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《振動噪音科普專欄》怎麼看「等響度曲線」?


每一本介紹噪音的教科書,都會看到「等響度曲線」(Loudness Contour)這張圖示,甚麼是響度(Loudness)?甚麼是等響度(equal Loudness)?響度的物理意義?等響度的物理意義?跟響度有甚麼差別呢?為什麼圖示水平軸頻率的座標不是線性的(linear),而是對數的(logarithmic)?為什麼垂直軸要採用dB的單位?

這個單元就針對圖示的「等響度曲線」來進行說明,分項討論如下:

1.          「等響度曲線」:圖示有0~90的等響度曲線,每一條曲線,代表有相同的「響度」(Loudness),響度單位為Phon,中文寫成「(ㄈㄥˇ)
2.          水平軸:是頻率軸,以Hz為單位。最低及最高頻率分別為2020k=20,000Hz,是一般認定人耳可聽到的聲音頻率範圍(audible frequency range)。圖示中以藍色圈標示的頻率,從31.5631252505001k2k4k8k16k,稱為「八音頻帶」(octave band)的「中心頻率」(central frequency),可以看到兩兩個頻率是呈倍數的比例。在每兩個中心頻率之間,又都有兩個頻率值,在頻率軸上,所觀察到的所有頻率,從202531.5、、到16k20k,稱為「三分之一八音頻帶」(1/3 octave band, one-third octave band)的中心頻率。頻率軸可以看出以「對數座標」(logarithmic scale)表示,因為人耳對聲音頻率的感覺是倍數的關係。
3.          垂直軸:是「聲音壓力位準」(sound pressure level, SPL),單位顯示為dB,在先前單元【為什麼噪音值是「分貝」?】已經有說明,是對一個「聲音壓力參考值」,Pref=20μPa,是1000Hz的純音時,當20μPa的聲音壓力值是人耳剛好可以聽到聲音的量值,所以就採用Pref=20μPa。在1,000Hz0 Phon位置,對應的「聲音壓力位準」為0 dB,注意的是0 dB,不是沒有聲音,是「聲音壓力」等於「聲音壓力參考值」,P=Pref。如果,P<PrefdB值會是負值;如果,P>PrefdB值就是正值。如果,P=10 PrefdB值剛好20,也就是「聲音壓力」每相差10倍,「聲音壓力位準」dB值差異是20dB
4.          0 Phon等響度曲線,也是「人耳聽力閥值曲線」:此閥值曲線是以「純音」(pure tone),也就是單一頻率的聲音撥放,逐漸增大音量,直到人耳可以聽到該聲音,所需要的聲音壓力大小,例如:100Hz的純音,人耳在20dB時,才聽得到此聲音。從「人耳聽力閥值曲線」(hearing threshold curve)可以看出人耳對低頻率的聲音較不靈敏,要比較大的音量才聽得見,在2kHz 4kHz附近,是人耳較靈敏的頻帶,接近-10 dB的音量大小,人耳就可聽見。
5.          10 Phon等響度曲線:在1,000Hz的純音,當音量調到10dB時,人耳聽到此聲音的感覺,恰好是1,000Hz純音,音量0 dB的兩倍響度的感覺;也就是10 Phon響度,是0 Phon響度,有兩倍響度的感覺。要取得10 Phon等響度曲線,同樣是依序撥放不同頻率的純音,慢慢調大音量,使得人耳聽到的響度與1,000Hz純音,音量10 dB的響度相同,就取得了10 Phon的等響度曲線。例如:200Hz純音,25dB的聲音,與1,000Hz純音,音量10 dB的聲音,兩者有相同的響度;餘此類推。
6.          0,10,20,…,90 Phon等響度曲線:也就是依照前述,以不同頻率之純音,對人耳做純音的聽感測試,會有相同響度的感覺,就是「等響度曲線」的意義。圖示曲線只顯示到90 Phon的等響度曲線,還有100110 Phon的等響度曲線。在此補充,20 Phon10 Phon的兩倍響度,而10 Phon0 Phon的兩倍響度,所以,20 Phon0 Phon4倍響度;餘此類推。
7.          40 Phon等響度曲線:是接近「A加權聲音壓力位準」(A-weighted SPL)的頻率加權函數曲線,因為人耳對不同頻率,有不同響度的聽覺感受,所以,取40 Phon等響度曲線,作為A加權的頻率加權函數,這樣的A加權處理方式,在使得量測到的不同頻率之音量大小,可以調整到人耳對各頻率的聽感之響度是相同的。至於如何取得考量頻率效應的「聲音壓力位準」的分貝值dB,或是「A加權聲音壓力位準」的分貝值dB(A),我們再另闢單元討論。

