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【專題演講】Prof David Ewins FRS FRAEng 2018 年台灣參訪 公開演講日程表


David Ewins 教授為英國皇家學會院士(FRS)、皇家工程院士(FRAEng),曾為英國倫敦帝國學院振動學講座教授,並曾擔任該校國際事務副校長及多國大學之訪問教授。Ewins教授之主要研究方向為振動學、實驗模態分析及轉子動力學,其著作「Modal Testing: Theory and Practice」為相關領域之權威參考書。
Ewins教授除在實驗模態分析領域外,亦長期研究飛機之結構動力學。從1990年起,他即與勞斯萊斯飛機引擎公司(Rolls-Royce plcRR)合作,於帝國學院成立RR之首批大學科研中心(University Technology Centre, UTC),每年受RR公司資助達五十萬英鎊(約二千萬新台幣)。Ewins教授於2007年轉往布里斯托大學(University of Bristol)擔任研究中心主任,並與AugustaWestland(英規阿帕蒂直升機之廠商)簽訂為期四年之UTC合作合同,總額達二百萬英鎊(約八千萬新台幣)。


中部科學園區演講 - 「智能化製造技術」論壇
日期:1070925日(星期二)
時間:13:20 15:00
地點: 中部科學工業園區管理局行政大樓401會議廳(臺中市西屯區中科路24樓)
報名截止時間:10792412:00 (額滿為止)
報名網址:goo.gl/EqxCCK
查詢:Email或致電(04-36068996 吳湞伊主任分機 4501、鄭艷秋專員分機1007

演講題目:
Smart Dynamic Testing for Verification, Certification and Endurance Qualification
摘要:
In many high-technology industries where structural integrity is a primary requirement - such as Aerospace Defence and High-performance Power Generation - physical testing to demonstrate endurance, reliability and maintenance of functional performance is mandatory.  Endurance tests are conducted in advance of actual service life to verify these critical features.  These tests have been conducted in much the same way for decades and it is well know that they are often less reliable than is needed. Vibration levels under test conditions can be orders of magnitude higher, or lower, than those experienced in service.  Recent developments described in this talk - in which theoretical models of the test structure and setup are used to enhance the actual test, have led to a dramatic reduction these large discrepancies.  An unexpected benefit from these advances is a considerable reduction in the cost of the actual testing.


中區學術演講
日期:1070926日(星期三)
時間:15:10 17:00
地點:國立中興大學機械系館130視聽教室(台中市南區興大路145號)
查詢:Email: d107061002@mail.nchu.edu.tw 羅奕鈞同學 /電話(04-22840165,分機5292 羅奕鈞同學 /5291 郭威伸博士)

演講題目: 
Exciting Vibrations: the Role of Testing in an Era of Supercomputers and Uncertainties
摘要:
This lecture presents the case for achieving an optimum balance between, and integration of, test and Simulation in modern Vibration Engineering.  This is necessary to resolve the many issues and structural dynamics problems encountered in practice because of the inevitable systematic and stochastic uncertainties which are encountered at every stage of product development.  These problems can be overcome through effective implementation of modern validation and verification procedures which will be shown to require the most advanced testing technologies to match those in simulation which are driven by continuing advances in computation technology.  The lecture draws on examples spanning more than half a centurys practical experience in a range of industrial applications and focuses on two specific major issues: (i) the difficulties encountered when trying to model and measure the dynamics of structural joints and (ii) the growing importance and need to include nonlinear behaviour in modern structures.


北區學術演講
日期:1070927日(星期四)
地點: 國立台灣大學工學院綜合大樓734
時間:13:30 15:30
查詢: weijiunsu@ntu.edu.tw 蘇偉儁老師

演講題目:
Exciting Vibrations: the Role of Testing in an Era of Supercomputers and Uncertainties
摘要:
This lecture presents the case for achieving an optimum balance between, and integration of, test and Simulation in modern Vibration Engineering.  This is necessary to resolve the many issues and structural dynamics problems encountered in practice because of the inevitable systematic and stochastic uncertainties which are encountered at every stage of product development.  These problems can be overcome through effective implementation of modern validation and verification procedures which will be shown to require the most advanced testing technologies to match those in simulation which are driven by continuing advances in computation technology.  The lecture draws on examples spanning more than half a centurys practical experience in a range of industrial applications and focuses on two specific major issues: (i) the difficulties encountered when trying to model and measure the dynamics of structural joints and (ii) the growing importance and need to include nonlinear behaviour in modern structures.


