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基太克電子報【基太克發表iSee online機械健康線上監測系統】



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美國ENDEVCO公司生產型號7310角速度感測器(Angular Rate Sensor),專門為汽車安全測試和需要精確量測的系統所設計,具有多種角速度範圍可供選擇,包括:±100、±500、±1500、±6000、
±12000與±18000 deg/sec。頻率範圍涵蓋2000Hz。重量約3克。

美國ENDEVCO公司生產型號770A與770F加速度感測器,為低加速度DC型式,使用於相對加速度較低的狀態,如汽車或高速鐵路行駛,量測結構受振動與衝擊狀況。770A採用黏貼方式固定,770F使用螺絲安裝。提供5V與7~36V二種激勵電壓。







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《振動噪音科普專欄》餘弦波(cosine wave)之數學意義、幾何意義、物理意義?


本單元以餘弦波(cosine wave)為例,說明甚麼是數學意義(mathematical meaning)、幾何意義(geometry meaning)、以及物理意義(physical meaning)。

典型的餘弦波可以寫出以下的方程式:x(t)=Xcos(2πft+ϕ),或是=Xcos(ωt+ϕ) ,當寫出一個方程式,可以說這就是其數學意義,當然就要了解其中所有變數代表的意義,其中:

(1)      x(t),代表餘弦波,x是時間t的函數,代表隨時間t變化的量值。
(2)      X為此餘弦波的振幅(amplitude)。
(3)      f為此餘弦波的頻率(frequency),單位:Hz。
(4)      ω=2πf為此餘弦波的圓周頻率(circular frequency),單位:rad/sec。
(5)      ϕ是此餘弦波的相位角(phase angle),單位:rad。

寫出x(t)餘弦波的方程式,雖然對每一個變數符號,包括:x(t)、t、X、f、ω、ϕ,都有說明其名稱及意義,其實,還是不容易了解各個變數以及餘弦波的意涵,所以,可以透過圖示的方式藉以表達此餘弦波方程式的幾何意義。

圖示,為餘弦波的幾何示意圖,水平軸為時間t,垂直軸為x(t),餘弦波x(t)呈現波動的特徵,可以觀察出幾個特性:

(1)      此波形的最大值為X,最小值為-X,原來方程式中的X,就是+/-之間的最大值及最小值,所以稱為餘弦波的振幅。
(2)      圖示中,波峰到波峰的時間間距為T,因為有重複性的特徵,所以稱T為週期(period)
(3)      再進一步探討,可以發現:f=1/T,此餘弦波的頻率f,會是週期T的倒數。
(4)      不同的相位角,則是會使得餘弦波最大值出現在不同的時間點,此時間差如圖示為ϕ/ω。

由以上對餘弦波在時間域的圖示說明,可以看出波形的特徵,可以說就是此餘弦波的幾何意義,特別是餘弦波在時間域的幾何意義。

如果,x(t),代表的是位移函數,那麼這個餘弦波,就有了明確的物理意義,x(t)是時間t的位移函數。當然,實務上x(t)可以用以代表不同的物理量,例如:速度、加速度、電壓、電流、溫度等等,這樣有了物理單位,就有了明確的物理意義。

在此綜合一下,甚麼是數學意義、幾何意義、及物理意義:

(1)      數學意義:寫出如餘弦波的數學方程式,x(t)=Xcos(2πft+ϕ),或是x(t)=Xcos(ωt+ϕ) ,可以說是此餘弦波的數學意義,當然要知道每一個變數的名稱及代表的意義,包括:x(t)、t、X、f、ω、ϕ。
(2)      幾何意義:當劃出如圖示餘弦波x(t)在時間軸上的波動現象,可以說是此餘弦波的幾何意義。當然,就可以觀察出此波動曲線,在不同變數設定值之各種現象與特徵。如果能夠充分了解其幾何現象,對餘弦波的數學方程式,就容易由幾何意義來了解其數學意義。
(3)      物理意義:如果x(t)代表的是位移,那麼,位移就是此餘弦波的物理意義。當然,在許多不同場合,如溫度、電壓、電流等都可以有餘弦波的特徵,此時,餘弦波的數學方程式就有了不同的物理意義。

