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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:楊鎧綸
研究生(外文):Kai-Lun Yang
論文名稱:希爾伯特-黃轉換法之拍頻分析於結構損傷鑑定上的應用
論文名稱(外文):The Applications of Beat Frequency Analysis by Hilbert-Huang Transform on the Evaluation of Minor Structural Damages
指導教授:俞肇球
指導教授(外文):Chau-Cho Yu
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄大學
系所名稱:土木與環境工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:183
中文關鍵詞:希爾伯特-黃轉換法拍擊現象結構損傷鑑定
外文關鍵詞:Hilbert-Huang TransformBeating PhenomenonStructural Damage Evaluation
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傳統上,結構損傷非破壞檢測,大都應用快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform),但損傷不大時,單純以快速傅立葉轉換分析,結果受端點效應影響很大,通常需以小波輔助,尤其對暫態訊號或非線性系統訊號,較難得到很好的效果。本文對結構之振動訊號求其包絡線進行希爾伯特-黃轉換法(Hilbert-Huang Transform-HHT)來分析拍擊現象(Beating),藉拍擊現象的變化來鑑定結構小損傷。
本研究以懸臂單自由度結構為測試模型,透過微小振動及頻率的差異來產生拍擊現象,並在單擺頂端放置質強力磁鐵來代表損傷,藉希爾伯特-黃轉換法中的希爾伯特頻譜分析(Hilbert spectral analysis)來測出拍擊現象產生之拍頻頻率(Beat Frequency)。本文並比較了傅立葉轉換及藉希爾伯特-黃轉換兩種方法所得出的結果。由於結構振動頻率不高、損傷很小,且伴隨雜訊,以至於拍擊現象並不明顯易見。分析發現,將原訊號求其瞬時振幅,瞬時振幅在本研究中的功能類似原始訊號之上包絡線,直接含有拍頻資訊在內,可由此展開分析,因此對瞬時振幅作希爾伯特-黃轉換法,希爾伯特-黃轉換法中的經驗模態分解法,有效濾除了非拍擊現象產生之訊號。將經驗模態分解求出的分量做希爾伯特轉換,透過希爾伯特頻譜圖能辨識出微小的頻率變化,也因而使未來在結構損傷鑑定上的應用變得可行。
The present study is to develop a signal-processing model for non-destructive evaluation of the minor structural damage. Through Hilbert-Huang Transform, the instant amplitude of an acceleration time history was decomposed and analyzed. Beat frequencies are identified in both Fourier and Hilbert spectra and compared to the theoretical values. A cantilever beam with lump mass is employed as an example. The relation between the differences in beat frequencies and the level of structural damages is developed. Study shows that Fourier results have higher quality of repeatability, yet the results of Hilbert-Huang Transform method are closer to the theoretical value.
致謝...................................................................................................................I
目錄..................................................................................................................II
表目錄..............................................................................................................V
圖目錄...........................................................................................................VII
中文摘要......................................................................................................XVI
ABSTRACT................................................................................................XVII
第一章 緒論..................................................................................................1
1.1 研究動機.............................................................................................1
