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《振動噪音產學技術聯盟》進行FFT,如何做ISOC分析?

 

這個單元要來探討的主題是:進行FFT「快速傅立葉轉換」(fast Fourier transform),如何做【ISOC】分析?

 

首先,就拆開關鍵詞(key words)來看:

 

1.      進行FFT「快速傅立葉轉換」 (fast Fourier transform)。

2.      如何做【ISOC】分析?

 

就以【4W】心法:(1) What is?(2) Why to do?(3) What goals?(4) How to do?分別來解讀這兩件事!

 

進行FFT「快速傅立葉轉換」 (fast Fourier transform)的【4W】心法思考:

 

1.      What is?甚麼是FFT?FFT,fast Fourier transform的縮寫,就是「快速傅立葉轉換」。

2.      Why to do?為什麼要進行FFT?由信號的「時間波形」(time waveform),不易瞭解信號的特徵。

3.      What goals?進行FFT,要達到甚麼目標呢?透過FFT,可以取得一個信號的「頻譜」(spectrum),可以解析出信號的頻率(frequency)以及其對應的振幅(amplitude/magnitude)。

4.      How to do?要如何進行FFT呢?這個單元,就利用【ISOC】心法,來分析。

 

其次,談到【ISOC】心法,就以【4W】心法思考:

 

1.      What is?甚麼是【ISOC】?【ISOC】分別是:Input輸入、System系統、Output輸出、Control控制。

2.      Why to do?為什麼要進行【ISOC】分析?可以系統化的解構FFT分析。

3.      What goals?進行【ISOC】分析,要達到甚麼目標呢?瞭解FFT的【ISOC】分析的具體內涵。

4.      How to do?要如何進行【ISOC】分析呢?可以參閱圖片右上的FFT之【ISOC】分析的系統方塊圖(system block diagram)。

 

由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),圖示有類似振幅調制(amplitude modulation, AM)的時間波形。

2.      System系統:在此FFT,就是系統。

3.      Output輸出:當然就是這個「時間波形」信號的「頻譜」(spectrum)。圖示可以觀察到是典型的AM振幅調制之「頻譜」。

4.      Control控制: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)。

 

在此,讀者應有一個認知,在實務的量測以及軟體的應用分析。在進行FFT分析,雖然,可能只是一鍵式的操作(one button’s operation),但是,有許多控制選項(control option)。本單元就在簡介這些Control variables控制變數。

 

第一個重要選項,是FFT 參數(parameters),主要有兩個變數需要設定,通常是:

 

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

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

 

讀者可以參考先前單元:第179篇,【FFT系列:FFT分析參數 Fmax 及 LOR 對量測信號之影響?】。

 

第二個重要選項,是窗函數形式(Window Type),讀者可以參考先前單元:第183篇,【FFT系列:甚麼是洩漏(leakage)?窗函數(window)如何改善洩漏(leakage)?】。常見的「窗函數」(window function),列舉如下:

 

1.      ”Box”「窗函數」:也稱為”Uniform”、或”Rectangular”,中文稱為「方形/均勻/矩形窗函數」,相當於是”無”「窗函數」(without window)的效應。

2.      ”Hanning”「漢寧窗函數」:加入「漢寧窗函數」處理,原始信號在時間波形的取樣區間兩端,會強迫歸零,所以可以減少「洩漏」現象。

3.      ”Flat Top”「平頂窗函數」:適用在單頻率的校正信號之頻譜分析,例如:加速度規校正及麥克風感測器校正,因為「振幅值解析」幾乎正確,雖然,「頻率解析」不好,但是對校正而言,「振幅值解析」的正確性至關重要。

4.      ”Hamming”「漢明窗函數」:類似於”Hanning”「漢寧窗函數」。

 

第三個重要選項,是平均處理(Averaging),通常需要定義:

 

1.      線性平均(Linear averaging):是一種平均處理(Averaging)方式,對「頻譜」(spectrum),取線性平均(Linear averaging)。也有RMS平均處理(RMS Averaging)、TSA時間同步平均處理(Time Synchronous Averaging, TSA)等之平均處理(Averaging)方式。

2.      平均次數(Number of Averaged):設定要取幾個「頻譜」(spectrum),進行平均處理(Averaging)。

3.      平均重疊率(Overlap % for averaging):在設定所取得的「時間波形」(time waveform)之重疊率(Overlap %)。

 

