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《振動噪音科普專欄》響鈴板打擊聲音和振動模態有甚麼關聯性?

這個單元是「響鈴板」系列的6,要來看的主題是:「響鈴板」打擊聲音和「振動模態」有甚麼關聯性?

 

由單元主題,來解剖其關鍵詞,包括:「響鈴板」、打擊聲音、「振動模態」、關聯性?

 

首先,由破題來看,甚麼是「響鈴板(bell plate)?可以參考圖示上方右三的照片,來自2003年的論文:Lavan, D., Hogg, S. and Wolfe, J., “Why do bell plate ring?,” Acoustics Australia, 31, No. 2–1, (2003)。「響鈴板」有握柄,當搖晃握柄,會帶動打擊槌敲擊在「響鈴板」上,進而發出「響鈴板」的敲擊聲音。

 

同時,參閱圖示上方右二及右一的照片,分別是已經完成設計製作的「響鈴板」之「有限元素分析模型」,以及「C6響鈴板」的實體結構照片。

 

前一個單元:#246,【如何解讀響鈴板打擊聲音的特徵?】,已經探討了C6響鈴板」的打擊聲音特徵。C6音階就是DoC6音階的標準頻率 C6 = 1046.5 Hz

 

針對「C6響鈴板」打擊聲音信號,進行「頻譜分析(spectral analysis),可以得到聲音頻譜」,可看到有3個「峰值頻率」,分別是1049 Hz2060 Hz3721 Hz,也就是C6響鈴板主要的「發聲頻率」。同時可以區別出「基音頻率(fundamental frequency)和「泛音頻率(overtone frequencies)

 

1.      基音頻率(fundamental frequency):在聲音頻譜圖」中的第一個「峰值頻率」就是「基音頻率」,由圖中可知,f2=1049 Hz,其中,f2是指第二個「自然頻率」,此頻率與「音階標準頻率C6=1046.5 Hz,很相近,所以此「基音頻率」對應的就是Do音階的「音階頻率(pitch frequency),因此可知,這個打擊樂器的「音準(pitch)是正確的。

2.      泛音頻率(overtone frequencies):除了第一個「峰值頻率」稱為「基音頻率」之外,其他的「峰值頻率」都稱為「泛音頻率」,就是這個C6響鈴板」的「音色(tone color, tonality)。在此,有f4=2060 Hzf7=3721 Hz,分別是第2個及第3個「峰值頻率」。

 

這個單元要討論的是:「響鈴板」打擊聲音和「振動模態」有甚麼關聯性?那麼又需要知道甚麼是「振動模態」?先前單元:#245,【如何解讀響鈴板的振動模態?】,已經探討了C6響鈴板」的「振動模態」。

 

振動模態」包括3個重要的「模態參數(modal parameters)

 

1.          自然頻率(natural frequency)

2.          模態振型(mode shape)

3.          模態阻尼比(modal damping ratio)

 

可以透過FEA分析或EMA實驗方式,取得結構的「振動模態」或「模態參數」,也就是:FEA有限元素分析(finite element analysis)EMA實驗模態分析(experimental modal analysis)

 

FEA的「理論模態分析(theoretical modal analysis, TMA),採用的是「實數模態分析(real mode analysis),所以,只可以得到「響鈴板」的「自然頻率」和「模態振型」。

 

而,EMA除了可以得到「響鈴板」的「自然頻率」和「模態振型」,更重要的是,可以得到每個「振動模態」的模態阻尼比」。「模態阻尼比」會和材料相關,在此響鈴板」是以304不鏽鋼製作而成,其阻尼比」是比較小的,也就是「阻尼效應」小,這會使得打擊聲音的「衰減率」小,聲音的持續度就越久。

 

這個單元要討論的是:「響鈴板」打擊聲音和「振動模態」有甚麼關聯性?

 

由主要的發聲頻率」,分別是1049 Hz2060 Hz3721 Hz,和C6響鈴板」的自然頻率」相比較,分別是:f2f4f7,也就是對應EMAE2E4E7,三個振動模態」。

 

為什麼只有E2E4E7,這三個振動模態」會發出聲音呢?就要瞭解「響鈴板」敲擊的位置,如圖示,「敲擊點」是在左右兩側對稱的中心線上,而上下位置大約在1/4處。同時,也需要瞭解「響鈴板」的「振動模態」之「模態振型」特徵。

 

響鈴板」打擊聲音和「振動模態」的關聯性說明如下:

 

