【活動報導】2019振動噪音實驗與分析技術研討會-北科大

【振動噪音產學技術聯盟】於2019年09月24日假國立台北科技大學辦理
「2019振動噪音實驗與分析技術研討會」第二場次。

研討會開始，首先由聯盟北部據點召集人蕭俊祥教授代表致歡迎詞，後由聯盟主席王栢村教授開幕致詞。王教授向各界貴賓介紹【振動噪音產學技術聯盟】，今年是聯盟計畫執行的第六年，希望藉由聯盟推廣與交流振動噪音的相關技術，由我有推廣為眾有，協助業界解決相關振動噪音的問題，並媒合相關的廠商，亦是研討會辦理之初心。

王教授也說明聯盟目前據點分佈，北部據點有北科蕭俊祥教授、中部據點有彰師大黃宜正教授、南部有正修黃柏文教授與高苑夏紹毅教授等等共同主持這個聯盟計畫。

最後感謝科技部計畫補助，與國立臺北科技大學協助聯盟共同辦理「2019振動噪音實驗與分析技術研討會」。

本次研討會順利成功進行主要感謝主講人踴躍參與，共安排12場專題演講。講者包括學界產學經驗豐富的教授及業界專家，演講主題如下(依主講順序列)：

1.台灣大學 馬劍清教授 – 固體動態問題量測技術開發與工程應用

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2.彰師大 黃宜正教授 – 利用特徵工程進行機器失效診斷之機器學習

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3.山衛科技 吳孝三董事長 – 如何整合振噪聯盟，以提升工業4.0的安全、性能、品質與可靠度

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4.北科大 練光祐教授 – 多聲源定位技術之探討

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5.中央大學 吳育仁教授 – 齒輪傳動系統之振動分析及故障診斷

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6.艾爾錡科技 錢懷清博士 – A Practical Strategy of Building Factory Condition Monitoring Solutions 

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7.皮托科技 楊棟焜處長 – COMSOL Multiphysics振動噪音模擬分析 

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8.虎門科技 許琦偉博士 – Electric Machine NVH

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9.北科大 陳清祺教授 – 耐高溫超音波應用於射出成型檢測技術

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10.逢甲大學 林葳教授 – 都市商業步行空間之聲場客觀評價研究

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11.基太克 陳諺賢工程師 – 振動攝影介紹

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12.屏科大 王栢村教授 – 從工業4.0看振動噪音技術在產業的應用
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*簡報檔下載說明：簡報檔業經主講人同意公開，方能下載。

本研討會亦邀請振動噪音領域之儀器設備廠商共襄盛舉，【振動噪音產學技術聯盟】在會場透過電腦操作與專員口頭介紹聯盟經營運作，現場展示聯盟可技轉技術【客製化振動噪音量測系統(SVM)】與【聲音量測軟體(SM) 】，並於會場內拜訪聯盟會員包括：【基太克國際股份有限公司】、【虎門科技股份有限公司】、【山衛科技股份有限公司】、【艾爾錡科技股份有限公司】，以及【緯宇國際有限公司】、【皮托科技股份有限公司】等，交流振動噪音領域之儀器設備新知與技術。聯盟期盼透過整合產官學界在振動噪音技術的資源和經驗，協助產業界解決產品振動噪音問題，最終提升我國產品品質及國際競爭力。

2019振動噪音實驗與分析技術研討會第二場次於北科大順利圓滿閉幕。

以下為活動花絮：

台灣大學 馬劍清教授 – 固體動態問題量測技術開發與工程應用

彰師大 黃宜正教授 – 利用特徵工程進行機器失效診斷之機器學習

山衛科技 吳孝三董事長 – 如何整合振噪聯盟，以提升工業4.0的安全、性能、品質與可靠度

北科大 練光祐教授 – 多聲源定位技術之探討

中央大學 吳育仁教授 – 齒輪傳動系統之振動分析及故障診斷

艾爾錡科技 錢懷清博士 – A Practical Strategy of Building Factory Condition Monitoring Solutions

皮托科技 楊棟焜處長 – COMSOL Multiphysics振動噪音模擬分析

虎門科技 許琦偉博士 – Electric Machine NVH

北科大 陳清祺教授 – 耐高溫超音波應用於射出成型檢測技術

逢甲大學 林葳教授 – 都市商業步行空間之聲場客觀評價研究

基太克 陳諺賢工程師 – 振動攝影介紹

屏科大 王栢村教授 – 從工業4.0看振動噪音技術在產業的應用

基太克國際股份有限公司展示攤位

虎門科技股份有限公司展示攤位

山衛科技股份有限公司展示攤位

艾爾錡科技股份有限公司展示攤位

緯宇國際有限公司展示攤位

皮托科技股份有限公司展示攤位

振噪聯盟展示攤位

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《振動噪音科普專欄》結構的幾何形狀尺寸如何影響結構的「自然頻率」？