1.2 研究背景.............................................................................................3
第二章 文獻回顧..........................................................................................5
2.1 拍擊現象.............................................................................................5
2.2 快速傅立葉轉換法.............................................................................7
2.3 希爾伯特-黃轉換法............................................................................9
2.3.1 經驗模態分解法.......................................................................10
2.3.2 希爾伯特轉換法.......................................................................13
2.3.3 希爾伯特頻譜分析法...............................................................14
第三章 實驗方法.........................................................................................15
3.1 實驗及研究流程介紹........................................................................15
3.2 儀器配置............................................................................................17
3.3 實驗設置............................................................................................17
3.4 實驗儀器介紹....................................................................................18
第四章 實驗方法與分析結果討論.............................................................21
4.1 無損傷自由振動實驗........................................................................21
4.1.1 實驗方法...................................................................................22
4.1.2 數據及結果分析.......................................................................22
4.2 無損傷強制定頻振動實驗................................................................23
4.2.1 5.9Hz無損傷強制定頻振動實驗.............................................23
4.2.1.1 實驗方法............................................................................23
4.2.1.2 實驗結果............................................................................24
4.2.1.3 分析及討論........................................................................25
4.2.2 6.0Hz無損傷強制定頻振動實驗.............................................25
4.2.2.1 實驗方法............................................................................25
4.2.2.2 實驗結果............................................................................25
4.2.2.3 分析及討論........................................................................26
4.3 帶損傷自由振動實驗........................................................................27
4.3.1 實驗介紹...................................................................................27
4.3.2 實驗數據...................................................................................27
4.3.3 實驗分析及討論.......................................................................28
4.4 損傷前後強制定頻振動實驗............................................................29