所以,要進行FFT分析,就需要從【ISOC】分析,來瞭解其中的Control variables控制變數,才能取得正確的「頻譜」(spectrum)。

 

綜合這個單元的討論,進行FFT「快速傅立葉轉換」(fast Fourier transform),如何做【ISOC】分析?重點整理如下:

 

1.      以【4W】心法:(1) What is?(2) Why to do?(3) What goals?(4) How to do?探討如何進行FFT「快速傅立葉轉換」 (fast Fourier transform)。

2.      以【4W】心法探討【ISOC】分析。

3.      透過FFT之【ISOC】分析的系統方塊圖(system block diagram),分別由Input輸入、System系統、Output輸出、Control控制,逐項探討其具體內涵。其中,Control variables控制變數,尤其重要,包括:(1) FFT 參數(parameters),(2) 窗函數形式(Window Type),(3) 平均處理(Averaging)。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.10.23


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《振動噪音產學技術聯盟》轉動機械 轉子系統的「頻率」有哪些?(8) 感應馬達有甚麼特徵頻率?

 

這個單元要來探討的主題是:「轉動機械」(rotary machinery) /「轉子系統」(rotor system)的「頻率」(frequency)有哪些?(8)「感應馬達」(Induction Motor)有甚麼「特徵頻率」(characteristic frequency)?

 

這是這個系列的第8篇,著重在介紹「感應馬達」以及其所特有的「特徵頻率」。

 

參閱圖片中間上方的圖示,是一個典型的「感應馬達」組成實體架構,是工廠常見的機器設備。主要的單元,會有轉軸上的「轉子」(Rotor),以及固定在馬達外殼上的「定子」(Stator)。

 

參閱圖片右上方的圖示,是一個典型的三相交流「感應馬達」主要組成示意圖,要探討其「特徵頻率」,需瞭解其主要的組成:

 

1.      「定子」(Stator):定子的組成,是由一系列的很薄「定子矽鋼片」(Laminate)所疊成,參閱圖示,每個矽鋼片會有凹槽,稱為「定子槽」(Winding Slot)。透過「定子槽」會有「定子繞線」(Winding)。

2.      「轉子」(Rotor):轉子的組成,也是由一系列的很薄「轉子矽鋼片」(Laminate)所疊成,參閱圖示,有近似橢圓形的孔,這是在穿入𝑵_𝑹𝑩個「轉子條」(Rotor Bar)。如果,移除「轉子矽鋼片」疊層,就剩下「轉子條」與端板,形成一個鼠籠的外觀,所以過去有稱之為鼠籠式感應馬達。「轉子」與「定子」之間,會保有均勻的氣隙(air gap),使得「轉子」可以穩定運轉。

 

「感應馬達」的作動原理,簡述如下:

 

1.      當「定子繞線」施予三相交流電,與「定子矽鋼片」作用,將產生「定子磁場」(Stator magnetic field)。

2.      當「定子」通電後,所形成的「定子磁場」,會感應「轉子條」而通電。

3.      由「轉子條」的電場,與「轉子矽鋼片」作用,將產生「轉子磁場」(Rotor magnetic field)。

4.      利用磁場「同極相斥」的原理,促使「轉子磁場」與「定子磁場」保持同極,由於「定子」是固定的,因此,「轉子」就會周而復始的旋轉。

 

在推算「感應馬達」的「特徵頻率」,需要的主要參數,包括:

 

1.      「電工線頻」(Line Frequency, LF):𝑳𝑭是電力系統的供電頻率,在台灣是𝑳𝑭 = 60 Hz。有些國家是𝑳𝑭 = 50 Hz。在此注意,如果是變頻馬達,𝑳𝑭就是實際的供電頻率。

2.      「極數」(Number of Pole):𝑷 = 馬達的「極數」。P=2, 4, 6, …。

3.      「馬達額定/同步轉速頻率」(synchronous speed frequency):𝑭𝒔𝒚𝒏 = (𝟐×𝑳𝑭)/𝑷 (Hz)。如果,已知供電頻率𝑳𝑭,以及馬達的「極數」𝑷,即可得知「馬達額定/同步轉速頻率」𝑭𝒔𝒚𝒏。

 

「感應馬達」(Induction Motor)的「特徵頻率」(characteristic frequency),綜合如下:

 

