【活動報導】台灣聲學學會107年會員大會暨第31屆學術研討會

【台灣聲學學會】於2018年11月09日假國立成功大學舉辦「台灣聲學學會107年會員大會暨第31屆學術研討會」，學會成立宗旨乃結合研究聲學、聽覺語言溝通、機械音響、水中音響、建築音響、超音波及噪音與振動領域等專家學者提供技術、經驗交流研討的場所，並且協助政府及民間部門針對上述專業領域之研究與服務，進一步為提高台灣聲學學術及相關技術水準，以及促進國際聲學學術及相關科技之交流。

【台灣聲學學會】吳聰能理事長致詞表示，台灣聲學學會已成立31年，學會集全國產官、學界菁英於一堂，共商會晤、相互砥礪，為提升我國聲學專業領域不遺餘力，同時感謝各機關團體及會員對本活動的贊助與支持，並邀請各貴賓共襄盛舉慶祝台灣聲學學會31週年。最後也邀請【澳門聲學學會】、【香港聲學學會】等貴賓致詞。

本次研討會隆重邀請國外享譽聲學領域之專家發表專題演講，日本小林理學研究所所長山本貢平博士主講「Japan’s new assessment for noise around wind power station」與賴榮平教授主講「建築聲學性能相關CNS規格之最新標準化動向-各種單一評估指標(Rw、STC、Lw、△L、IIC、aw、等價吸音面積、LiA.Fmax)之計算及評價」。隨後進行台灣聲學學會會員大會，在其最後頒發優秀論文獎及感謝狀，其中聯盟會員國立屏東科技大學木材科學與設計系林芳銘教授帶領的團隊獲得最佳論文獎：【鋼筋混凝土既有住宅樓板衝擊音隔音性能改善之研究】。

本活動主辦單位亦邀請數間企業共襄盛舉，包括【利音貿易開發股份有限公司】、【台灣必凱環測股份有限公司】、【御風科技有限公司】、【振動噪音產學技術聯盟】、【鑫立儀器股份有限公司】皆設有攤位展示振動聲音量測之相關設備。聯盟專員於現場實際操作聯盟可技轉技術【客製化振動噪音量測系統(SVM)】，邀請會場有興趣的各界先進加入【振動噪音產學技術聯盟】，不論是量身打造教育訓練課程，或是專業顧問諮詢，聯盟皆可提供客製化服務。同日下午會場有26篇論文發表，共同研討、交流聲學議題，本次研討會圓滿順利。

※有關振動噪音相關領域之研發能量，其資訊可由聯盟網站瀏覽與下載(http://aitanvh.blogspot.tw/?m=0)

活動花絮：

台灣聲學學會吳聰能理事長致詞

國立成功大學蘇慧貞校長致詞

【澳門聲學學會】貴賓致詞

【香港聲學學會】貴賓致詞

日本小林理學研究所 所長-山本貢平 博士主講

「Japan’s new assessment for noise around wind power station」

成功大學 賴榮平教授主講

「建築聲學性能相關CNS規格之最新標準化動向-各種單一評估指標(Rw、STC、Lw、△L、IIC、aw、等價吸音面積、LiA.Fmax)之計算及評價」

台灣聲學學會吳聰能理事長頒發感謝狀予「振動噪音產學技術聯盟」主席王栢村教授，由林谷樺專員代表領獎

台灣聲學學會107年會員大會暨31屆學術研討會廠商展示區

「振動噪音產學技術聯盟」獲感謝狀

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《振動噪音科普專欄》高爾夫球桿之模型驗證理念與虛擬測試之設計開發

這個單元來看「虛擬測試」(virtual testing, VT)的理念，應用在高爾夫球桿的設計開發，要進行「虛擬測試」(virtual testing, VT)的結構「設計變更」(design modification)流程，如圖示，主要包括三個步驟：

1.      模型驗證(model verification, MV)：針對系統結構，分別透過分析與實驗的解析，比對驗證系統模態參數相吻合，以確認結構系統之分析模型的正確性。