本單元以一個單一頻率的餘弦波,解釋說明其數學方程式的數學意義,並以圖示解釋其幾何意義。物理意義則是應用此數學方程式在表示不同的物理量,在振動,常見的物理量就是位移、速度、及加速度。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2017.12.05







【廣播專訪】中央廣播電臺160414兩岸ING 開發打擊樂器



各位先進大家下午好,小編今日意外發現中央廣播電台對有關打擊樂器的廣播專訪,一起來聽聽王栢村教授的專訪分享吧!

文創百寶箱:開發打擊樂器 屏科大獲專利~喜愛音樂的屏東科技大學機械工程系教授王栢村,帶領機械系的「振動噪音實驗室」團隊成功開發「珍漾琴」等多款特殊打擊樂器,並有多款樂器獲得或申請台灣、中國大陸、美國的專利。訪問王栢村教授,說明投入研發的源起和過程,以及未來的發展方向。

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《振動噪音科普專欄》甚麼是重擊現象(beating phenomenon)?


在振動或聲音量測,常會碰到量測信號有重擊現象(beating phenomenon),到底重擊現象是甚麼?為什麼會有重擊現象?重擊現象有甚麼影響?重擊現象是好的或不好的現象?如果是好的,如何創造重擊現象呢?如果是不好,又該如何避免重擊現象?本單元就來介紹重擊現象!




參閱圖1是重擊頻率(beating frequency)fb=5Hz的範例,時間域x(t)波形,是由兩個正弦波所組合而成,一個正弦波頻率,f1=200Hz,另一個正弦波頻率,f2=205Hz,由於兩個頻率值很相近,就會形成如圖示的時間域波形,而其對應頻譜就是兩個頻率的特徵。

再參閱圖2是重擊頻率(beating frequency) fb=10Hz的範例,不同的是,一個正弦波頻率,f1=200Hz,另一個正弦波頻率,f2=210Hz,因為重擊頻率fb=10Hz,比圖1的重擊頻率fb=5Hz大,所以,重擊現象的波形週期,就比較短。

圖1及圖2兩種不同重擊頻率的時間域波形特徵,以及對應聲音的聽感是完全不同的。在台灣宜蘭有林午銅鑼,他們製作的銅鑼所敲擊的聲音,就有這樣的重擊現象,聽起來就有很震撼的感受。

另外一方面來說,在一般的工廠機器振動的量測信號,如果有此重擊現象,通常就需要特別注意了。因為,重擊現象是兩個很相近的頻率之合成效應,機器的振動信號有重擊現象,常常是:一個頻率來自轉速頻率的激振頻率,另一個頻率,可能是結構的自然頻率,這時所引發的重擊現象,很可能是接近結構共振,對機器而言,重擊現象通常是一種警訊,需要特別留意。

綜合討論如下:
(1)      重擊的現象:信號在時間域的響應,會有如圖示的重擊波形現象;在頻譜圖,會觀察到有兩個頻率相近的正弦波;在時間域響應可以辨識出重擊週期,進而推算重擊頻率fb。
(2)      重擊現象的原因:主要原因是有兩個頻率相近的正弦波之合成效應。時間域響應的重擊週期,會依兩個頻率的差值,所得到的重擊頻率之倒數推算之。
(3)      重擊現象的影響,是好的或不好的現象:對如銅鑼打擊樂器而言,重擊現象會有震撼的聲音感受效果,可能是好的現象。對於一般機器而言,如果有重擊現象,可能是結構共振的一種警訊,需要特別留意。
(4)      如果重擊現象是好的,如何創造重擊現象:以銅鑼而言,適當的結構設計,可使得銅鑼結構可發出聲音的振動模態,有兩兩相近的自然頻率特性,這樣就能夠產生重擊現象的聲音特徵。
(5)      如果重擊現象是不好,又該如何避免重擊現象:對於機器的振動信號有重擊現象,因為重擊現象是兩個相近頻率波的合成效應,要檢視產生重擊現象的基礎頻率及重擊頻率的來源,以確認避免共振,這是防患於未然的基本原則。

本單元討論重擊現象,以及重擊現象發生原因及其影響,希望對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2017.10.16





《振動噪音科普專欄》甚麼是假像(aliasing)?

