【振動噪音產學技術聯盟】網頁導覽影片

為提供訪客更多、更清楚的資訊,我們建立【振動噪音產學技術聯盟】網頁導覽影片,只要10分鐘的時間,快速為您介紹聯盟網頁架構、網頁內涵及如何應用,讓您多了解【振動噪音產學技術聯盟】網頁!

振動噪音產學技術聯盟

Facebook粉絲專頁

《振動噪音科普專欄》結構受到衝擊產生的振動波形,其頻譜會有甚麼特徵?

  

這個單元要來探討的主題是:結構受到衝擊(impact)產生的振動波形(vibration signal),其「頻譜(spectrum)會有甚麼特徵?

 

首先,參閱圖片左上方3個「時間波形(time waveform)的信號。初始都是0,在接近t = 0.1秒,有隨機的(random)信號特徵,主要特徵說明如下:

 

1.      1個圖示,這個隨機信號(random signal),呈現持續性、沒有衰減的特徵。

2.      2個圖示,這個隨機信號(random signal),呈現持續性、而有些微衰減的特徵。

3.      3個圖示,這個隨機信號(random signal),呈現持續性、而有較大衰減的特徵,到量測時間t = 1.0 秒,趨近於0

 

當結構受到衝擊(impact)產生的振動波形(vibration signal),會是以上的哪一種「時間波形(time waveform)的特徵呢?可以採用【SPR】心法來解讀,說明如下:

 

1.      S = Source激振源:已知,結構是受到一個衝擊力(impact force)

2.      P = Path結構路徑:結構有振動模態(vibration modes),包含3模態參數(modal parameters)(1) Natural frequencies 自然頻率 = 𝒇𝒓(2) Mode shapes 模態振型 = 𝝓𝒓(3) Modal damping ratios 模態阻尼比 = 𝝃𝒓。其中,𝒓代表第𝒓振動模態。理論上,一個結構會有無限多個振動模態

3.      R = Response響應:結構受衝擊力後,某一位置的振動「時間波形(time waveform),可以是位移(displacement)速度(velocity)加速度(acceleration)。實務量測上,常使用加速度規(accelerometer),量測到的就是加速度(acceleration)。分析上,常會取得結構的位移(displacement)響應。

 

一般應有的認知,實際結構都會有阻尼效應(damping effect),振動的「時間波形」,就會有衰減(decay)現象。對應前述的3個「時間波形(time waveform)的信號,可以解讀如下:

 

1.      1個圖示,衰減率(decay rate)𝝈=𝟎,會是無阻尼(undamped)結構。實務上,結構都會有阻尼效應(damping effect)。所以,這樣的振動波形,實務上,是不可能出現的。

2.      2個圖示,衰減率(decay rate)𝝈= 𝟏,會是微小阻尼(little damped)結構。因為阻尼效應(damping effect)小,振動響應會衰減,但是衰減的較慢,到t = 1.0 秒,還在來回震盪中。

3.      3個圖示,衰減率(decay rate)𝝈= 𝟓,會是較大阻尼(heavily damped)結構。因為阻尼效應(damping effect)較大,振動響應會衰減的比較快,到t = 1.0 秒,振動響應已經趨近於0

 

這裡要對以上3個「時間波形(time waveform)的信號,進行FFT快速傅立葉轉換(fast Fourier transform),取得合成信號的「頻譜(spectrum)。首先,回顧一下,如何進行FFT快速傅立葉轉換(fast Fourier transform)。參閱圖片左上方,FFT之【ISOC】分析的系統方塊圖(system block diagram),重點說明如下:

 

1.      Input輸入:就是一個信號的「時間波形(time waveform)

2.    System系統:在此FFT,就是系統。就是要進行FFT快速傅立葉轉換(fast Fourier transform)

3.      Output輸出:當然就是「時間波形」信號的「頻譜(spectrum)

4.      Control控制:進行FFT的控制變數,有三大項,包括:(1) FFT 參數(parameters)(2) 窗函數形式(Window Type)(3) 平均處理(Averaging)

 

針對第一個重要選項,是FFT 參數(parameters),主要有兩個變數需要設定,定義如下:

 