2.      響應預測(response prediction, RP)：引用驗證後的結構系統分析模型，設定外力負荷條件以及邊界狀態，可以進行響應預測，得到設定的性能指標(performance index)。

3.      設計變更(design modification, DM)：透過模型變更(model modification)，可以對結構系統分析模型，進行如幾何形狀尺寸的設計變更，並進行虛擬測試(virtual testing, VT)。

一支高爾夫球桿，簡單說，會有球頭及碳纖維球桿組合而成，在模型驗證階段，分別對零件層次(component level)的單獨球頭以及碳纖維桿，進行模型驗證程序。其次，對整支高爾夫球桿的組合結構(assembly structure)，也可以說是系統層次(system level)，再進行模型驗證程序。

為什麼要從component level執行模型驗證？能不能直接由system level進行模型驗證呢？

在回答這些問題前，先從一個產品結構系統來說，常是由多個零組件組裝而成，由此觀點可以概分產品結構的三個層次，也必須分別由三個層次依序進行模型驗證：

1.      Component level零部件層次：每個零部件有其幾何(geometry)形狀、尺寸，以及所據以製造的材料(material)。零部件層次的模型驗證，需要建構其分析模型與進行理論分析，因為幾何模型大約都可以明確建構，而材料參數如密度、楊氏係數及普松比等材料機械性質，固然都有參考值，仍需要透過模型驗證程序，才能明確的校正材料參數。

2.      Sub-system level次系統層次：也可以說是次組合結構sub-assembly structure，在此層次的模型驗證意義，在明確界定分析模型的組合介面(Interface)參數。

3.      System level系統層次：當然就是產品結構系統在實際運作情況下的系統狀態，重要的就是系統邊界(boundary)的模擬仿真，

由以上說明，可以知道模型驗證在確認分析的系統模型之可靠度與正確性，包括：幾何(geometry)、材料(material)、邊界(boundary)、以及介面(Interface)，以GMBI提示讀者的注意，分析模型是要模擬仿真實際結構系統的特性，GMBI假設的有效性與確認，就需要模型驗證技術。

本案例之高爾夫球桿模型驗證及虛擬測試的探討步驟概述如下：

1.      Component level的模型驗證：零部件層次概分為球頭及碳纖維桿，分別完成其模型驗證，校正了球頭及碳纖維桿的材料參數。

2.      Sub-system level的模型驗證：針對球頭及碳纖維桿的組裝介面，在分析模型需要對實際的組裝介面參數進行設定與校正。

3.      響應預測response prediction (RP)：在本例有兩個RP的目標，(1)高爾夫球桿的擊球聲音預測，透過實際的聲音量測與頻譜分析，可以調校分析模型於聲音頻譜的預測，如先前單元介紹【高爾夫球頭振動特性與擊球聲音關聯性】。(2)高爾夫球桿打擊手感預測，透過球頭的振動模態振型，發展打擊能量指標，據以評估如球頭的打擊甜蜜區(sweet spot)。

4.      模型變更model modification、設計變更design modification (DM)：經由模型驗證MV到響應預測RP的分析與實驗的佐證，當然就可以引用分析模型的分析技巧，據以對結構模型的設計變更DM，進行虛擬測試(virtual testing)，反覆RP與DM的循環流程，以達到揮擊聲音及打擊手感的改善。

本單元再次說明結合模型驗證理念，於虛擬測試的產品設計開發，在此回顧一下進行模型驗證的主要3個步驟：

1.      對實體結構的實驗模態分析(EMA)：可以量測得到結構的頻率響應函數，並經由曲線嵌合(curve fitting)，可以擷取得到結構的模態參數，包括：自然頻率、模態振型及模態阻尼比。