先前單元：【甚麼因素會影響結構的「自然頻率」？】，主要是探討了甚麼因素會影響結構的「自然頻率」？最簡要的說法就是結構系統的「GMBI」，掌握結構系統的「GMBI」就可探索結構的「自然頻率」影響差異。甚麼是「GMBI」？【結構系統之振動模擬分析：問題定義的F-GMBI-R】，簡要如下：

1.      Geometry幾何

2.      Material材料

3.      Boundary邊界

4.      Interface 組合接觸介面

參閱圖示，引用重要的3個「系統方塊圖」(system block diagram)：

1.          ISO/SPR系統方塊圖

2.          模態域系統方塊圖

3.          FàGMBIàR系統方塊圖

所以，可以知道結構系統的「GMBI」是影響結構「自然頻率」的主要因素。這個單元，將著重在「Geometry幾何」的影響，特別是「幾何尺寸」對結構「自然頻率」的影響。

首先參考圖示的懸臂樑結構，以結構系統的「GMBI」來看此懸臂樑結構：

1.      Geometry幾何：懸臂樑的長度、寬度、厚度，就是幾何參數，令L=380mm，W=300mm，T=2mm。形狀和尺寸明確，就完成了幾何模型的定義。

2.      Material材料：主要的材料參數，包括：「密度」(density)、「楊氏係數」(Young’s modulus)、「普松比」(Poisson ratio)等，分別假設為：ρ=8000kg/m^3、E=207GPa、ν=0.3。在此假設材料可以以「等向性材料模型」(isotropic material model)表示，只需要「楊氏係數」、「普松比」兩個材料參數。

3.      Boundary邊界：由於是懸臂樑，所以如圖示懸臂樑左端的端面，是完全固定的邊界。

4.      Interface 組合接觸介面：此懸臂樑結構，是單一零件，所以沒有組合接觸介面Interface的效應。

對此懸臂樑結構，進行「理論模態分析」(theoretical modal analysis, TMA)，可以求得結構的「自然頻率」fr及對應的「模態振型」φr。圖示列出此懸臂樑結構的前10個「振動模態」。

針對結構幾何「尺寸」的變異，對結構「自然頻率」的影響，首先探討不同「厚度」T之影響，令T=4mm，是原始厚度T=2mm的兩倍，以及T=1mm，是0.5倍。同樣進行TMA「理論模態分析」，如表格顯示，討論如下：

1.      「厚度」T增大，「自然頻率」也增高：由數值分析可知，「厚度」加倍，「自然頻率」也加倍。

2.      「厚度」T減小，「自然頻率」也降低：由數值分析可知，「厚度」減半，「自然頻率」也減半。

可以推論，針對此懸臂樑結構，「厚度」T和結構的「自然頻率」成「正比例」關係。

接著，在厚度T不變，長度L及寬度W，分別以2倍及0.5倍長寬進行TMA「理論模態分析」，如表格顯示，討論如下：

1.      「長度寬度」增大，「自然頻率」降低：由數值分析可知，加倍長寬，自然頻率降低，而且是1/4倍的關係。

2.      「長度寬度」減小，「自然頻率」增高：由數值分析可知，縮小0.5倍長寬，自然頻率增高，而且是4倍的關係。

可以推論，針對此懸臂樑結構，「長度」及「寬度」和結構的「自然頻率」，呈現「平方的反比例」關係。

對於類似的平板結構，可以推論：fr～T/L^2，也就是：

1.      自然頻率，和平板厚度，成正比。

2.      自然頻率，和平板的長度及寬度，平方成反比。

從結構的「幾何尺寸」對結構的「自然頻率」的影響，口語化概念上的說法：

1.      結構越「薄」，自然頻率越「低」。反之，結構越「厚」，自然頻率越「高」。

2.      結構越「大」，自然頻率越「低」。反之，結構越「小」，自然頻率越「高」。

3.      結構越「長」，自然頻率越「低」。反之，結構越「短」，自然頻率越「高」。

這個單元，主要是探討了結構的「幾何尺寸」，如何影響結構的「自然頻率」？最簡要的說法：結構越「薄、大、長」，自然頻率越「低」。反之，結構越「厚、小、短」，自然頻率越「高」。

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2019.09.10

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《振動噪音科普專欄》甚麼因素會影響結構的「自然頻率」？

我們知道每個結構都有它的「自然頻率」(natural frequency)，那麼有甚麼因素會影響結構的「自然頻率」呢？要探討這個主題，這個單元由3個「系統方塊圖」(system block diagram)進行討論：

