《振動噪音科普專欄》如何應用SPR技術路徑處理振動噪音問題?(1) 如何進行R-test-N?

這個單元要來探討的主題是:如何應用“SPR” 技術路徑(technical roadmap)處理振動(vibration)與噪音(noise)問題?這是這個系列的第1篇:(1) 如何進行”R-test-N”?

 

要探討這個主題,參閱左上方圖示,先回顧:【振動/聲音之結構路徑/空氣路徑之S → P → R系統方塊圖】,讀者可參閱參考單元:#351,【由SPR方塊圖看需要哪些實驗與分析?】,摘錄如下:

 

1.          實驗導向(Experimental approach)的5種Test實驗技術:S-test、P-test-S、R-test-V、P-test-A、R-test-N。

2.          分析導向(Analytical approach)的5種Analysis分析技術:S-analysis、P-analysis-S、R-analysis-V、P-analysis-A、R-analysis-N。

 

這個單元著重在R-test-N:Response-test-Noise:響應-實驗-噪音:就是量測結構的聲音壓力響應 𝒑𝒌 (𝒕),因為要處理噪音問題,當然第一個步驟,就要先知道結構系統的噪音狀態,目的在瞭解聲音的特徵。

 

繼續往下探討之前,先介紹幾個【心法】(mental method),第一個心法是【4W】:

 

1.      What is?

2.      Why to do?

3.      What goals?

4.      How to do?

 

第二個心法是【4個What】:

 

1.      What to know?

2.      What to get?

3.      What to do?

4.      What to show?

 

第三個心法是【MADI】,讀者可參閱參考單元:#164,【產品振動噪音之量測、分析、診斷與對策 MADI for Product Noise and Vibration】:

 

1.      Measurement

2.      Analysis

3.      Diagnosis

4.      Improvement

 

最後,第四個心法是【F-C/S-A/M-I-V-C-I】流程圖的心法,讀者可參閱左下方圖示,以及參考單元:#88,【工程設計的新思維:F-C(S)-A(M)-I-V/C-I】,在此只採用實驗方法,所以只有【F- S- M-I-V-C-I】:

 

1.      Function

2.      Sensor

3.      Measurement

4.      Index

5.      Value

6.      Criterion

7.      Improvement

 

首先,參考影片,可以看出順序,採用【4W】心法,做出對應的提問:

 

1.      What is ”R-test-N”? 甚麼是”R-test-N”?

2.      Why to do ”R-test-N”? 為什麼要進行”R-test-N”?

3.      What goals for ”R-test-N”? 做了”R-test-N”要達到甚麼目標?

4.      How to do ”R-test-N” ? 如何進行”R-test-N”?

 

第一,甚麼是”R-test-N”? R-test-N = Response-test-Noise = 響應-實驗-噪音:就是量測結構的聲音壓力響應 𝒑𝒌 (𝒕),因為要處理噪音問題,當然第一個步驟,就要先知道結構系統的噪音狀態,目的在瞭解聲音的特徵。

 

第二,為什麼要進行”R-test-N”?參閱圖示右上方,是一部增濕器(Humidifier),覺得有噪音,想要瞭解這部Humidifier的噪音狀態。所以就要導入【4個What】心法的思考。在此,第1個What= What to know? 也就是想要知道噪音有甚麼特徵?

 

第三,做了”R-test-N”要達到甚麼目標?因為,噪音有甚麼特徵?是很籠統的說法,在此就要比較明確的指出,引用第2個What= What to get? 需要取得甚麼樣的資訊?通常會想要知道噪音總量是多少分貝(decibel)?噪音是由那些頻率組成?又主要的噪音貢獻頻帶是那些?所以需要取得如聲音頻譜(sound spectrum)的資訊,以下會更詳細的說明Index 指標。

 

第四,如何進行”R-test-N”?就可以導入第3個What= What to do?,以及第4個What= What to show? 分別來說明。

 

第3個What= What to do? 就是必須要做甚麼事呢?由第三個心法=【MADI】,包含四個階段的工作,分別是:

 

1.      Measurement 量測:就可以採用第四個心法=【F- S- M-I-V-C-I】來思考,要量測取得聲音響應的原始數據是時間波形(time waveform) 𝒑(𝒕),隨後再詳細說明。

2.      Analysis 分析:針對取得的 𝒑(𝒕),會透過FFT處理,取得噪音頻譜(noise spectrum),𝑮𝒑𝒑(𝒇)實際上是聲音壓力頻譜(sound pressure spectrum),可簡稱聲音頻譜(sound spectrum)。聲音頻譜顯示的峰值(peaks),就是主要發聲的頻率。