2.      對實體結構建立分析模型及對應的模擬分析：主要有兩種分析，包括：理論模態分析求得結構的自然頻率及模態振型；以及簡諧響應分析求得結構的頻率響應函數。

3.      模型驗證比較：分別由頻率域的頻率響應函數，以及模態域的模態參數，作比較探討，以確認分析模型等效於實體結構。

有關模型驗證議題的相關單元，列舉如下：

1.      【甚麼是「模型驗證」？】，簡要介紹模型驗證的需要性及實施方法。

2.      【如何應用EMA於分析模型的模型驗證？】，說明如何引用EMA於模型驗證。

3.      【模型驗證的意義與虛擬測試之應用】，介紹應用模型驗證理念於虛擬測試Virtual Testing的工程實務案例，

4.      【結合「CAE」與「EMA」之工程設計與應用：後懸吊扭曲管件結構】，【Integration of CAE and EMA for Engineering Design and Applications：Vertical Auxiliary Table】，分別以實際的「後懸吊扭曲管件結構」以及「振動試驗機的垂直輔助平台」之設計變更流程，探討模型驗證(Model Verification)的意義與虛擬測試(Virtual Testing)之應用。

本單元以高爾夫球桿為例，從零部件層次的模型驗證到系統層次的模型驗證，說明高爾夫球桿揮擊聲音及打擊手感的響應預測，以及以虛擬測試方式，進行結構設計變更的作業理念，以達到高爾夫球桿的聲音與手感的改善。希望對讀者在觀察產品結構系統的三個層次及其對應的GMBI模型驗證理念與實務，有進一步的了解與體會！

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2018.10.09

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《振動噪音科普專欄》構成聲音的要素有哪些?哪些要素影響聲音之品質?

人們平時聽到的某一個聲音大都不是單一的純正的聲音響應，而是由基音與數個泛音組合而成的「複合音」。所謂之基音就是發音體全段振動產生的聲音，也就是#1個自然頻率聲音，泛音則是發音體分段振動產生的第2~4個音，複合音則是發音體全段與各分段振動疊加的音。這是因為物體在振動的時候不僅整體在振動，而且各個部分也在振動的結果。

從聽覺角度來說，聲音是由音高、音強、音色、音長等四個要素所構成，也可說由頻率(音高)、振幅(音強)、波形(音色)、持續時間(音長)等四種屬性組成。

「音高」是聲音之頻率，表聲音的高低，以赫茲(Hz)表示。音高就是發音源在一定時間內的振動次數（頻率），單位時間內振動次數越多，頻率越高，聲音也就越高，反之則低；影響發音體音高的因素有大小、輕重、粗細、厚薄、長短、鬆緊等。細、輕、小、短、薄、緊的發音體振動快發音高；粗、重、大、長、厚、鬆的發音體振動慢發音低。

「音強」是聲音之振幅，表聲音的強弱，以分貝(dB)表示。音強取決於發音體的振動幅度，振幅越大聲音越強，振幅越小聲音越弱。

「音色」是聲音之波形，也就是基音、泛音的組成結構，表聲音的性質(音品)。影響聲波波形的因素為發音源的之材質、形狀、發音部位、激發與處理方式等，而聲音之基音與泛音的數目、強度、分佈、相位等，則決定了一個聲音是樂音或是噪音的特質。因此，具有和諧樂音音色之基本條件就是聲音的基音與泛音間必須具有簡諧倍頻音之關係。

「音長」則是由發音源振動時所持續的時間來決定的，持續的時間越長，聲音越長，反之則短。

聲音的四種屬性，在音樂的表現中都是非常重要的。「音高」和「音長」的改變會影響樂曲的旋律；「音強」的變化會造成忽大忽小之聲音；「音色」的變化是由不規則振動發出之聲波，使波形無法構成樂音之條件而成為噪音。因此，無論是創作、演奏、歌唱的時候都應該對聲音的高低（音高）、長短（音長）、大小(音強)、和諧性(音色)都須加以注意。