1.      「馬達實際轉速」(Motor real speed):𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝑺 = 𝟏𝑿。𝟏𝑿:代表的是馬達轉速的一個「階次」(order),也就是馬達轉速的一倍頻率。也可以表示為「轉速頻率」(rotating frequency),單位:Hz。或是,表示為每分鐘迴轉數:RPM (revolution per minute)或CPM (cycle per minute)

2.      「馬達滑差頻率」(Motor slip frequency):𝑭𝒔𝒍𝒊𝒑=𝑭𝒔𝒚𝒏 − 𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍。也就是,「馬達額定/同步轉速頻率」𝑭𝒔𝒚𝒏 和「馬達實際轉速頻率」𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍的差值。

3.      「極通過頻率」(Pole Pass Frequency, PPF):𝑷𝑷𝑭=𝑷×𝑭𝒔𝒍𝒊𝒑。也就是,「極數」𝑷和「馬達滑差頻率」𝑭𝒔𝒍𝒊𝒑的乘積。

4.      「轉子條通過頻率」(Rotor Bar Frequency, RBF):𝑹𝑩𝑭=𝑵_𝑹𝑩×𝑺 =𝑵_𝑹𝑩 𝑿。也就是,「轉子條數量」𝑵_𝑹𝑩和「馬達實際轉速」𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝑺 = 𝟏𝑿的乘積。

5.      「兩倍電工線頻」(Twice of LF):𝟐×𝑳𝑭。由於,係交流電,一個電位循環,會有正負的波動,因此,會有兩次的正負磁場的轉換,所以,「兩倍電工線頻」𝟐×𝑳𝑭的頻率特徵,會合理的一直存在。

 

接著,舉一個實際的數值計算案例。假設,有一部「感應馬達」,已知:

 

1.      「電工線頻」(Line Frequency, LF):𝑳𝑭 = 60 Hz。

2.      馬達的「極數」(Number of Pole):𝑷 = 2。

3.      馬達的「轉子條數量」(Number of Rotor Bar):𝑵_𝑹𝑩= 33。

4.      「馬達實際轉速」(Motor real speed):𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝑺 = 1770 CPM = 𝟏𝑿。

 

由以上已知參數,可以推算取得「感應馬達」(Induction Motor)的「特徵頻率」(characteristic frequency),綜合如下:

 

1.      「馬達額定/同步轉速頻率」(synchronous speed frequency):𝑭𝒔𝒚𝒏 = (𝟐×𝑳𝑭)/𝑷 (Hz)。𝑭𝒔𝒚𝒏 = (𝟐×60)/4=30 (Hz) = 1800 CPM。

2.      「馬達滑差頻率」(Motor slip frequency):𝑭𝒔𝒍𝒊𝒑=𝑭𝒔𝒚𝒏 − 𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍。𝑭𝒔𝒍𝒊𝒑 = 1800 – 1770 = 30 CPM = 0.5 Hz。

3.      「極通過頻率」(Pole Pass Frequency, PPF):𝑷𝑷𝑭=𝑷×𝑭𝒔𝒍𝒊𝒑。𝑷𝑷𝑭= 4 x 0.5 = 2 Hz。

4.      「轉子條通過頻率」(Rotor Bar Frequency, RBF):𝑹𝑩𝑭=𝑵_𝑹𝑩×𝑺 =𝑵_𝑹𝑩 𝑿 = 33 𝑿。

5.      「兩倍電工線頻」(Twice of LF):𝟐×𝑳𝑭= 𝟐×60 =120 Hz。

 

以上,有關「感應馬達」(Induction Motor)的「特徵頻率」(characteristic frequency),都有其隱含的物理意義。針對「感應馬達」,可透過振動監測(vibration monitoring)、頻譜分析(spectral analysis),得到其響應的振動頻譜(vibration spectrum)。不同的故障狀態(fault condition),會有這些「特徵頻率」的出現。有關「感應馬達」的振動分析與診斷,我們再另闢單元討論。

 

綜合一下這個單元的討論,有關「感應馬達」(Induction Motor)的「特徵頻率」(characteristic frequency),總結如下:

 

1.      典型的三相交流「感應馬達」主要組成:(1) 「定子」(Stator):一系列的很薄「定子矽鋼片」(Laminate)所疊成,有「定子槽」(Winding Slot)和「定子繞線」(Winding)。(2) 「轉子」(Rotor):一系列的很薄「轉子矽鋼片」(Laminate)所疊成,以及「轉子條」(Rotor Bar)。