1.          ISO/SPR系統方塊圖

2.          模態域系統方塊圖

3.          FàGMBIàR系統方塊圖

首先，參考圖示，由「ISO/SPR系統方塊圖」，【甚麼是ISO及SPR？】說明如下：

1.          Input輸入：和Source 振動或噪音源相同意義，也可說是激勵源，都是指系統的輸入激勵源。

2.          System系統：和Path傳遞路徑相同意義，都是代表結構系統。

3.          Output輸出：和Receiver接受者相同意義，也可以說是Response響應，都是系統的輸出響應。

基本上ISO = SPR，ISO 等同於 SPR，只是不同的說法而已。

接著，再觀察「模態域系統方塊圖」，就是結構的「振動模態」(vibration modes)，包括3個「模態參數」(modal parameters)，【甚麼是結構振動模態】說明如下：

1.      自然頻率(natural frequency)，fr

2.      模態振型(mode shape)，φr

3.      模態阻尼比(modal damping ratio)，ξr

在標示結構「振動模態」，以「自然頻率」的大小，由小排到大，f1 < f2 < f3 < …；而每個「自然頻率」，有其對應的「模態振型」及「模態阻尼比」，所以，例如「第r個振動模態」有：第r個自然頻率(fr)、第r個模態振型(φr)、及第r個模態阻尼比(ξr)，r=1,2,3,…。

在此需注意，圖示的顏色是有意義的，其中，「藍色」代表輸入/激勵源，「綠色」代表系統/路徑，「紅色」代表輸出/響應。而3個「模態參數」：fr、φr、ξr，就是系統資訊。

再以「FàGMBIàR系統方塊圖」，【結構系統之振動模擬分析：問題定義的F-GMBI-R】，摘錄說明如下：

1.          F：force代號，泛指系統的外力負荷(external loadings)

2.          G：geometry代號，泛指系統及其零組件的幾何模型

3.          M：material代號，泛指系統及其零組件的材料參數模型

4.          B：boundary代號，泛指結構系統之邊界狀態

5.          I：interface代號，泛指各零組件的組裝接合介面狀態

6.          R：response，泛指系統的響應

比較以上3個「方塊圖」，觀察「綠色」的「系統」/「路徑」、「振動模態」、以及「GMBI」，就可以很清楚辨識，會影響結構「自然頻率」的因素，就是「GMBI」，也就是「幾何」、「材料」、「邊界」、「組合/接觸介面」。

舉一個懸臂樑結構，如圖示，來說明此結構參數對「自然頻率」的影響：

1.      Geometry幾何：懸臂樑的長寬高，就是幾何參數，長寬高不同，就會影響懸臂樑的「自然頻率」。

2.      Material材料：不同的懸臂樑材質，當然也會影響結構的「自然頻率」。主要的材料參數，包括：「密度」(density)、「楊氏係數」(Young’s modulus)、「普松比」(Poisson ratio)等。

3.      Boundary邊界：由於是懸臂樑，所以如圖示懸臂樑左端的端面，是完全固定的邊界。

4.      Interface 組合接觸介面：此懸臂樑結構，是單一零件，所以沒有組合接觸介面Interface的效應。

再舉如圖示的壓縮機結構，來說明此結構參數對「自然頻率」的影響：

1.      Geometry幾何：壓縮機的每一個零件，都有其幾何形狀和尺寸，當然，幾何形狀及尺寸不同，就會影響零件以及整體壓縮機結構的「自然頻率」。

2.      Material材料：壓縮機的每一個零件，都有其不同的材質，主要的材料參數，包括：「密度」、「楊氏係數」、「普松比」等，當然也都會影響結構的「自然頻率」。

3.      Boundary邊界：此壓縮機底部由3個橡膠腳墊支撐，上方的本體會連接吐出管，儲液瓶連接吸入管，輸送冷媒。因此，不同的「腳墊邊界」和「管路邊界「=」，就會影響壓縮機的「自然頻率」。

4.      Interface 組合接觸介面：此壓縮機結構，有相當多的零組件組成，藉由銲接組裝，也有各種扣件介面、或滑動接觸介面等，這些組裝方式的差異，以及不同的接觸介面，都會影響壓縮機的「自然頻率」。

綜合一下這個單元的討論：甚麼因素會影響結構的「自然頻率」？首先，要有「ISO/SPR的系統方塊圖」概念。同時，也需要理解「模態域系統方塊圖」，其中，「振動模態」的「模態參數」就是系統的資訊，而「自然頻率」也是系統資訊之一，「自然頻率」不會因為外力激勵源的不同而有變異。

最後，由「F-GMBI-R系統方塊圖」，可以得知，會影響結構「自然頻率」的因素，就是結構系統的「GMBI」，也就是幾何形狀尺寸、材料參數、邊界狀態、以及零組件的組合接觸介面。

這個單元，主要是探討了甚麼因素會影響結構的「自然頻率」？最簡要的說法就是結構系統的「GMBI」，掌握結構系統的「GMBI」就可探索結構的「自然頻率」影響差異。希望由本單元的探討，讀者能夠理解影響結構「自然頻率」的因素有哪些？就是結構系統的「GMBI」了！

以上個人看法，請多指教！

王栢村

2019.09.10

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