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《振動噪音科普專欄》Window effect on decay signal for FFT

由英文標題來破題,需要了解甚麼是Window視窗?甚麼是decay signal衰減型信號?甚麼是FFT?又在進行FFT時,也就是頻譜分析時,採用不同的Window,對得到傅立葉頻譜(Fourier spectrum),會有甚麼影響?希望在這個單元可以獲得解答。


首先,FFT就是快速傅立葉轉換(fast Fourier transform, FFT)的數學運算,係將時間域的信號,轉換到頻率域,得到此信號的傅立葉頻譜(Fourier spectrum),所以可稱為頻譜分析(spectral analysis)。先前有關FFT的相關單元:甚麼是頻譜分析?】、【甚麼是取樣頻率(sampling frequency)】、【甚麼是頻譜的摺疊效應(folding effect)】、【甚麼是假象(aliasing)】,有興趣讀者可以先複習一下。

其次,甚麼是Window視窗呢?如何與FFT搭配應用?有哪些Window呢?實際上,Window也可以稱為weighting function加權函數,數學上,常以w(t)代表視窗加權函數。

如果,對一個原始的量測信號p(t),在進行FFT之前,會將p(t)w(t)做對應時間的加權相乘,取得加權處理後的時間序列p’(t) =p(t)w(t),再進行FFT。注意:p’(t) =p(t)w(t)此相乘方式,是對應時間點的相乘。

Window 視窗加權函數,詳細的解說,將另闢單元探討,本單元將介紹4種,僅列出其名稱及簡要的說明如下:

1.      Boxcar:也可稱為Rectangle,矩形視窗加權函數,理念上,w(t)=1,所以,p’(t)=p(t),相當於沒有任何的加權效應。矩形視窗適用在沒有洩漏(leakage)的信號。可參考先前單元:【甚麼是洩漏(leakage)
2.      Hanning:漢寧視窗加權函數,w(t)呈現一半個正弦波信號,w(t)在起始及終止時間,w(t)=0漢寧視窗適用在隨機型信號
3.      Exponential:指數視窗加權函數,w(t)是一個指數函數。w(t)在起始時間,w(t)=1;在終止時間,常設定兩種:w(t)=0.1、或0.01,也就p(t)經指數加權處理後,在終止時間,原始信號p(t)量值,會加權僅有原始的量值的10%、或1%指數視窗適用在衰減型信號

甚麼是decay signal衰減型信號呢?如圖示就是4個衰減信號所組成的聲音信號p(t),本單元只針對p(t)1個衰減信號,進行FFT頻譜分析,取得聲音傅立葉頻譜P(f)

要對一個信號p(t)進行FFT頻譜分析,取得其傅立葉頻譜P(f),參考步驟如下:

1.      量測信號p(t)的取樣頻率:要注意量測此p(t)信號的取樣頻率(sampling frequency),本案例fs=44100Hz。可參考先前單元:【甚麼是取樣頻率(sampling frequency)】。
2.      進行頻譜分析FFT參數設定:配合SM聲音量測軟體的應用分析,可參考網址:【http://aitanvh.blogspot.com/2017/10/sm.html】。需要設定:開始時間t1=1.76sec,取樣點數Nt=44100
3.      觀察FFT相關參數:如圖示顯示的FFT相關參數,包括:每個區間的時間(time frame)T=1 sec,終止時間t2=2.76,有效解析頻率fnyq=22050Hz,頻率解析度df=1Hz。原理仍要參閱先前單元:【甚麼是取樣頻率(sampling frequency)】。
4.      選擇視窗加權函數w(t):本案例探討了BoxcarHanningExponential 0.1Exponential 0.014種視窗加權函數,進行FFT頻譜分析後,所得到的傅立葉頻譜P(f)差異的探討。
5.      觀察得到的傅立葉頻譜P(f)特性:因為,傅立葉頻譜P(f)是複數(complex number),通常有興趣的振幅值(magnitude, amplitude),數學符號表示為|P(f)|