到這裡,我們從「等響度曲線」的圖示,觀察到許多聲音的背景知識,特別是了解到人耳對不同頻率的純音之聽覺感受,簡要的綜合如下:

1.          在頻率之水平軸,呈現「對數座標」,因為人耳對聲音頻率的感覺,是倍數的關係,在先前單元【音階標準頻率】,就提到音樂的音階頻率,人們對於音高頻率的聽感是倍數的感覺,而「半音」音階的頻率比剛好是21/12次方=1.059463
2.          在垂直軸的「聲音壓力位準」,代表音量的大小,單位為dB。會採用dB的單位,是因為實際的聲音物理量,在先前單元【代表聲音的物理量是甚麼?】討論過,已知是「聲音壓力」,單位Pa。但是,聲音壓力的量值大小,與人耳聽覺感受,並沒有明顯的對應關係。如果,以dB來表示聲音大小,以1000Hz的純音而言,音量大小相差10dB,就大約是兩倍響度的差異。所以音量大小都以dB來表示,容易感受聲音的量值範圍。
3.          知道如何取得「等響度曲線」,就可以知道:「0 Phon等響度曲線」,也就是「人耳聽力閥值曲線」(hearing threshold curve)
4.          A加權聲音壓力位準」是參考「40 Phon等響度曲線」,設定其頻率加權函數,以實際所量測的聲音頻譜,考量了人耳對不同頻率聽感的頻率加權處理,而求得dB(A)是「A加權聲音壓力位準」,我們再另闢單元討論。

本文由「等響度曲線」的圖示,來看人耳對不同頻率的純音之聽覺感受,希望對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.04.04






【活動資料下載】2018.04.16--「2018振動噪音實驗與分析技術研討會」簡報檔《彰師大》

「2018振動噪音實驗與分析技術研討會」簡報檔

《彰師大》



1.彰化師範大學黃宜正教授 – 利用加速規進行螺帽預壓與預拉之預診機器學習→簡報檔下載
2.山衛科技吳孝文教授 – 聲音品質介紹→簡報檔下載
3.中原大學 張政元教授 – 主動式噪音與振動控制應用契機→簡報檔下載
4.妙點企業 葉彰和總經理 – 振動記錄器的選擇與應用→簡報檔下載
5.振噪聯盟 李晉瑜專員 – 應用振動噪音量測軟體於建築樓板緩衝材動態剛性測定→簡報檔下載
6.中央大學 吳育仁教授 – 齒輪箱及壓縮機之動載分析模型建立與振動響應預測→簡報檔下載
7.皮托科技 楊棟焜處長 – 雲端模擬計算應用在振動噪音分析→簡報檔下載
8.車測中心 李建興課長 – 車用次系統/零組件NVH診斷與分析
9.虎門科技 陳懋國博士 – CAE模擬在土木工程上的應用→簡報檔下載
10.中興大學 陳任之教授 – 模擬分析實務、常見問題與未來趨勢
11.謙達科技 江明輝技術長 – 在工業4.0裡振動在設備不可靠度管理之角色→簡報檔下載
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→簡報檔下載


*簡報檔下載說明:簡報檔業經主講人同意公開,方能下載。
*為保護講者智慧財產權,簡報檔提供為4頁pdf檔呈現。


活動報導連結
聯盟粉絲團連結
聯盟粉絲團報導連結

【活動報導】2018振動噪音實驗與分析技術研討會


【振動噪音產學技術聯盟】於20180416日假國立彰化師範大學辦理
2018振動噪音實驗與分析技術研討會」第一場次。

研討會開始,首先由聯盟中部據點召集人黃宜正教授代表致歡迎詞,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五年,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,與彰化師範大學協助聯盟共同辦理「2018振動噪音實驗與分析技術研討會」之第一場次。
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.
彰化師範大學黃宜正教授 利用加速規進行螺帽預壓與預拉之預診機器學習 
2.山衛科技吳孝文教授 聲音品質介紹
3.中原大學 張政元教授 主動式噪音與振動控制應用契機 
4.妙點企業 葉彰和總經理 振動記錄器的選擇與應用 
5.振噪聯盟 李晉瑜專員 應用振動噪音量測軟體於建築樓板緩衝材動態剛性測定
6.中央大學 吳育仁教授 齒輪箱及壓縮機之動載分析模型建立與振動響應預測 
7.皮托科技 楊棟焜處長 雲端模擬計算應用在振動噪音分析 
8.車測中心 李建興課長 車用次系統/零組件NVH診斷與分析

9.虎門科技 陳懋國博士 – CAE模擬在土木工程上的應用 
10.中興大學 陳任之教授 模擬分析實務、常見問題與未來趨勢 

11.謙達科技 江明輝技術長 在工業4.0裡振動在設備不可靠度管理之角色 
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
簡報檔下載
*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】、【皮托科技股份有限公司】、【謙達科技工程有限公司】、【妙點企業股份有限公司】以及【山衛科技股份有限公司】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。