在音樂中，樂音的和諧性要求是基音與泛音間須具有簡諧倍頻音之關係。雖然如此，並不表示噪音就不屬於音樂的組成部分。有些打擊樂器的單獨發聲雖不具和諧性，但它與其他樂器合奏時之節奏感，同樣具有豐富的音樂表現力。在樂器演奏過程中，這些具節奏感之不諧和音與諧和音共同形成完整的樂音音色，使音色具有一種特殊之真實感，是樂器演奏特有的音色。

以上是個人看法，希望對你有幫助。

黃立鑫 107.04.26

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《振動噪音科普專欄》底盤前懸吊口字樑之模型驗證

先前模型驗證議題的相關單元：

1.      【甚麼是「模型驗證」？】，簡要介紹模型驗證的需要性及實施方法。

2.      【如何應用EMA於分析模型的模型驗證？】，說明如何引用EMA於模型驗證。

3.      【模型驗證的意義與虛擬測試之應用】，介紹應用模型驗證理念於虛擬測試Virtual Testing的工程實務案例，

4.      【結合「CAE」與「EMA」之工程設計與應用：後懸吊扭曲管件結構】，【Integration of CAE and EMA for Engineering Design and Applications：Vertical Auxiliary Table】，分別以實際的「後懸吊扭曲管件結構」以及「振動試驗機的垂直輔助平台」之設計變更流程，探討模型驗證(Model Verification)的意義與虛擬測試(Virtual Testing)之應用。

這個單元我們再來看底盤前懸吊口字樑的模型驗證，主要有三個步驟：

1.      對口字樑進行實驗模態分析(experimental modal analysis, EMA)：以衝擊鎚為驅動器敲擊球桿，以加速度規量測加速度響應，以取得球桿的頻率響應函數(frequency response function, FRF)。再對量測的一系列FRF，進行曲線嵌合(curve fitting)，可以擷取出球桿的模態參數(modal parameter)，包括：自然頻率(natural frequency)、模態阻尼比(modal damping ratio)，以及對應的模態振型(mode shape)。圖示是模型驗證前4個模態的模態振型。

2.      對口字樑進行有限元素分析(finite element analysis, FEA)：在FEA可以分成兩個步驟：(1)理論模態分析(theoretical modal analysis, TMA)，可以得到理論的自然頻率以及模態振型。(2)簡諧響應分析(harmonic response analysis)，可以得到理論的頻率響應函數。

3.      進行口字樑模型驗證(model verification, MV)的比較程序：觀察圖示共有三個區塊的圖示及表格，中間下方是頻率響應函數圖示，右下方是口字樑的自然頻率比較表，圖示上方是分別是EMA及FEA求得的口字樑模態振型。

這個單元著重在討論，在模型驗證的比較程序，為什麼需要觀察比對頻率響應函數以及模態參數？如何觀察模態振型？以及振動模態在頻率響應函數中顯現的特徵為何？

首先，由系統的角度，繪製系統方塊圖，可以從3個面向來說明：

1.      物理域(physical domain)：如物理域方塊圖，輸入是fj(t)，代表的是衝擊鎚的外力輸入時間域信號；j，則代表了外力的作用位置與方向。輸出是ai(t)，代表的是量測到加速度的時間域響應；i，則代表了加速規的擺放位置及量測方向。系統資訊當然就是口字樑的幾何與材料參數。在建構幾何模型時，當然就是確認形狀、尺寸與實際結構的對應。在設定材料參數時，包括：材料的密度、楊氏係數及普松比。在理論分析時，對應的就是[M]、[C]、[K]三個矩陣，分別是質量矩陣(mass matrix)、阻尼矩陣(damping matrix)、勁度矩陣(stiffness matrix)。

2.      模態域(modal domain)：除了從物理域角度看系統，也可由模態域角度來觀察系統，也就是模態參數，每一個振動模態(vibration mode)，都有自然頻率、模態振型、及模態阻尼比，這三個模態參數，圖示中的下標符號r，代表第r個振動模態，r=1,2,…，由低頻率開始排序，理論上，有無限多個振動模態。首先，需要有一個認知，當結構系統參數如幾何形狀、材料參數、邊界條件等固定不變的話，系統的模態參數，也是不變的，也就是不會因為輸入的不同，而改變了結構的振動模態。由TMA的正規模態分析(normal mode analysis)，只可以得到自然頻率及模態振型；而由EMA，三個模態參數，包括模態阻尼比都可以取得。

