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《振動噪音科普專欄》如何設計不同音階的響鈴板?

 

這個單元是「響鈴板」系列的第10篇,要來看的主題是:如何設計不同「音階」(scale)的「響鈴板」?不同「音階」(scale)就是Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si等的「音階」。

 

這個「響鈴板」系列,可參閱圖示上方右二圖片,就是要來介紹整個「響鈴板」打擊樂器的發展歷程,並介紹所需要的振動聲音分析與實驗技術,以及對應的應用步驟。

 

在此先以「3K思維」來盤整一下目前的進度,說明如下:

 

1.      Know what? 瞭解現況

2.      Know why? 設計目標

3.      Know how? 如何設計

 

首先,Know what? 瞭解現況,我們的目標:要設計製作響鈴板打擊樂器組,這個系列已經介紹、也完成了「C6響鈴板」的設計分析與製作,參閱圖示右上方的4個過程圖片,簡單回顧如下:

 

1.      解讀響鈴板打擊聲音的特徵:打擊聲音的「發聲頻率」,包括:「基音頻率」和不同的「泛音頻率」組成,都和「響鈴板」的「振動模態」之「自然頻率」𝒇𝒓 相關。

2.      進行響鈴板的FEA分析:由「模態分析」(modal analysis),可以分析得到「響鈴板」的「自然頻率」𝒇𝒓、「模態振型」𝝓𝒓。

3.      進行響鈴板的EMA實驗:由「實驗模態分析」(experimental modal analysis),可以分析得到「響鈴板」實體結構的「自然頻率」𝒇𝒓、「模態振型」𝝓𝒓、「模態阻尼比」𝝃𝒓。

4.      完成響鈴板的模型驗證(MV):代表的意義是,「響鈴板」的「有限元素分析模型」,等效於(equivalent to)「響鈴板」的實體結構。

 

接下來,Know why? 設計目標是甚麼呢?藉由已經完成設計認證(Design Validation, DV)的「C6響鈴板」,要進行「設計變更」(Design Modification, DM),以設計出「D6響鈴板」,甚至不同「音階」(scale)的其他響鈴板之設計分析。

 

所以,在瞭解了現況Know what?,也訂定了設計目標Know why?,接著就來看Know how? 如何設計?在此以「3W思維」來討論:

 

1.      Why to do?:當然就是因為要設計製作響鈴板打擊樂器組。

2.      What goals?:工作目標,就是要設計出「D6響鈴板」,甚至不同「音階」(scale)的其他響鈴板之設計分析。

3.      How to do?:就是本單元的討論重點,如何設計不同「音階」(scale)的「響鈴板」?

 

不同「音階」(scale)的「響鈴板」的設計分析流程步驟,說明如下:

 

1.      瞭解自然頻率與幾何和材料參數關係:觀察圖示「響鈴板」的「幾何參數」示意圖,有L、H1、H2、H3、W等五個變數。再參閱圖示,有「自然頻率」與「幾何」和「材料」參數的關係式:𝒇𝒓 ∝ 𝒕/𝑳^𝟐 √(𝑬/𝝆),其中,𝒇𝒓是「自然頻率」,𝒕 和 𝑳 分別是「響鈴板」的厚度和長度,而𝑬 和 𝝆,則是「響鈴板」的楊氏係數和密度,所採用的材料是304不鏽鋼。

2.      確認音階標準頻率:參閱圖示的音階標準頻率,例如:C6=1046.5 Hz、D6=1174.6 Hz。分別標示為 𝒇𝑪 = 1046.5 Hz、𝒇𝑫 = 1174.6 Hz。

3.      設計變更:進行「D6響鈴板」的尺寸分析,參閱圖示可知,𝑳𝑫 = 133.5 mm,詳細步驟如後說明。

4.      確認驗證:完成前項的「D6響鈴板」尺寸分析,得到𝑳𝑫 = 133.5 mm,可據以進行FEA 有限元素分析,由Modal分析,可得到 𝒇𝒓、𝝓𝒓,必須確認「基音頻率」的正確性。

5.      完成「D6響鈴板」設計:如果「D6響鈴板」的「基音頻率」正確,就完成設計。

6.      重複以上步驟:可進行不同音階設計。

 

針對「D6響鈴板」的尺寸分析,在採用相同材料(𝑬,𝝆)、相同厚度(𝒕)條件下,變更設計分析步驟如下:

 

1.      取得音階標準頻率:𝒇𝑪 = 1046.5 Hz、𝒇𝑫 = 1174.6 Hz。

2.      計算兩個音階之頻率比:𝑹(𝑫/𝑪) = 𝒇𝑫/𝒇𝑪 = 1.122。

3.      已知「C6響鈴板」的尺寸:𝑳𝑪 = 141.4 mm。

4.      推算「D6響鈴板」的尺寸:𝑳𝑫 = 𝑳𝑪/√(𝑹 (𝑫/𝑪) ) = 141.4 mm /√(𝟏.𝟏𝟐𝟐) = 133.5 mm。

 

針對ㄧ個八度的12個音階「響鈴板」,其長度尺寸的調整,可參閱圖示的表格,都是以相同理念,進行推算,就可以順利取得不同音階之「響鈴板」設計尺寸,當然都需要FEA的驗證分析。

 

最後統整一下這個單元的討論,主題是:如何設計不同「音階」(scale)的「響鈴板」?綜合如下:

 

1.      應用「3K思維」:Know what? 瞭解現況、Know why? 設計目標、Know how? 如何設計,來整體思考如何進行不同「音階」(scale)的「響鈴板」設計。

2.      應用「3W思維」:在Know how? 如何設計,則是以Why to do?、What goals?、How to do?,有邏輯性的思考。

3.      針對「D6響鈴板」的「設計變更」(Design Modification, DM):以具體的數值案例分析,說明了設計方法。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2021.12.15






《振動噪音科普專欄》如何確認響鈴板分析模型的正確性&可靠度?