4.4.1 實驗方法...................................................................................29
4.4.2 結構強制定頻振動50秒、磁鐵1.98g數據.........................30
4.4.3 結構強制定頻振動50秒、磁鐵4.25g數據.........................31
4.4.4 結構強制定頻振動50秒、磁鐵5.61g數據.........................32
4.4.5 結構強制定頻振動50秒、磁鐵6.23g數據.........................33
4.4.6 結構強制定頻振動50秒、磁鐵13.11g數據.......................34
4.4.7 結構強制定頻振動50秒、磁鐵18.72g數據.......................35
4.4.8 結構強制定頻振動50秒、磁鐵22.97g數據.......................36
4.4.9 結構強制定頻振動50秒、磁鐵24.95g數據.......................37
4.4.10 結構強制定頻振動50秒、磁鐵30.15g數據.....................38
4.4.11 實驗分析及討論.....................................................................39
4.5 比較9組磁鐵之FFT與HHT分析損傷前後拍頻之結果...............40
第五章 結論.................................................................................................41
參考文獻.........................................................................................................43










表目錄
表4.1、結構之自由振動實驗數據 52
表4.2、5.9Hz無損傷結構強制定頻振動實驗所得之拍頻 53
表4.3、6.0Hz無損傷結構強制定頻振動實驗所得之拍頻 53
表4.4、磁鐵1.98g之帶損傷自由振動實驗數據 54
表4.5、磁鐵4.25g之帶損傷自由振動實驗數據 55
表4.6、磁鐵5.61g之帶損傷自由振動實驗數據 56
表4.7、磁鐵6.23g之帶損傷自由振動實驗數據 57
表4.8、磁鐵13.11g之帶損傷自由振動實驗數據 58
表4.9、磁鐵18.72g之帶損傷自由振動實驗數據 59
表4.10、磁鐵22.97g之帶損傷自由振動實驗數據 60
表4.11、磁鐵24.95g之帶損傷自由振動實驗數據 61
表4.12、磁鐵30.15g之帶損傷自由振動實驗數據 62
表4.13、帶損傷頻譜振幅-自然頻率關係式 63
表4.14、結構強制定頻振動50秒、磁鐵1.98g求拍頻 64
表4.15、結構強制定頻振動50秒、磁鐵4.25g求拍頻 65
表4.16、結構強制定頻振動50秒、磁鐵5.61g求拍頻 66
表4.17、結構強制定頻振動50秒、磁鐵6.23g求拍頻 67
表4.18、結構強制定頻振動50秒、磁鐵13.11g求拍頻 68
表4.19、結構強制定頻振動50秒、磁鐵18.72g求拍頻 69
表4.20、結構強制定頻振動50秒、磁鐵22.97g求拍頻 70
表4.21、結構強制定頻振動50秒、磁鐵24.95g求拍頻 71
表4.22、結構強制定頻振動50秒、磁鐵30.15g求拍頻 72
表4.23、損傷前拍頻分析方法比較 73
表4.24、損傷後拍頻分析方法比較 75
表4.25、損傷後減損傷前拍頻分析方法比較 77


圖目錄
圖2.1、HHT分析流程 79
圖3.1、研究流程圖 80
圖3.2、儀器操作流程圖 81
圖3.3、儀器配置圖 82
圖3.4、實驗設置示意圖 83
圖3.7、磁鐵重量5.61g 84
圖3.6、磁鐵重量4.25g 84
圖3.5、磁鐵重量1.98g 84
圖3.9、磁鐵重量13.11g 85
圖3.10、磁鐵重量18.72g 85
圖3.8、磁鐵重量6.23g 85
圖3.11、磁鐵重量22.97g 86
圖3.12、磁鐵重量24.95g 86
圖3.13、磁鐵重量30.15g 86
圖3.14、懸臂單自由度結構圖 87
圖3.15、加速度計MMF-KS80D 尺寸圖 87
圖3.16、加速度計MMF-KS80D 88
圖3.17、MMF-訊號調節器 88
圖3.18、MMF-訊號調節器 89
圖3.19、PICO ADC ADC-216 VIRTUAL INSTRUMENT 89
圖3.20、加速度計、訊號調節器及資料擷取器使用 90
圖3.21、GLX多頻道圖形主機 90
圖3.22、GLX主機專用功率放大器 91
圖3.23、SF-9324簡諧驅動器 91
圖4.1、無損傷自由振動加速度歷時圖 92
圖4.2、無損傷自由振動加速度歷時圖 93
圖4.3、無損傷自由振動加速度歷時圖 94
圖4.4、結構自由振動頻譜數列圖 95
圖4.5、頻譜振幅-自然頻率關係圖 95
圖4.6、第一次實驗 5.9Hz強制定頻振動加速度歷時圖 96
圖4.7、FFT頻譜圖 96
圖4.8、訊號與瞬時振幅曲線圖 96
圖4.9、EMD後所得的IMF1~IMF5 97
圖4.10、訊號經EMD後所得的IMF6~殘值 98
圖4.11、希爾伯特頻譜圖 99
圖4.12、0.1Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 99
圖4.13、第一次實驗 6.0Hz強制定頻振動加速度歷時圖 100
圖4.14、FFT頻譜圖 100
圖4.15、訊號與瞬時振幅曲線圖 100
圖4.16、EMD後所得的IMF1~IMF4 101
圖4.17、EMD後所得的IMF5~IMF8 102
圖4.18、EMD後所得的IMF9~殘值 103
圖4.19、希爾伯特頻譜圖 104
圖4.20、0.1Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 104
圖4.21、帶損傷自由振動加速度歷時圖 105