3.      Diagnosis 診斷:Analysis 分析和Diagnosis 診斷,通常是個往復循環流程,以能夠診斷出噪音的現象、原因,以期能提出改善Improvement 對策。

4.      Improvement 對策:基於前述的MAD,能夠提出改善Improvement 對策。

 

接續第四個心法=【F-S-M-I-V-C-I】的思考,說明如下:

 

1.      Function 目的:本單元在討論的是如何進行”R-test-N”?已經完成了【4W】的敘述。

2.      Sensor 感測器:在此進行的是”R-test-N”,參閱圖示右上方,使用的是麥克風(microphone),可以量測到聲音壓力響應 𝒑(𝒕)。

3.      Measurement 量測:在此需要定義待測物的運轉工況,決定量測採集數據的FFT參數設定等。

4.      Index 指標:對量測到的聲音壓力響應 𝒑(𝒕),也是之一,參閱圖示右下方,有各種評估噪音的指標,後續再詳細說明。

5.      Value 數值:每一個指標,都有對應的數值、或圖示。

6.      Criterion 允收標準:每一個指標,都會有對應的Criterion 允收標準。

7.      Improvement 改善對策:也就是基於MAD,能夠提出改善Improvement 對策。

 

其次,導入第4個What= What to show? 除了量測到的聲音壓力響應 𝒑(𝒕),是原始數據(raw data)之外,有各種評估噪音的指標,還需要呈現甚麼樣的指標?或相關圖示?參閱圖示右下方,說明如下:

 

1.      𝒑(𝒕) = time waveform = 時間波形:量測到的聲音壓力響應 𝒑(𝒕),是原始數據(raw data)。

2.      𝑮𝒑𝒑 (𝒇) = sound spectrum = 聲音頻譜:透過FFT以及PSD處理,可以取得聲音的功率頻譜,可簡稱聲音頻譜(sound spectrum)。聲音頻譜顯示的峰值(peaks),就是主要發聲的頻率。

3.      𝑮𝒑𝒑,𝟏/𝟑(𝒇𝒄) = 1/3 octave band spectrum = 三分之一倍頻頻譜:主要是配合人耳感官的聽覺效果。

4.      𝑳𝒑,𝒆𝒒 = equivalent sound pressure level = 等效聲音壓力位準/聲壓級:簡單說,就是在量測時間內的噪音量大小之平均值,實際上是均能音量(equivalent energy)的概念,如圖示案例,噪音量分別是 62.6 dB、57.4 dBA。

5.      𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇) = spectrogram = 時頻圖:必須透過時頻分析(time frequency analysis),常用短時傅立葉轉換(short time Fourier transform, STFT)處理,以得到時頻圖。

6.      𝑳𝒑(𝒕) = sound pressure level = 聲音壓力位準/聲壓級:對應時間軸,每一個瞬間的聲音壓力位準/聲壓級。

 

以上就是,進行”R-test-N”的主要工作項目與步驟,綜合一下這個單元的討論:

 

1.      回顧【振動/聲音之結構路徑/空氣路徑之S → P → R系統方塊圖】,著重在(1) 如何進行”R-test-N”?

2.      引用第一個心法【4W】:探討”R-test-N”的內涵,包括: (1) What is? 是甚麼?(2) Why to do? 為什麼要做?(3) What goals? 達到甚麼目標?(4) How to do? 要如何進行?

3.      引用第二個心法是【4個What】:(1) What to know? 想要知道甚麼?(2) What to get? 需要得到甚麼?(3) What to do? 必需做甚麼?(4) What to show? 應該呈現甚麼?並結合第一個心法【4W】的整合應用。

4.      引用第三個心法是【MADI】:處理振動噪音問題的四個階段工作,包括:(1) Measurement 量測,(2) Analysis 分析,(3) Diagnosis 診斷,(4) Improvement 對策。

5.      引用第四個心法是【F- S- M-I-V-C-I】:處理振動噪音問題的系統化步驟流程,包括:(1) Function 目的,(2) Sensor 感測器,(3) Measurement 量測,(4) Index 指標,(5) Value 數值,(6) Criterion 允收標準,(7) Improvement 改善對策。

6.      第四個心法=【F- S- M-I-V-C-I】的Index指標:針對噪音響應,Index 指標包括:𝒑(𝒕)、𝑮𝒑𝒑 (𝒇)、𝑮𝒑𝒑,𝟏/𝟑(𝒇𝒄)、𝑳𝒑,𝒆𝒒、𝑮𝒑𝒑(𝒕,𝒇)、𝑳𝒑(𝒕)。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2024.01.08

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