1.          當「敲擊點」位置,剛好是在「模態振型」的「節線」上,也就是「節點」,就不會激發出該「振動模態」的「自然頻率」。

2.          當「敲擊點」是在「模態振型」的非「節點」位置,就會激發出該「振動模態」的「自然頻率」,就是所聽到的「發聲頻率」。

3.          如左側圖示,可以觀察到三個發聲頻率」對應的振動模態」分別是:E2E4E7,其模態振型」物理意義:(x,y)= (3,1)(x,y)= (1,4)(x,y)= (3,4),「敲擊點」都不是在模態振型」的節點」位置,所以,敲擊時只會激發出這幾個「振動模態」所對應的自然頻率」。

 

總結一下這個單元的討論,綜合如下:

 

1.          C6響鈴板」打擊聲音:主要的發聲頻率」,分別是1049 Hz2060 Hz3721 Hz,可以區別出「基音頻率(fundamental frequency)和「泛音頻率(overtone frequencies)

2.          發聲頻率」會對應於C6響鈴板」的「自然頻率」:但是,不是所有的「自然頻率」都會被激發出來,取決於實際的「敲擊點」位置。

3.          敲擊點」位置:不是在「模態振型」的「節點」位置時,此「振動模態」所對應的自然頻率」才會被激發出來,就是「發聲頻率」。

4.          模態阻尼比」:會和材料相關,「阻尼比」越小,也就是「阻尼效應」越小,這會使得打擊聲音的「衰減率」小,聲音的持續度就越久。

 

從以上的討論可知,「響鈴板」的打擊聲音和其「振動模態」,也就是「自然頻率」、「模態振型」以及模態阻尼比」,有很大的關聯性,而且有具體的對應關係。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2021.12.07

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《振動噪音科普專欄》如何解讀響鈴板打擊聲音的特徵?

 

這個單元是「響鈴板」系列的5,要來看的主題是:如何解讀「響鈴板」打擊聲音的特徵?

 

圖示左一是已經設計製作出來的「C6響鈴板」實體結構,C6音階就是DoC6音階的標準頻率 C6 = 1046.5 Hz

 

如果要來解讀「C6響鈴板」打擊聲音的特徵,首先就要進行打擊聲音的量測,圖示左二是量測架構照片,採用「麥克風(microphone)當作感測器(sensor),透過頻譜分析儀(FFT Analyzer)量取聲音的時間波形(time waveform)

 

其次,採用屏科大機械系振動噪音實驗室開發的【SM軟體】,進行「頻譜分析」以及「時頻分析」。

 

首先,由「時頻分析(time-frequency analysis),參閱圖示,可以得到的4個重要圖示,重點說明如下:

 

1.          聲音壓力時間域波形圖 (time waveform):在圖示上方,呈現所量測到的C6響鈴板」打擊聲音之原始「時間波形」信號。代表的物理意義是「聲音壓力(sound pressure)。此波形圖呈現了聲音的「衰減」現象,是典型的打擊樂器聲音特性。

2.          時間域聲音壓力位準(響度) (sound pressure level):可以簡稱「聲音響度圖」,在圖示下方,呈現此聲音隨時間變化的「聲音振幅大小(dB),可看出對應「時間波形」信號的「衰減」現象。此「聲音振幅」的物理意義是「聲音壓力位準(sound pressure level),可參閱:#56,【聲音壓力位準dBdB(A)有甚麼不同?

3.          頻譜圖 (spectrum):因為解析的信號是C6響鈴板」打擊聲音」,所以稱為「聲音頻譜圖」,在圖示左方,呈現此聲音信號的「頻譜」,也就是頻率與其振幅的組成。圖示的垂直軸為頻率,單位:Hz,水平軸是聲音的振幅大小,單位:dB。可以觀察「聲音頻譜」有數個「峰值頻率(peak frequency)的分佈特徵,在後續「頻譜分析」有詳細的說明。可參閱:#20,【常說的【振動頻譜】或【聲音頻譜】指的是甚麼?

4.          時頻圖 (spectrogram):可參閱:#110,【甚麼是時頻圖?】。在圖示正中央,水平軸是對應「時間域波形」的時間(sec),垂直軸是頻率(Hz),彩色的分布圖示為聲音振幅大小(dB)。可以觀察隨時間變動時,「聲音頻譜」的分布狀態與趨勢。在1000 Hz左右,在時間初期,有明顯的大響應,隨著時間增長,聲音振幅會逐漸衰減;在2000 Hz4500 Hz左右,也有類似現象。

 

接著,針對量測到的「C6響鈴板」打擊聲音信號,進行「頻譜分析(spectral analysis),讀者可參閱:#109,【對一個信號進行頻譜分析的原理為何?】,參閱圖示右上方的「聲音頻譜」,說明如下:

 

1.      3個「峰值頻率(peak frequency):從「聲音頻譜」,可看到有3個「峰值頻率」,分別是1049 Hz2060 Hz3721 Hz,也就是C6響鈴板主要的「發聲頻率」。