1.      Fmax = 1000 Hz:最高有效頻率(maximum effective frequency),單位:Hz

2.      LOR = 1000 :頻率解析條數(lines of resolution, LOR),單位:條(lines)

 

在此設定,R = Fmax / LOR = 1.0 Hz:頻譜的頻率解析度(Resolution)

 

同時,第二個重要選項,是窗函數形式(Window Type)。本單元選用Box”=方形/均勻/矩形窗函數」。

 

第三個重要選項,是平均處理(Averaging),令平均次數(Number of Averaged)Navg = 1Overlap = 0%

 

參閱圖片右上方3個系列圖示,說明如下:

 

1.      1個圖示,衰減率(decay rate)𝝈=𝟎無阻尼(undamped)結構。

2.      2個圖示,衰減率(decay rate)𝝈= 𝟏微小阻尼(little damped)結構。

3.      3個圖示,衰減率(decay rate)𝝈= 𝟓較大阻尼(heavily damped)結構。

 

由第2個圖示為線性頻譜(Linear spectrum)來觀察,3個「時間波形(time waveform)的信號,其線性頻譜,似乎都有明確的得到對應的5個「峰值(peak),代表這個結構有5振動模態(vibration modes),「峰值」對應的頻率,就是結構的Natural frequencies 自然頻率 = 𝒇𝒓

 

其次,同樣的頻譜y軸取對數座標(Logarithmic coordinate),如第3個圖示為對數頻譜(Logarithmic spectrum),當𝝈=𝟎,可以看出對數頻譜有明顯的、嚴重的「柵欄效應(fence effect)。而𝝈= 𝟏,其對數頻譜有輕微的「柵欄效應(fence effect)。在𝝈= 𝟓對數頻譜完全沒有「柵欄效應(fence effect),很清楚的可以辨別出5振動模態(vibration modes)

 

注意,在此所選用的窗函數形式(Window Type),是Box”=方形/均勻/矩形窗函數」。相當於沒有做任何的加權處理(weighting),觀察第4個圖示為實際進行FFT的「時間波形」,可以和第1個圖示的「時間波形」比較,完全相同。

 

因為選用了Box”=方形/均勻/矩形窗函數」,對𝝈=𝟎𝝈= 𝟏,其對數頻譜有明顯的「柵欄效應(fence effect),這樣的頻譜是不利於後續的應用分析,所以是NG (No Good, No Go)。當𝝈= 𝟓對數頻譜完全沒有「柵欄效應(fence effect),很清楚的可以辨別出5振動模態(vibration modes),這樣的頻譜是有效的、正確的,可以做為後續的應用分析,所以是OK的。

 

這裡引發一個思考,為什麼頻譜會出現「柵欄效應(fence effect)這種現象(Situation)呢?在此,以【SCR】心法,來解析「柵欄效應」的現象原因對策

 

1.      S = Situation 現象對數頻譜會出現「柵欄效應(fence effect)

2.      C = Cause 原因:因為,時間波形,頭尾的信號,不一致。如𝝈=𝟎𝝈= 𝟏,初始時間,x(t) = 0,在終止量測時間,t = 1.0 秒,其x(t)信號,不為0。這就是:時間波形,頭尾的信號,不一致。因而,導致了「柵欄效應(fence effect)。當𝝈= 𝟓,在終止量測時間,t = 1.0 秒,其x(t)信號,已經趨近於0,所以,時間波形,頭尾的信號,有一致。就不會出現「洩漏(leakage),所以,對數頻譜完全沒有「柵欄效應(fence effect)

3.      R = Resolution 對策:針對𝝈=𝟎𝝈= 𝟏,必須更換Box”=方形/均勻/矩形窗函數」,採用Exponential”=指數窗函數」。我們再另闢單元討論。

 

綜合這個單元的討論,結構受到衝擊(impact)產生的振動波形(vibration signal),其「頻譜(spectrum)會有甚麼特徵?總結如下:

 

1.      結構受到衝擊(impact)產生的振動波形(vibration signal),有3種可能的類型:(1) 衰減率(decay rate)𝝈=𝟎,會是無阻尼(undamped)結構。(2) 衰減率(decay rate)𝝈= 𝟏,會是微小阻尼(little damped)結構。(3) 衰減率(decay rate)𝝈= 𝟓,會是較大阻尼(heavily damped)結構。