2.      「感應馬達」的主要參數:(1) 「電工線頻」(Line Frequency, LF):𝑳𝑭是電力系統的頻率,在台灣是𝑳𝑭 = 60 Hz。有些國家是𝑳𝑭 = 50 Hz。(2) 馬達的「極數」(Number of Pole):P=2, 4, 6, …。(3) 「馬達額定/同步轉速頻率」(synchronous speed frequency):𝑭𝒔𝒚𝒏 = (𝟐×𝑳𝑭)/𝑷 (Hz)。。

3.      「感應馬達」(Induction Motor)的「特徵頻率」(characteristic frequency),如下:(1) 「馬達實際轉速」(Motor real speed):𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝑺 = 𝟏𝑿。(2) 「馬達滑差頻率」(Motor slip frequency):𝑭𝒔𝒍𝒊𝒑=𝑭𝒔𝒚𝒏 − 𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍。(3) 「極通過頻率」(Pole Pass Frequency, PPF):𝑷𝑷𝑭=𝑷×𝑭𝒔𝒍𝒊𝒑。(4) 「轉子條通過頻率」(Rotor Bar Frequency, RBF):𝑹𝑩𝑭=𝑵_𝑹𝑩×𝑺 =𝑵_𝑹𝑩 𝑿。(5) 「兩倍電工線頻」(Twice of LF):𝟐×𝑳𝑭。

4.      舉一個實際的數值計算案例,有一部「感應馬達」,已知參數:(1) 𝑳𝑭 = 60 Hz;(2)𝑷 = 2;(3) 𝑵_𝑹𝑩= 33;(4) 𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍 = 𝑺 = 1770 CPM = 𝟏𝑿。可以推算求得:(1) 𝑭𝒔𝒚𝒏 = (𝟐×𝑳𝑭)/𝑷 = (𝟐×60)/4=30 (Hz) = 1800 CPM。(2) 𝑭𝒔𝒍𝒊𝒑=𝑭𝒔𝒚𝒏 − 𝑭𝒓𝒆𝒂𝒍 = 1800 – 1770 = 30 CPM = 0.5 Hz。(3) 𝑷𝑷𝑭=𝑷×𝑭𝒔𝒍𝒊𝒑 = 4 x 0.5 = 2 Hz。(4) 𝑹𝑩𝑭=𝑵_𝑹𝑩×𝑺 =𝑵_𝑹𝑩 𝑿 = 33 𝑿。(5) 𝟐×𝑳𝑭= 𝟐×60 =120 Hz。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.10.15


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《振動噪音產學技術聯盟》轉動機械/轉子系統的「頻率」有哪些?(7) 電腦冷卻風扇有甚麼特徵頻率?

 

這個單元要來探討的主題是:「轉動機械」(rotary machinery) /「轉子系統」(rotor system)的「頻率」(frequency)有哪些?(7)「電腦冷卻風扇」(Computer Cooling Fan)有甚麼「特徵頻率」(characteristic frequency)?

 

這是這個系列的第7篇,著重在介紹「電腦冷卻風扇」以及其所特有的「特徵頻率」。

 

參閱圖片右上方的圖示,是一個典型的「電腦冷卻風扇」實體架構,主要作為桌上型電腦的散熱,或是作為CPU的強制散熱風扇,要探討其「特徵頻率」,需瞭解其主要的組成:

 

1.      內嵌式馬達(Motor):馬達(motor)就是主要的驅動源。

2.      風扇(Fan):圖示的風扇,有7個葉片/扇葉(Blade)。

3.      框架(Frame):矩形框架可以固定風扇。

 

在推算「電腦冷卻風扇」的「特徵頻率」,需要的主要參數,參閱「電腦冷卻風扇」的示意圖,包括:

 

1.      風扇轉速(Fan rotating speed):𝑺 = 馬達轉速,可以表示為每分鐘迴轉數:RPM (revolution per minute)或CPM (cycle per minute);也可以表示為「轉速頻率」(rotating frequency),單位:Hz。

2.      風扇葉片數量(Number of Blade):𝑵𝑩= 葉片/扇葉的數量。

3.      葉片通過頻率(Blade Passing Frequency, BPF):𝑩𝑷𝑭= 𝑵𝑩 𝑺。也就是,葉片數𝑵𝑩乘以風扇轉速𝑺。

 

「電腦冷卻風扇」(Computer Cooling Fan)的「特徵頻率」(characteristic frequency),綜合下來可得到以下兩個「特徵頻率」:

 