圖4.22、帶損傷自由振動加速度歷時圖 106
圖4.23、帶損傷自由振動加速度歷時圖 107
圖4.24、帶損傷自由振動加速度歷時圖 108
圖4.25、帶損傷自由振動加速度歷時圖 109
圖4.26、帶損傷自由振動加速度歷時圖 110
圖4.27、帶損傷自由振動加速度歷時圖 111
圖4.28、帶損傷自由振動加速度歷時圖 112
圖4.29、帶損傷自由振動加速度歷時圖 113
圖4.30、帶損傷自由振動加速度歷時圖 114
圖4.31、帶損傷自由振動加速度歷時圖 115
圖4.32、帶損傷自由振動加速度歷時圖 116
圖4.33、帶損傷自由振動加速度歷時圖 117
圖4.34、帶損傷自由振動加速度歷時圖 118
圖4.35、帶損傷自由振動加速度歷時圖 119
圖4.36、帶損傷自由振動加速度歷時圖 120
圖4.37、帶損傷自由振動加速度歷時圖 121
圖4.38、帶損傷自由振動加速度歷時圖 122
圖4.39、帶損傷自由振動加速度歷時圖 123
圖4.40、帶損傷自由振動加速度歷時圖 124
圖4.41、帶損傷自由振動加速度歷時圖 125
圖4.42、磁鐵1.98g~5.61g FFT頻譜圖 126
圖4.43、磁鐵6.23g~18.72g FFT頻譜圖 126
圖4.44、磁鐵22.97g~30.15g FFT頻譜圖 127
圖4.45、帶損傷頻譜振幅-自然頻率關係圖 127
圖4.46、第一次實驗 磁鐵1.98g振動加速度歷時圖 128
圖4.47、磁鐵1.98g FFT頻譜圖 128
圖4.48、磁鐵1.98g 瞬時振幅曲線與原訊號訊號圖 128
圖4.49、EMD後所得的IMF1~IMF4 129
圖4.50、EMD後所得的IMF5~IMF8 130
圖4.51、EMD後所得的IMF9~殘值 131
圖4.52、希爾伯特頻譜圖 132
圖4.53、0.14Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 132
圖4.54、第一次實驗 磁鐵4.25g 振動加速度歷時圖 133
圖4.55、磁鐵4.25g FFT頻譜圖 133
圖4.56、磁鐵4.25g 瞬時振幅曲線與原訊號訊號圖 133
圖4.57、EMD後所得的IMF1~IMF5 134
圖4.58、EMD後所得的IMF6~殘值 135
圖4.59、希爾伯特頻譜圖 136
圖4.60、0.1Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 136
圖4.61、第一次實驗 磁鐵5.61g振動加速度歷時圖 137
圖4.62、磁鐵5.61gFFT頻譜圖 137
圖4.63、磁鐵5.61g瞬時振幅曲線與原訊號訊號圖 137
圖4.64、EMD後所得的IMF1~IMF5 138
圖4.65、EMD後所得的IMF6~殘值 139
圖4.66、希爾伯特頻譜圖 140
圖4.67、0.1Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 140
圖4.68、第一次實驗 磁鐵6.23g振動加速度歷時圖 141
圖4.69、磁鐵6.23gFFT頻譜圖 141
圖4.70、磁鐵6.23g瞬時振幅曲線與原訊號訊號圖 141
圖4.71、EMD後所得的IMF1~IMF5 142
圖4.72、EMD後所得的IMF6~殘值 143
圖4.73、希爾伯特頻譜圖 144
圖4.74、0.1Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 144
圖4.75、第一次實驗 磁鐵13.11g振動加速度歷時圖 145
圖4.76、磁鐵13.11gFFT頻譜圖 145
圖4.77、磁鐵13.11g瞬時振幅曲線與原訊號訊號圖 145
圖4.78、EMD後所得的IMF1~IMF5 146
圖4.79、EMD後所得的IMF6~殘值 147
圖4.80、希爾伯特頻譜圖 148
圖4.81、0.2Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 148
圖4.82、第一次實驗 磁鐵18.72g振動加速度歷時圖 149
圖4.83、磁鐵18.72gFFT頻譜圖 149
圖4.84、磁鐵18.72g瞬時振幅曲線與原訊號訊號圖 149
圖4.85、EMD後所得的IMF1~IMF5 150
圖4.86、EMD後所得的IMF6~殘值 151
圖4.87、希爾伯特頻譜圖 152
圖4.88、0.2Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 152
圖4.89、第一次實驗 磁鐵22.97g振動加速度歷時圖 153
圖4.90、磁鐵22.97gFFT頻譜圖 153
圖4.91、磁鐵22.97g瞬時振幅曲線與原訊號訊號圖 153
圖4.92、EMD後所得的IMF1~IMF5 154
圖4.93、EMD後所得的IMF6~殘值 155
圖4.94、希爾伯特頻譜圖 156
圖4.95、0.25Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 156
圖4.96、第一次實驗 磁鐵24.95g振動加速度歷時圖 157
圖4.97、磁鐵24.95gFFT頻譜圖 157
圖4.98、磁鐵24.95g瞬時振幅曲線與原訊號訊號圖 157
圖4.99、EMD後所得的IMF1~IMF5 158
圖4.100、EMD後所得的IMF6~殘值 159
圖4.101、希爾伯特頻譜圖 160
圖4.102、0.25Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 160
圖4.103、第一次實驗 磁鐵30.15G振動加速度歷時圖 161
圖4.104、磁鐵30.15gFFT頻譜圖 161
圖4.105、磁鐵30.15g瞬時振幅曲線與原訊號訊號圖 161
圖4.106、EMD後所得的IMF1~IMF5 162
圖4.107、EMD後所得的IMF6~殘值 163
圖4.108、希爾伯特頻譜圖 164
圖4.109、0.3Hz範圍之希爾伯特頻譜圖 164
圖4.110、損傷前拍頻分析方法比較圖 165
圖4.111、損傷後拍頻分析方法比較圖 165
圖4.112、損傷後減損傷前拍頻分析方法比較圖 166
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