 

這個單元是「響鈴板」系列的第9篇,要來看的主題是:如何確認「響鈴板」分析模型的「正確性」及「可靠度」?

 

在此以「4W思維」來討論切入主題:

 

1.      What is? 甚麼是「分析模型」的「正確性」及「可靠度」?這就要進行「模型驗證」(Model Verification, MV),這個單元就是要討論「模型驗證」MV的作業流程步驟。

2.      Why to do? 為什麼要進行「模型驗證」MV?當然就是要確認「分析模型」的「正確性」及「可靠度」!更進一步,可據以進行「虛擬測試」(Virtual Testing, VT),也就是透過「分析模型」來進行「設計變更」(Design Modification, DM):可以對不同音階之響鈴板作設計分析。

3.      What goals? 進行「模型驗證」MV要達到甚麼目標呢?要確認分析(FEA)與實驗(EMA)的「數據」能夠相符、比對良好。那麼「數據」是指甚麼呢?例如響鈴板的結構,需要觀察兩個面向的「數據」:(1) 模態域:模態參數(modal parameters),包括:「自然頻率」𝒇𝒓、「模態振型」𝝓𝒓、「模態阻尼比」𝝃𝒓。(2) 頻率域:頻率響應函數(Frequency Response Function, FRF)。觀察圖示右下方的曲線就是𝑯𝒊𝒋 (𝒇)=𝑨𝒊 (𝒇)/𝑭𝒋 (𝒇),𝒊=𝟏、𝒋=𝟏的FRF。如果,分析(FEA)與實驗(EMA)的模態域以及頻率域之「數據」能夠相符、比對良好,就是達到「模型驗證」MV的目標。

4.      How to do? 要如何進行「模型驗證」MV?也就是這個單元的主題重點!

 

進行「模型驗證」MV,讀者可以參閱圖示MV的流程圖,簡要分成以下步驟來說明:

 

1.      建構響鈴板分析模型:如圖示中央上方,顯示了「響鈴板」的「有限元素分析模型」(finite element model)。

2.      進行FEA模擬分析:需要分別進行「模態分析」(modal analysis)以及「簡諧響應分析」(harmonic response analysis)。可以分別得到「響鈴板」的「模態參數」,分別是「自然頻率」𝒇𝒓、「模態振型」𝝓𝒓,以及「頻率響應函數」FRF。在FEA分析,都需要進行「有限元素分析模型」的收斂性分析(convergence analysis),確認元素分割(mesh)的元素大小的適應性。

3.      進行實體結構EMA:主要有兩個步驟,(1)量測FRF,𝑯𝒊𝒋 (𝒇),(2) 進行曲線嵌合(curve fitting),取得模態參數,包括:「自然頻率」𝒇𝒓、「模態振型」𝝓𝒓、「模態阻尼比」𝝃𝒓。

4.      驗證FEA與EMA數據:可參閱圖示下方中央的FEA分析和EMA實驗的FRF比較,以及對應之模態振型,也就是模態域的「模態參數」𝒇𝒓、𝝓𝒓、𝝃𝒓,以及頻率域之「頻率響應函數」FRF,都能夠有良好的對應,這樣就可說是完成「模型驗證」MV。如果,比對不相符,就要對分析模型進行「模型修整」(model correction)、「模型調整」(model adjustment)、或稱「模型更新」(model updating),在此主要在修正模型的材料參數,使得FEA分析和EMA實驗數據能夠互相吻合。

 

當完成了「模型驗證」MV,代表的意義是:「響鈴板」的「有限元素分析模型」,等效於(equivalent to)實體結構。這個分析模型,就可以應用到不同音階之響鈴板的設計分析。

 

最後綜合一下這個單元的討論,如何確認「響鈴板」分析模型的「正確性」及「可靠度」?在此以「4W思維」來討論切入主題:

 

1.      What is? 甚麼是「分析模型」的「正確性」及「可靠度」?這就要進行「模型驗證」(Model Verification, MV)。

2.      Why to do? 為什麼要進行「模型驗證」MV?當然就是要確認「分析模型」的「正確性」及「可靠度」!更進一步,可據以進行「虛擬測試」(Virtual Testing, VT),也就是透過「分析模型」來進行「設計變更」(Design Modification, DM):可以對不同音階之響鈴板作設計分析。

3.      What goals? 進行「模型驗證」MV要達到甚麼目標呢?要確認分析(FEA)與實驗(EMA)的「數據」能夠相符、比對良好。「數據」包括:(1) 模態域:模態參數(modal parameters)。(2) 頻率域:頻率響應函數(Frequency Response Function, FRF)。

4.      How to do? 說明了如何進行「模型驗證」MV?有4個主要步驟:(1) 建構響鈴板分析模型,(2) 進行FEA模擬分析,(3) 進行實體結構EMA,(4) 驗證FEA與EMA數據。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2021.12.15

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