2018振動噪音實驗與分析技術研討會第一場次於彰師大順利圓滿閉幕。
以下為活動花絮: 



彰化師範大學黃宜正教授 – 利用加速規進行螺帽預壓與預拉之預診機器學習


山衛科技吳孝文教授 – 聲音品質介紹


中原大學 張政元教授 – 主動式噪音與振動控制應用契機 


妙點企業 葉彰和總經理 – 振動記錄器的選擇與應用 


振噪聯盟 李晉瑜專員 – 應用振動噪音量測軟體於建築樓板緩衝材動態剛性測定


中央大學 吳育仁教授 – 齒輪箱及壓縮機之動載分析模型建立與振動響應預測


皮托科技 楊棟焜處長 – 雲端模擬計算應用在振動噪音分析 


車測中心 李建興課長 – 車用次系統/零組件NVH診斷與分析


虎門科技 陳懋國博士 – CAE模擬在土木工程上的應用 


中興大學 陳任之教授 – 模擬分析實務、常見問題與未來趨勢


謙達科技 江明輝技術長 – 在工業4.0裡振動在設備不可靠度管理之角色


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



虎門科技展示攤位


妙點企業展示攤位


謙達科技展示攤位 


基太克展示攤位


皮托科技展示攤位


山衛科技股份有限公司 


聯盟展示攤位



《振動噪音科普專欄》樂器如何分類?


在談聲音與振動、或振動與噪音,或許可以從常見的各種樂器來理解與討論聲音的產生機制。而各種樂器分類的其中一種方式,就是從樂器本身其產生聲音的機制來做分類,這個單元就從聲音產生機制,來看樂器的分類。

先前的單元:【康熙字典怎麼解釋【聲】(sound)?】、以及【聲音如何產生?】,分別探討了聲音產生的物理現象,摘錄如下:

聲者,形氣相軋而成:
1.          兩氣:flow to flow interaction
2.          兩形:structure to structure interaction
3.          形軋氣:structure vibration inducing flow interaction
4.          氣軋形:flow passing structure

聲音的發聲機制,可以從SPR來說明:

1.          SSource,聲音的音源、或是振動的振動源。常見的激振源,如:力的形式、或是氣體流動的壓力波。
2.          PPath,路徑,就是傳播路徑,又可以解構成兩個路徑:一是structural path結構路徑,一是air path空氣路徑。
3.          RReceiver,收受者,就是接收、感受到的聲音或振動,R也可視為Response,振動或聲音的響應、反應。

各種樂器有很多種的分類方式,這單元以樂器的發聲機制來看,可以概分為以下幾種【https://en.wikipedia.org/wiki/Musical_instrument_classification

1.          Idiophone 體鳴樂器:三角鐵、銅鑼、鐵琴等打擊樂器,是因為其結構體的振動所產生的聲音,而且是透過打擊方式所產生的振動與聲音。也有體鳴樂器是透過摩擦、撥動等引發結構體的振動,而產生的聲音。
2.          Membranophone 膜鳴樂器membrane是薄膜,所以稱為膜鳴樂器,像是爵士鼓、大鼓、定音鼓等,是以如皮革的薄膜結構所製作的樂器,透過薄膜結構的振動,進而發出聲音。大都是以打擊方式,敲擊薄膜結構,產生振動及引發聲音。也有以氣流方式流過薄膜,進而引發振動與聲音,如拿起樹葉吹氣,就會引起樹葉薄膜結構的振動,而產生聲音。
3.          Chordophone 弦鳴樂器chord是弦、線,也就是以弦線振動進而引發的聲音,通常還會有音箱的設計,藉以放大弦線結構的振動響應,有較大的聲音產出。小提琴、吉他、二胡、古箏等弦樂器,就是弦鳴樂器。而,鋼琴其實也是弦鳴樂器之一,只是以打擊方式敲擊琴弦產生振動而發出聲音。
4.          Aerophone 氣鳴樂器aero是氣體的意思,也就是由氣體流動引發的聲音,如薩克斯風、長笛、黑管、口琴等管樂器,由於氣體流動於結構路徑的長短、或孔隙大小,而有不同高低音階。

本文藉由發聲機制的角度看樂器的分類,有興趣的讀者可以嘗試就以上分類的各種樂器,再由康熙字典對【聲】的解釋:形氣相軋而成,由兩氣」、「兩形」、「形軋氣」、「氣軋形」的四種發聲機制,對應一下所熟悉的樂器是哪一種?

另外,也可以由SPRSource-Path-Receiver,解讀一下不同樂器的聲音產生與傳播方式。

希望本文的討論對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.03.23