參考圖示右側為選用4種視窗加權函數,所分別得到的傅立葉頻譜|P(f)|,討論如下:

1.      Boxcar Window:在頻譜圖中,發現有柵欄效應(fence effect),這是因為進行FFTtime frame時間區間,p(t)在終止時間,還沒有降到0,信號有被截斷 (truncation)的現象,造成頻譜圖有不正常的柵欄效應。
2.      Hanning Window:在整體頻譜圖可發現,有許多毛躁的小峰值,這樣的頻譜圖,會讓人不容易判斷真正的信號頻率特徵。
3.      Exponential 0.1:相較於BoxcarHanning Window,此頻譜圖可解析的判讀性好了許多,不過,在500Hz以上,仍然有毛躁小峰值現象。
4.      Exponential 0.01:可以觀察此頻譜圖是最清楚,可以明確判別頻譜的峰值頻率特徵。因此,可以說對此衰減型信號,以Exponential 0.01的視窗加權函數處理後,進行FFT,所得到頻譜是最好的,因為可以明確判讀主要的峰值頻率,也就是此衰減型信號的頻率特徵。

綜合來說,當我們對一個時間域信號,要進行FFT頻譜分析,主要目的就是要了解該信號的頻率特徵,特別是能有效觀察到所有的峰值頻率。

以本案例所探討的衰減型信號,採用不同的視窗加權函數處理後,進行FFT頻譜分析,所得到的傅立葉頻譜,在判讀性、可解析性來看,當然,Exponential 0.01視窗加權函數,對衰減型信號的FFT頻譜分析,是較佳的選項

本單元以一個衰減型信號,說明不同視窗加權函數處理後的FFT頻譜分析的差異,希望讀者可以體會選擇適當的視窗加權函數之重要性,方可取得較好的傅立葉頻譜圖,才能夠有意義的解讀頻譜之頻率特徵。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.08.04






聯盟教育訓練【振動噪音實務應用】活動報導


  【振動噪音產學技術聯盟】 2018829日於國立臺北科技大學辦理「振動噪音實務應用」教育訓練,首先由聯盟北部據點召集人蕭俊祥教授代表致歡迎詞後,後由華梵大學王丕文教授,開始第一場教育訓練,其主題為「振動原理與放電加工精度改善」,演講中王教授介紹放電加工技術,從原理帶入應用,並探討結構力學於放電加工的應用,進而於此研究中了解到張力擾動的影響,最後王教授會講解一針對降低振動噪音的新型張力控制系統。王教授的演講內容相當活用及豐富,讓在場學員們對於加工製成業有更深的認知也提高相關領域樂趣。過程中王教授也與參與的業界先進與學生互動探討說目前業界加工程序上遇到的難題,引發大家思考如何從演講中提到的原理找出解決辦法。
  第二場教育訓練,聯盟邀請到國立台北科技大學的王雲鴻碩士,其主講題目為「引擎振動噪音分析模擬與驗證」。王同學透過生動的演説,探討漁船用四缸四行程柴油引擎,透過理論、實際量測與有限元素模擬,逐一分析各項振動與噪音特徵頻率。結合逆向掃描建立模型進行有限元素聲振耦合分析,對整個受影響之空間進行聲學模擬,求解聲場分佈、近遠場聲壓分佈等,配合實際量測之數據逐一釐清並驗證造成振動與噪音的主要來源。演講結束後,學員與王同學互相交流,並提出許多在噪音分析方法上有更多不同的見解,讓學術的驗證更貼近產業。
  本次教育訓練圓滿成功,透過兩位專家的演講,讓台下聽眾受益良多,許多業界人士也能學到相關技術,提升專業能力,參與的學生也能夠透過這次的演講,使自己的研究更加精進。

