傳播遠方：因為新喇叭品質好，特別是低音效果佳，在學理上，因為低頻聲音的波長比較長，口語化都說”穿透力”強，其實，是因為低頻聲音之波長比較長，碰到障礙物，不容易被衰減。反之，高頻率聲音之波長比較短，碰到障礙物，容易被衰減、消散降低了聲波強度，所以高頻聲音，是比較容易被隔絕，也比較不容易傳播到遠方。

2.     聲音源之反射面效應：當晚，音響喇叭擺放位置，其中一只喇叭擺放靠近牆壁，當音源靠近牆面時，會有加倍音源之效應，換言之，聲音有放大的效果。如圖示，如果單一反射面有1個單位的音量，在兩個反射面就會增為2個單位音量，相當於增加3 dB分貝；到三個反射面，就增加為4個單位音量，相當於增加6 dB分貝。

3.     陽台形成一個喇叭效應：茶花園的陽台特性，剛好形成一個喇叭口的效應，使得喇叭發出的聲音又被擴大了。

要進行噪音的改善，當然還是由SPR來思考，在喇叭S音源不變下，將來如何改善呢？參考圖示的策略說明如下：

1.     S策略：將低頻率聲音強度調小，避免低頻音傳播遠方。喇叭移出陽台牆面，放置到陽台外空曠的地方，只有一個反射面，而且是草地，可避免陽台的喇叭口效應。

2.     P策略：讓喇叭方向面向陽台，以轉換喇叭聲音傳播方向；人及桌椅都在陽台，也可適度消散降低聲音強度。

3.     R策略：茶花園主人持續的敦親睦鄰，維持良好的人際關係。

本文介紹以SPR的理念，探討生活上的喇叭噪音困擾及解決方法，希望對您有幫助。

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2017.06.28

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