2.      採用【SPR】心法來解讀,結構受到衝擊(impact)產生的振動波形(vibration signal)之現象:(1) S = Source激振源(2) P = Path結構路徑(3) R = Response響應。由P = Path結構路徑,可知結構有振動模態(vibration modes),包含3模態參數(modal parameters)(1) Natural frequencies 自然頻率 = 𝒇𝒓(2) Mode shapes 模態振型 = 𝝓𝒓(3) Modal damping ratios 模態阻尼比 = 𝝃𝒓。其中,𝒓代表第𝒓振動模態。理論上,一個結構會有無限多個振動模態。由振動響應頻譜,得到對應的5個「峰值(peak),代表這個結構有5振動模態(vibration modes),「峰值」對應的頻率,就是結構的Natural frequencies 自然頻率 = 𝒇𝒓

3.      認知,實際結構都會有阻尼效應(damping effect),振動的「時間波形」,就會有衰減(decay)現象。

4.      當採用Box”=方形/均勻/矩形窗函數」,對𝝈=𝟎𝝈= 𝟏,其頻譜有明顯的「柵欄效應(fence effect),所以是NG (No Good, No Go)。當𝝈= 𝟓頻譜完全沒有「柵欄效應(fence effect),所以是OK的。最後,以【SCR】心法,來解析「柵欄效應」的S = Situation 現象C = Cause 原因R = Resolution 對策。需要採用Exponential”=指數窗函數」。我們再另闢單元討論。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2026.02.05

YouTube影片連結 













《振動噪音科普專欄》連續理想衝擊波(continuous ideal impact wave),其頻譜會有甚麼特徵?

  

這個單元要來探討的主題是:「連續理想衝擊波(continuous ideal impact wave),其「頻譜(spectrum)會有甚麼特徵?

 

在先前單元:#452,【理想衝擊波和三角波,其頻譜會有甚麼不同特徵?】,有討論過「理想衝擊波(ideal impact wave) 的「頻譜(spectrum)特徵。這個單元要來看「連續理想衝擊波(continuous ideal impact wave) 的「頻譜(spectrum)

 

因為要從「時間波形(time waveform),透過FFT快速傅立葉轉換(fast Fourier transform),取得合成信號的「頻譜(spectrum)。首先,回顧一下,如何進行FFT快速傅立葉轉換(fast Fourier transform)。參閱圖片左上方,FFT之【ISOC】分析的系統方塊圖(system block diagram),重點說明如下:

 

1.      Input輸入:就是一個信號的「時間波形(time waveform)

2.      System系統:在此FFT,就是系統。就是要進行FFT快速傅立葉轉換(fast Fourier transform)

3.      Output輸出:當然就是「時間波形」信號的「頻譜(spectrum)

4.      Control控制:進行FFT的控制變數,有三大項,包括:(1) FFT 參數(parameters)(2) 窗函數形式(Window Type)(3) 平均處理(Averaging)

 

針對第一個重要選項,是FFT 參數(parameters),主要有兩個變數需要設定,定義如下:

 

1.      Fmax = 500 Hz:最高有效頻率(maximum effective frequency),單位:Hz

2.      LOR = 500 :頻率解析條數(lines of resolution, LOR),單位:條(lines)

 

在此設定,R = Fmax / LOR = 1.0 Hz:頻譜的頻率解析度(Resolution)

 

同時,第二個重要選項,是窗函數形式(Window Type)。本單元選用Box”=方形/均勻/矩形窗函數」。

 

第三個重要選項,是平均處理(Averaging),令平均次數(Number of Averaged)Navg = 1Overlap = 0%

 

參閱圖片左下方兩個圖示,摘錄自單元:#451,【AC信號、DC信號的時間波形,其頻譜會有甚麼不同特徵?】,分別說明如下:

 

1.      AC (Alternating Current)信號:也就是純Sine(pure sine wave),其「頻譜」,分別有LinearLogarithmic兩個圖示。只有在F=10 Hz有峰值,且振幅(magnitude)1。其他頻率的振幅皆為0,實際上,若由Logarithmic圖示觀察,其數值為負的十幾次方,這是數值分析上的效應,實際上,就是0