2.      發聲頻率」對應之「自然頻率」和「模態振型」:由先前單元:#???,【為什麼要瞭解響鈴板的振動模態?】,每個峰值頻率對應的就是「C6響鈴板」的「自然頻率」,也可以觀察到對應之「模態振型」。

3.      基音頻率(fundamental frequency):在聲音頻譜圖」中的第一個「峰值頻率」就是「基音頻率」,由圖中可知,f2=1049 Hz,其中,f2是指第二個「自然頻率」,此頻率與「音階標準頻率C6=1046.5 Hz,很相近,所以此「基音頻率」對應的就是Do音階的「音階頻率(pitch frequency),因此可知,這個打擊樂器的「音準(pitch)是正確的。讀者可參閱:#48,【音階標準頻率】。

4.      泛音頻率(overtone frequencies):除了第一個「峰值頻率」稱為「基音頻率」之外,其他的「峰值頻率」都稱為「泛音頻率」,就是這個C6響鈴板」的「音色(tone color, tonality)。在此,有f4=2060 Hzf7=3721 Hz,分別是第2個及第3個「峰值頻率」。

 

一般而言,不同的樂器有不同的「泛音頻率」組成,各個「泛音頻率」的特徵也有所差異,所以就有所謂「音色(tone color, tonality)的不同。因此,不同樂器雖然是演奏相同的「音階」,就會有不同的聽感。讀者可參閱:#135,【為甚麼可以辨別出鋼琴、提琴、鐵琴的聲音?】。

 

第三個角度就是衰減率分析(decay rate analysis),參閱右下方圖示,為C6響鈴板」的衰減率分析」之示意圖,說明如下:

 

1.      典型的打擊樂器都有衰減特性,會以 𝑒^(−𝜎𝑡),是「指數函數(exponential function),其中,𝜎是「衰減率」。

2.      衰減率」簡單的說,是聲音訊號在時間域的衰減速率,「衰減率」越大,聲音就消散的越快。反之,「衰減率」越小,聲音的持續度就越久。

3.      C6響鈴板」的衰減率分析𝜎=0.3,相當小,所以,C6響鈴板」打擊聲音」持續的很長。

 

綜合一下這個單元的討論,如何解讀「響鈴板」打擊聲音的特徵?主要的量測與分析步驟統整如下:

 

1.      聲音量測(sound measurement):採用「麥克風(microphone)當作感測器(sensor),透過頻譜分析儀(FFT Analyzer)量取聲音的時間波形(time waveform)

2.      時頻分析(time-frequency analysis):可以得到聲音壓力時間域波形圖 (time waveform)時間域聲音壓力位準(響度) (sound pressure level)頻譜圖 (spectrum)時頻圖 (spectrogram)等。

3.      頻譜分析(spectral analysis):可以精準分析得到「聲音頻譜」,以瞭解實際的「發聲頻率」。同時可以區別出「基音頻率(fundamental frequency)和「泛音頻率(overtone frequencies)

4.      衰減率分析(decay rate analysis):以 𝑒^(−𝜎𝑡),「指數函數(exponential function),探討「衰減率𝜎 的特徵。

 

最後,「響鈴板」打擊聲音的特徵,怎麼看呢?可以從三個角度來說明:

 

1.      音準(pitch):第一個「峰值頻率」就是「基音頻率」,在此f2=1049 Hz,與「音階標準頻率C6=1046.5 Hz,很相近,頻率誤差在0.34 %以內,所以,「音準」是正確的。

2.      音色(tone color, tonality):就是除了「基音頻率」之外,不同的「泛音頻率」組成,也就是所有的「發聲頻率」。

3.      持續度(continuity):也就是響鈴板」打擊聲音的衰減」特性,可由「衰減率分析」得到「衰減率𝜎=0.3,「衰減率」越小,聲音的持續度就越久。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2021.12.07

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【振動噪音產學技術聯盟】2021年回顧&祝福各位先進新年快樂


        2021年即將過去,非常感謝各界先進這一年來對聯盟的支持與愛護!今年度聯盟辦理3ISO 18436-2 CAT II國際振動分析師培訓與認證課程,共培訓25位學員;並於今年六月通過財團法人全國認證基金會(TAF)測試實驗室監督評鑑,以維持實驗室能力與品質。2022年聯盟將持續於緩衝材「動態剛性」測試服務與培育「國際振動分析師」二大方向,持續精進實驗室技術、充實教材內容及落實品質管理政策,提供可靠、正確及公正的測試結果,秉持服務、創新、深耕、傳承的精神,展現振動噪音科技領域測試與教學能量。

在此聯盟祝各位先進新年快樂!虎年大吉!