1.      𝑺=𝟏𝑿:輸入軸的「轉速頻率」(rotating frequency)。𝟏𝑿:代表的是馬達轉速的一個「階次」(order),也就是馬達轉速的一倍頻率。

2.      𝑩𝑷𝑭= 𝑵𝑩 𝑺:「葉片通過頻率」(Blade Passing Frequency, BPF),也就是,葉片數𝑵𝑩乘以風扇轉速𝑺。為什麼需要知道𝑩𝑷𝑭?因為「電腦冷卻風扇」的振動與噪音會有𝑩𝑷𝑭的頻率特徵,後續將介紹其噪音頻譜(noise spectrum),會觀察到𝑩𝑷𝑭的特徵頻率。

 

參閱圖片右下方圖示,為所示的7個葉片「電腦冷卻風扇」之噪音頻譜(noise spectrum),現象的觀察與討論如下:

 

1.      1𝑿的「諧頻」(harmonics):可以觀察到,在1𝑿,大約是65 𝐇𝐳,可以發現有整數倍的對應峰值(peaks),包括:1, 2, 3, 4, 5, 6, 7倍,這種類型的頻譜特徵,稱為「簡諧倍頻」(harmonics),也可簡稱「諧頻」。也就是1𝑿「轉速頻率」會有整數倍的頻譜特徵,所以稱為:1𝑿的「諧頻」(harmonics)。

2.      7𝑿的「諧頻」(harmonics):可以觀察到,在7𝑿、14𝑿、21𝑿、28𝑿,都有特別高的峰值(peaks),可以稱之為7𝑿的「諧頻」(harmonics)。不過,更明確的物理意義是,這個風扇有7個葉片,會形成「葉片通過頻率」(Blade Passing Frequency, BPF),在此,𝑩𝑷𝑭= 𝑵𝑩 𝑺=7𝑿。所以,也可以說是,𝑩𝑷𝑭的「諧頻」(harmonics),對應的有1x𝑩𝑷𝑭、2x𝑩𝑷𝑭、3x𝑩𝑷𝑭、4x𝑩𝑷𝑭的峰值(peaks)。

 

在此注意的是,此7個葉片「電腦冷卻風扇」,會有1𝑿的「諧頻」以及𝑩𝑷𝑭=7𝑿的「諧頻」,都是合理的物理現象。1𝑿是來自「轉速頻率」的效應,而𝑩𝑷𝑭是來自「葉片通過頻率」的效應。有關「簡諧倍頻」(harmonics),或簡稱「諧頻」的物理現象,我們再另闢單元討論。

 

又,除了所示的7個葉片「電腦冷卻風扇」,概稱為「軸流式風機」(axial flow fan),也有如:「離心式風機」(centrifugal fan)、或「雙葉羅茨鼓風機」(Two lobe Roots blower)等,也都有扇葉(blade)、葉片(vane)、或葉片(lobe),都會有「葉片通過頻率」(Blade Passing Frequency, BPF),也是𝑩𝑷𝑭= 𝑵𝑩 𝑺。

 

綜合一下這個單元的討論,有關「電腦冷卻風扇」(Computer Cooling Fan)的「特徵頻率」(characteristic frequency),總結如下:

 

1.      「電腦冷卻風扇」的主要組成:(1) 驅動的內嵌式馬達(Motor),(2) 被動的風扇(Fan),(3) 固定用的框架(Frame)。

2.      「電腦冷卻風扇」的主要參數:(1) 風扇轉速(Fan rotating speed):𝑺 =馬達轉速。(2) 風扇葉片數量(Number of Blade):𝑵𝑩= 葉片/扇葉的數量。

3.      「電腦冷卻風扇」(Computer Cooling Fan)的「特徵頻率」(characteristic frequency),有2個,其關係如下:(1) 𝑺=𝟏𝑿=馬達「轉速頻率」。(2) 𝑩𝑷𝑭= 𝑵𝑩 𝑺=「葉片通過頻率」(Blade Passing Frequency, BPF)。

4.      典型的「電腦冷卻風扇」之噪音頻譜(noise spectrum):可以觀察到,7個葉片「電腦冷卻風扇」之噪音頻譜有,(1) 𝑺=𝟏𝑿=馬達「轉速頻率」的「諧頻」(harmonics),(2) 𝑩𝑷𝑭= 𝑵𝑩 𝑺=7𝑿 的「諧頻」(harmonics)。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2025.10.14 


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