2.      DC (Direct Current)信號:也就是常數波,其「頻譜」,只觀察Linear圖示。只有在F=0 Hz有峰值,而其振幅(magnitude)5,就是常數波DC偏位(DC offset)5。其他頻率的振幅皆為0,因為是0,所以,無法以Logarithmic圖示觀察。

 

簡單來說:

 

1.      AC(Alternating Current)信號 = Sine:其「頻譜」,在Sine波的頻率,有一個「峰值(peak)

2.      DC(Direct Current)信號 = 常數波:其「頻譜」,在0 Hz,有一個「峰值(peak)

 

參閱圖片右上圖示,呈現「理想衝擊波(ideal impact wave)信號:因為,「時間波形」就是單一個脈衝信號(single impulse),其「頻譜」會是「平頻譜(flat spectrum),這種頻譜,也稱為「白噪音頻譜(white noise spectrum)

 

簡單來說:「理想衝擊波」,其「頻譜」,在所有的頻率,都為常數

 

這個單元要來看,「連續理想衝擊波(continuous ideal impact wave) 的「頻譜(spectrum)。參閱圖片右邊中間圖示,左邊是「時間波形(time waveform),右邊是對應的頻率「頻譜」,討論如下:

 

1.      時間波形」:一系列連續的、重複的、週期的「理想衝擊波」,倆倆衝擊波之間的時間間隔,也就是「週期(period)T = 0.025 Hz

2.      頻譜」:呈現一系列連續的、週期的「峰值(peak),這種「頻譜」特徵,稱為「簡諧倍頻(harmonics),也可簡稱「諧頻」、「諧波」。其「基礎頻率(fundamental frequency)F = 1 / T = 1 / 0.025 = 40 Hz

 

當「時間波形」信號,呈現出連續的(continuous)重複的(repeated)週期的(periodic)的特徵,其「頻譜」,就會呈現出「簡諧倍頻(harmonics)的特徵。「連續理想衝擊波(continuous ideal impact wave) 的「頻譜(spectrum),就會有「簡諧倍頻」特徵,而其「基礎頻率F = 1 / T,就是「時間波形」的重複的循環「週期T的倒數。

 

綜合一下這個單元的討論,「連續理想衝擊波(continuous ideal impact wave),其「頻譜(spectrum)會有甚麼特徵?複習了幾種「時間波形」信號的「頻譜」特徵,總結如下:

 

1.      AC(Alternating Current)信號 = Sine:其「頻譜」,在Sine波的頻率,有一個「峰值(peak)

2.      DC(Direct Current)信號 = 常數波:其「頻譜」,在0 Hz,有一個「峰值(peak)

3.      理想衝擊波(ideal impact wave)信號:其「頻譜」,在所有的頻率,都為常數

4.      連續理想衝擊波(continuous ideal impact wave)信號:因為,「時間波形」信號,呈現出連續的(continuous)重複的(repeated)週期(periodic)的特徵,其「頻譜」,就會呈現出「簡諧倍頻(harmonics)的特徵。而其「基礎頻率F = 1 / T,就是「時間波形」的重複的循環「週期T的倒數。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2026.02.05

YouTube影片連結 








《振動噪音科普專欄》兩個Sine波合成Beating信號,有洩漏(Leakage),採用Hanning和Box窗函數,其頻譜會有甚麼不同?

  

這個單元要來探討的主題是:兩個Sine波合成Beating信號,有「洩漏(Leakage),採用HanningBox窗函數,其「頻譜(spectrum)會有甚麼不同?