在FFT快速傅立葉轉換的信號處理中,常會碰到假像(aliasing)這個名詞,到底假像是甚麼?為什麼會有假像?假像有甚麼影響?如何避免假像?如果無法避免假像,該如何處理呢?本單元就介紹假像!

本單元的介紹,假設讀者已經看過先前的【甚麼是頻譜分析?】、【甚麼是取樣頻率(sampling frequency)?】、【甚麼是頻譜的折疊效應(folding effect)?】,或是已經了解FFT的基本概念。

本單元所說的假像,更精確的說法,應該是假像的頻率。由於FFT快速傅立葉轉換的目的:是將時間域訊號x(t),轉換到頻率域得到其頻譜X(f)。我們當然希望在頻譜圖X(f),所觀察到的頻率以及振幅之解析是正確的。

那麼為什麼進行FFT,將時間域訊號x(t),轉換到頻率域的頻譜X(f),會出現假像頻率(aliasing frequency)呢?

首先,觀察圖1的兩個FFT分析範例,左圖的正弦波信號,其頻率f=70 Hz,小於有效頻率f=200Hz,右圖的正弦波信號,其頻率f=170 Hz,也小於有效頻率f=200Hz,因此,圖1兩個FFT分析,都不會有假像頻率出現。

參閱圖2,是有假像頻率的FFT分析,左圖中,正弦波信號之頻率f=270 Hz,右圖中,正弦波信號之頻率f=370 Hz,兩個x(t)信號頻率都大於所設定的Nyquist frequency有效頻率=200 Hz,所以都會出現假像頻率,說明如下:
(1)      左圖的假像頻率出現在130 Hz,與實際信號頻率f=270 Hz,當然不同,所以就稱之為假像頻率。那為什麼會是在130 Hz呢?由頻譜摺疊效應(folding effect),假像頻率=200-(270-200)=130 Hz。
(2)      右圖的假像頻率出現在30 Hz,與實際信號頻率f=370 Hz,當然不同,所以就稱之為假像頻率。那為什麼會是在30 Hz呢?由頻譜摺疊效應(folding effect),假像頻率=200-(370-200)=30 Hz。

綜合討論如下:
(1)      假像頻率的現象:在信號的頻譜圖,實際信號之頻率解析,有不正確的分析結果。
(2)      假像頻率的原因:主要原因是實際信號的頻率f,高於Nyquist frequency有效頻率,因而,在時間域的取樣速度不足,造成FFT運算後得到的頻譜,取得了不正確的頻率。
(3)      假像頻率的影響:如果沒有排除假像頻率,在觀察信號的頻譜圖,將會誤判該假像頻率是正確的,因而,將影響後續的振動噪音改善因應對策之誤判。
(4)      如何避免假像頻率:為避免有假像頻率出現,在對x(t)信號進行FFT運算之前,要將時間域x(t)信號在Nyquist frequency以上的高頻率信號濾除。所以,在量測中會施以低通濾波器(low pass filter),又稱為反假像濾波器(Anti-Aliasing Filter, AA filter),濾除x(t)信號中高於Nyquist frequency以上的高頻率信號,以確保高頻率信號特徵,不會因為頻譜摺疊效應而出現假像頻率在Nyquist frequency有效頻寬的範圍之內。有關反假像濾波器我們爾後再另文討論。

本單元討論對信號進行頻譜分析之假像頻率的現象、原因及其影響,希望對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村

2017.10.15