3.      頻率域(frequency domain)：第三個角度看系統，就是頻率域的系統方塊圖。系統方塊呈現的是Hij(f)，就是頻率響應函數，在此對應於EMA的敲擊實驗，理論上，Hij(f)=Ai(f)/Fj(f)，加速度ai(t)的傅立葉頻譜Ai(f)，除以外力fj(t)的傅立葉頻譜。所以，Hij(f)的i及j，分別代表了加速度及外力的位置與方向。注意，本案例的頻率響應函數單位是g/N，也就是加速度除以力的單位。

針對此口字樑的案例，在模型驗證程序如何觀察與討論，分別從頻率域的頻率響應函數比較，以及模態域的模態參數比較，綜合如下：

頻率域的頻率響應函數圖示之FRF曲線比較：

1.      由於頻率響應函數是複數(complex number)，是因為有阻尼效應的關係。又，模態阻尼比的大小，會影響FRF曲線的尖銳度。本案例FRF圖示，取複數的振幅(amplitude)，並以對數座標方式畫出FRF曲線。

2.      圖中，分別有實驗及FEA理論分析所求得Experimental及Theoretical的FRF曲線，兩個FRF曲線比對在看趨勢及量值。

3.      FRF趨勢比對：主要觀察如FRF的峰值頻率，稱共振點(resonance point)，以及倒峰值頻率，稱反共振點(anti-resonance point)。

4.      FRF量值比對：當然是FRF曲線的每個頻率點之數值要相對應。

模態域的模態參數比較：

1.      FRF曲線的峰值頻率：由頻率響應函數圖示，FRF曲線的每一個峰值所對應的頻率，簡稱峰值頻率(peak frequency)，就是結構的自然頻率。一般由最小的自然頻率標註f1，餘此類推，理論上，有無限多個自然頻率。

2.      在此口字樑的案例，第1個模態是相當於平板結構的(2,2)模態，從EMA及FEA所觀察的模態振型物理意義相對應，所以，可以比較兩者自然頻率的差異，約-1.45%。

3.      在此口字樑的案例，第2個模態是相當於平板結構的(3,1)模態，從EMA及FEA所觀察的模態振型物理意義相對應，所以，可以比較兩者自然頻率的差異，約-3.33%。

4.      在此口字樑的案例，第3個模態是結構的扭曲(twisting)模態，從EMA及FEA所觀察的模態振型物理意義相對應，所以，可以比較兩者自然頻率的差異，約2.13%。

5.      在此口字樑的案例，第4個模態是口字樑兩側長樑的局部彎曲模態(local bending mode)特性，從EMA及FEA所觀察的模態振型物理意義相對應，所以，可以比較兩者自然頻率的差異，約2.02%。

6.      振動模態的模態參數，是成對倆倆對應：觀察每個峰值頻率，由EMA及FEA所對應得到的模態振型，都有明確的倆倆對應之相同物理意義。在此要注意，在自然頻率比較表中，能夠將EMA及FEA的自然頻率放在一起比較，探討其自然頻率的差異百分比，必須要確認，所比較的是相同的模態，因為，振動模態的模態參數，是成對出現的。

綜合來說，可以分別由頻率域的頻率響應函數比較，以及模態域的模態參數比較，依循上述討論方式，要確保分析模型與實際結構的等效性，這就達成模型驗證的目標。

本單元以口字樑的模型驗證，從三個觀察系統的角度，包括：物理域、模態域、及頻率域，以了解結構系統的特徵。並且探討模型驗證的比較程序，為什麼需要觀察比對頻率響應函數以及模態參數？希望對讀者在模型驗證的物理意義與應用，有進一步的了解與體會！

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2018.10.08

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