 

因為要從「時間波形(time waveform),透過FFT快速傅立葉轉換(fast Fourier transform),取得合成信號的「頻譜(spectrum)。首先,回顧一下,如何進行FFT快速傅立葉轉換(fast Fourier transform)。參閱圖片左上方,FFT之【ISOC】分析的系統方塊圖(system block diagram),重點說明如下:

 

1.      Input輸入:就是一個信號的「時間波形(time waveform)

2.      System系統:在此FFT,就是系統。就是要進行FFT快速傅立葉轉換(fast Fourier transform)

3.      Output輸出:當然就是「時間波形」信號的「頻譜(spectrum)

4.      Control控制:進行FFT的控制變數,有三大項,包括:(1) FFT 參數(parameters)(2) 窗函數形式(Window Type)(3) 平均處理(Averaging)

 

針對第一個重要選項,是FFT 參數(parameters),主要有兩個變數需要設定,定義如下:

 

1.      Fmax = 200 Hz:最高有效頻率(maximum effective frequency),單位:Hz

2.      LOR = 800 :頻率解析條數(lines of resolution, LOR),單位:條(lines)

 

在此設定,R = Fmax / LOR = 0.25 Hz:頻譜的頻率解析度(Resolution)

 

同時,第二個重要選項,是窗函數形式(Window Type)。本單元討論的是有「洩漏(Leakage)Sine波,所以,必須選用Hanning”=漢寧窗函數」。另外,也探討選用Box”=方形/均勻/矩形窗函數」的影響,以及正確的FFT參數設定方式。

 

第三個重要選項,是平均處理(Averaging),令平均次數(Number of Averaged)Navg = 5Overlap = 0%

 

針對如何設定FFT參數,才能夠取得正確的、分離出兩個獨立sine波的「頻譜(spectrum)?回顧總結如下:

 

1.      採用Box”=方形/均勻/矩形窗函數」:在「頻譜」,要有效的分離出兩個峰值(peak)FFT參數設定,必需R dF/2。其中,R = Fmax / LOR

2.      採用Hanning”=漢寧窗函數」:在「頻譜」,要有效的分離出兩個峰值(peak)FFT參數設定,必需R dF / 2 / WF = dF / 2 / 1.5。其中,R = Fmax / LORWF=1.5Hanning 窗函數的「窗函數因子(window factor, WF)。因為,當採用Hanning”=漢寧窗函數」,對於頻譜的解析度變差了,會加大「頻帶寬度(band width, BW)BW = WF*RBW是「頻帶寬度(band width, BW),相當於採用Hanning頻率解析度(resolution)

 

參閱圖片的左下方兩個圖示,針對「無洩漏(without Leakage)Beating信號,採用Hanning”=漢寧窗函數」,理念上,FFT 參數的R要夠小,才能夠正確的分離兩個相近Sine波頻率差=dF。已知:R = Fmax / LOR。要讓R夠小,有兩種方式:

 

1.      固定Fmax,增大LOR:參閱左下方圖示,令:Fmax = 200 HzLOR = 800 。所以:R = Fmax / LOR = 0.25 HzBW=WF*R =0.375 Hz。因為,dF = 1 Hz。可以滿足:BW=WF*R dF/2。也就是:R dF / 2 / WF = dF / 2 / 1.5R = 0.25 Hz dF / 2 / 1.5 = 0.33 Hz。因而,頻譜可以正確的分離兩個相近Sine波頻率差=dF

2.      固定LOR,減小Fmax:參閱左下方圖示,令:Fmax = 100 HzLOR = 400 。所以:R = Fmax / LOR = 0.25 HzBW=WF*R =0.375 Hz。因為,dF = 1 Hz。可以滿足:BW=WF*R dF/2。也就是:R dF / 2 / WF = dF / 2 / 1.5R = 0.25 Hz dF / 2 / 1.5 = 0.33 Hz。因而,頻譜可以正確的分離兩個相近Sine波頻率差=dF

 

這個單元要來看「有洩漏(with Leakage)Beating信號,參閱圖片右上,如果,𝑭1 = 10.2 Hz𝑭2 = 11.2 Hz,兩者的頻率差=dF=1 Hz。所以,「拍振頻率(Beating frequency)=Fb = dF。因此,Tb拍振週期=Tb=1/dF = 1/1 = 1 sec

 

為什麼是「有洩漏(with Leakage)的信號呢?取決於所設定的FFT 參數。在此,FFT 參數關係:

 

1.      頻率解析度R = Fmax / LORR = 200 / 800 = 0.25 Hz

2.      取樣時間T = 1 / RT = 1 / 0.25 = 4 sec

 