活動花絮:
聯盟北部據點召集人蕭俊祥教授為華梵大學王丕文教授的開場介紹

臺北科大王雲鴻碩士解釋引擎建模過程

《振動噪音科普專欄》平鑼聲音特性與振動分析之探討



銅鑼是一種打擊樂器打擊樂器如何分類?】、【樂器如何分類?】,在先前單元有對銅鑼的「振動模態」如何解讀?】、【鑼臍型式銅鑼之敲擊聲音與振動模態有關嗎?】,係由模態振型的角度在解釋銅鑼的發聲機制。

這個單元以一個機器打造的平鑼,分別從實驗及分析的方法來探討平鑼的振動模態特性。同時,以兩種不同敲擊鎚,打擊平鑼不同位置,觀察平鑼的聲音特性與差異,並解釋其原因。

參閱圖示,為了探討此平面銅鑼的聲音特性,由實驗及分析來了解此平鑼的振動模態特徵;在理論的有限元素分析,也討論材料參數設定的方式;最後探討敲擊此平鑼的聲音頻譜的特性。配合圖示之編號,各步驟說明如下:

1.      對平鑼進行實驗模態分析(experimental modal analysis, EMA)
2.      對平鑼進行有限元素分析(finite element analysis, FEA)之理論模態分析(theoretical modal analysis, TMA)
3.      平鑼有限元素模型之修正更新(model adjustment/updating)
4.      不同敲擊鎚之平鑼聲音特性
5.      不同敲擊位置之平鑼聲音特性

一、對平鑼進行EMA實驗模態分析時,重點摘錄如下:

1.      採用衝擊鎚及加速度規進行EMA:以固定加速度規、移動衝擊鎚的方式,對所有佈點,進行頻率響應函數的量測。
2.      佈點規畫:如圖示,圓週方向取16點,半徑方向取7點,總量測點數為16x6+1=97點。
3.      佈點數量及頻率範圍:主要是要看到較高頻率1000Hz以內的振動模態(vibration mode)
4.      完成EMA:可以得到每一個振動模態模態參數,包括:自然頻率、模態振型、及模態阻尼比。

二.對平鑼進行有限元素分析理論模態分析,重點說明如下:

1.      幾何模型:依照此平鑼的幾何形狀尺寸,建立適當的元素分割,達到收斂性分析的條件。
2.      材料參數:以等向性材料模型(isotropic material model)假設,設定銅的材料參數,包括:密度、彈性模數/楊氏係數、普松比。
3.      邊界條件:因為EMA採用自由懸吊,所以免設定邊界條件,也就是全自由邊界的狀態。
4.      進行TMA理論模態分析:可以求得每一個振動模態模態參數,包括:自然頻率、模態振型。

三、平鑼有限元素模型修正更新,技巧說明如下:

1.      機製平鑼特性:此平鑼為機器製作,不同圓環區域有不同的硬度現象。
2.      衝擊鎚量測到的外力之接觸時間:銅鑼表面較軟,則接觸時間較長。反之,銅鑼表面較硬,則接觸時間較短。
3.      材料參數調整理念:依照量測到的外力之接觸時間,調整材料彈性模數,始能有較好的分析預測。

四、不同敲擊鎚平鑼聲音特性,重點特徵討論:

1.      硬鎚敲擊平鑼:敲擊力如圖示,呈現三角力形式,接觸時間短,可激發高頻率的振動模態。
2.      軟鎚敲擊平鑼:敲擊力之三角力形式,接觸時間較長,不容易激發較高頻率的振動模態。
3.      敲擊邊緣點時:如圖示,軟鎚的聲音頻譜,高頻率峰值響應,明顯比硬鎚的聲音頻譜較低。

五、不同敲擊位置平鑼聲音特性,重點特徵討論:

1.      敲擊中心點:聲音頻譜上,顯現的峰值頻率少,只有在中心位置不是節線(nodal line)的模態,會被激發。
2.      敲擊中間點及邊緣點:在聲音頻譜上的觀察,幾乎所有平鑼的振動模態,都被激發。

本單元以實際的「平鑼結構」進行分析與實驗探討結構的振動模態,並由敲擊的聲音頻譜解讀了發出聲音的機制,希望對讀者在了解打擊樂器的發聲機制,有進一步的了解與體會!

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.07.31