有洩漏(with Leakage)現象時,以本案例來說,因為,𝑭1 = 10.2 Hz𝑭2 = 11.2 Hz,又R = 0.25 Hz𝑭1 / R 整數,𝑭2 / R 整數。所以,進行FFT分析,得到的「頻譜(spectrum)就會有「洩漏(Leakage)現象。因此,必須採用Hanning”=漢寧窗函數」,才可減小「頻譜」的「洩漏(Leakage)現象。

 

另外,要有一個認知,實務上,量測到的振動信號,都可能有任意數值的頻率,幾乎不會是剛好F1 / R = 整數,F2 / R = 整數。所以,實務上,都是會採用Hanning”=漢寧窗函數」。

 

為了瞭解採用HanningBox窗函數處理的差異,針對「有洩漏(with Leakage)現象的Beating信號,其𝑭1 = 10.2 Hz𝑭2 = 11.2 Hz,所以,dF = 1 Hz。分別取得「頻譜」,參閱圖片右邊圖示,比較討論如下:

 

1.      頻譜」之頻率解析效果:若是採用Box,必須:R dF / 2R = 0.25 Hz dF / 2 = 0.5Hz。所以,可以分辨出兩個頻率。但是,由於「頻譜」呈現「有洩漏(with Leakage)現象,類似於共振(resonance)效應,又由「頻譜」的對數座標圖示來看,會誤判是兩個自然頻率所引發的「共振」效應。若是採用Hanning,必須:R dF / 2 / WF = dF / 2 / 1.5R = 0.25 Hz dF / 2 / 1.5 = 0.33 Hz。除了,可以分辨出兩個頻率。同時,由「頻譜」可以明確地辨識出兩個獨立峰值(peaks),是可以正確的解析出兩個獨立Sine波的Beating效應。

2.      頻譜」之振幅解析效果:由對數座標的「頻譜」標示,採用Box,分辨出兩個頻率的量值:0.866@10.25 Hz0.980@11.25 Hz,其中,0.866偏低於1.0。而且,「頻譜」的峰值(peaks)有明顯的「洩漏(Leakage)現象。採用Hanning, 分辨出兩個頻率的量值:0.977@10.25 Hz0.977@11.25 Hz,不僅沒有「洩漏(Leakage)現象,而且其中,兩個頻率的振幅都更接近於1.0。顯示,採用Hanning,有比較正確的振幅解析。

 

綜合這個單元的討論,當兩個Sine波,所合成的Beating信號,有「洩漏(Leakage),採用HanningBox窗函數,其「頻譜(spectrum)會有甚麼不同?總結如下:

 

1.      複習討論了:FFT之【ISOC】分析的系統方塊圖(system block diagram),包括:Input輸入、System系統、Output輸出、Control控制。以瞭解如何取得「頻譜(spectrum)

2.      針對有Beating現象的「時間波形」,若是採用Box”=方形/均勻/矩形窗函數」,在「頻譜」,要有效的分離出兩個峰值(peak)FFT參數設定,必需:R dF/2。其中,R = Fmax / LOR

3.      針對有Beating現象的「時間波形」,若是採用Hanning”=漢寧窗函數」,在「頻譜」,要有效的分離出兩個峰值(peak)FFT參數設定,必需:R dF / 2 / WF = dF / 2 / 1.5。其中,R = Fmax / LORWF=1.5Hanning 窗函數的「窗函數因子(window factor, WF)。當採用Hanning”=漢寧窗函數」,對於頻譜的解析度變差了,會加大「頻帶寬度(band width, BW)BW = WF*RBW是「頻帶寬度(band width, BW),相當於採用Hanning頻率解析度(resolution)

4.      針對「無洩漏(without Leakage)Beating信號,採用Hanning”=漢寧窗函數」,理念上,FFT 參數的R要夠小,才能夠正確的分離兩個相近Sine波頻率差=dF。因為,R = Fmax / LOR,所以有兩種方式:(1) 固定Fmax,增大LOR(2) 固定LOR,減小Fmax

5.      針對「有洩漏(with Leakage)Beating信號,必須採用Hanning不可採用Box,才可有:(1) 良好頻率解析之「頻譜」,(2) 良好振幅解析之「頻譜」。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2026.01.19

 

YouTube影片連結