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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李育鴻
論文名稱:聲波分析應用於手持工具的耐久及損壞監測之研究
指導教授:沈志雄沈志雄引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:53
中文關鍵詞:麥克風頻譜分析快速傅立葉棘輪扳手
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單一感測器在產品測試上使用的量測技術因使用環境因素,常有較高誤判率,如棘輪扳手之類的手持工具。本研究之目的是以實驗方法探討利用電容麥克風收集手工具在應力測試當中發出之特定聲頻,以瞭解物體在測試過程中使用原有的感應器所無法呈現之細微變化。
實作上所設計的放大電路,將於內文作介紹;經軟體繪製的電容麥克風放大電路、電路板的實作、實驗,針對其方塊架構、電路架構等分析及利用聲頻分析進行資料擷取並使用快速傅立葉轉換成聲壓大小與頻率的關係。
由實驗可知,聲頻分析技術能偵測到損壞,輔助原有的感應器做出損壞判定,提高實驗結果的正確性,故聲頻分析技術輔助棘輪扳手測試判定應力損壞是可具發展性。

To use a single sensor measurement technique on hand held tools like ratchet handle for failure detecting usually affected by environment then cause higher false rate. The thesis is to develop a method to detect the specified audio frequency by microphone when hand tools were stress tested then to compare and understand the difference when current sensors were used.
The content introduced the amplifier circuit, layout of the circuit board and the experimental process; then analysis the block structure and circuit architecture. We used audio analysis technique to acquire the data and Fast Fourier transform to transfer it into sound pressure magnitude and frequency.
From the experiment, the audio analysis technique can be aided with current sensors to detect the damage and improve the accuracy; so the audio analysis aided technique can be developed for ratchet handle stress failure analysis.

目錄
摘要 I
ABSTRACT II
謝誌 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機 2
1-3 文獻回顧 5
1-4 論文大綱 7
第二章 聲頻感測與分析原理介紹 9
2-1 電容麥克風構造與原理 9
2-2 靈敏度 10
2-3 頻率響應 11
2-4 聲音的強度 12
2-5 聲音頻譜分析 14
2-6 快速傅立葉變換 14
第三章 實驗方法與步驟 16
3-1 實驗元件與設備 16
3-2 麥克風夾具設計與製作 18
3-3 放大電路製作與測試 20
3-3-1 放大電路製作 20
3-3-2 放大電路測試 22
3-4 Audacity音頻分析軟體 24
3-5 扭力循環試驗機 24
3-6 實驗流程 25
3-7 實驗方式 27
第四章 實驗結果與分析 31
第五章 結論與未來研究方向 51
參考文獻 52
表目錄
表 2-1 聲源能量x與聲壓√x 與聲音分貝數10 log10 x的正比關係之對照表[8] 13
表 3-1 PVM-4FT電容式麥克風資料表[11] 16
表 3-2 放大電路主要電子零件表 21
表 4-1 樣品編號1對應扭力圖A段的音量比較表 34
表 4-2 樣品編號1對應扭力圖B段的音量比較表 36
表 4-3 樣品編號1對應扭力圖C段的音量比較表 38
表 4-4 樣品編號1對應扭力圖D段的音量比較表 40
表 4-5 樣品編號2對應扭力圖A段的音量比較表 44
表 4-6 樣品編號2對應扭力圖B段的音量比較表 46
表 4-7 樣品編號2對應扭力圖C段的音量比較表 48
表 4-8 樣品編號2對應扭力圖D段的音量比較表 50

圖目錄
圖 1-1 音波頻率範圍 1
圖 1-2 一般市售的扭力試驗機[1] 3
圖 1-3 棘輪手工具有明顯損壞之處 3
圖 1-4 棘輪手工具有明顯破裂 4
圖 1-5 棘輪手工具外殼較不明顯破裂 4
圖 2-1 各式電容麥克風[4] 9
圖 2-2 電容麥克風內部構造[5] 9
圖 2-3 電容式麥克風運作圖[6] 10
圖 2-4 電容式(上)與動圈式(下)的頻率響應比較[7] 12
圖 2-5 將聲音頻譜的時域分解成頻域[9] 14
圖 3-1 電容式麥克風 17
圖 3-2 1/2 英吋,72齒可切換正逆轉之棘輪手工具 17
圖 3-3 使用AutoCAD設計夾具 18
圖 3-4 夾具尺寸設計圖 18
圖 3-5 使用銑床加工6061鋁材 19
圖 3-6 製做完成的夾具 19
圖 3-7 麥克風電訊號放大電路圖 20
圖 3 8 尚未焊接的電子零件與基板 21
圖 3-9 麥克風訊號放大電路 22
圖 3-10 利用電腦LINE IN接收訊號測試電路 22
圖 3-11 電腦螢幕顯示有收到訊號 23
圖 3-12 麥克風電放大電路實體完成圖 23
圖 3-13 Audacity音頻分析軟體[12] 24
圖 3-14 扭力循環試驗機 25
圖 3-15 麥克風與夾具組合 25
圖 3-16 夾具結合麥克風與棘輪扳手 26
圖 3-17 安裝到扭力循環測試機 26
圖 3-18 樣品編號1 28
圖 3-19 樣品編號2 28
圖 3-20 每一循環為4秒, 圖形擷取3.5秒的時序扭力圖,A段為棘輪間 29
圖 3-21 手動選擇與時序扭力圖相對應時間段落的FFT 30
圖 4-1 樣品編號1在棘爪破裂前後的扭力圖 31
圖 4-2 樣品編號1在棘爪破裂前後的dB圖明顯不同 32
圖 4-3 樣品編號1對應扭力圖A段的FFT比較 33
圖 4-4 樣品編號1對應扭力圖B段的FFT比較 35
圖 4-5 樣品編號1對應扭力圖C段的FFT比較 37
圖 4-6 樣品編號1對應扭力圖D段的FFT比較 39
圖 4-7 樣品編號2外殼破裂前後的扭力圖 41
圖 4-8 樣品編號2外殼破裂前後的dB圖有明顯差異 42
圖 4-9 樣品編號2對應扭力圖A段的FFT比較 43
圖 4-10 樣品編號2對應扭力圖B段的FFT比較 45
圖 4-11 樣品編號2對應扭力圖C段的FFT比較 47
圖 4-12 樣品編號2對應扭力圖D段的FFT比較 49



[1] 引自於”品保科技試驗儀器
http://www.pinbaotw.com/uploadfile/201011113292824419.jpg”
[2] 張志宏, “應用加速規、麥克風和高速攝影機量測機械系統訊號之振動頻 譜分析” 國立成功大學航空太空工程碩士論文, 2009年.
[3] 陳興, “量測用麥克風”,機械月刊,vol.22,第3期, pp.288-272, 1988年.
[4] 引自於”祥昌電子
http://www.sconline.com.tw/products/product.php?id_product=102170003”
[5] 引自於”EM-56A 剖視圖
http://www.capmic.com.tw/cross%20section.bmp”
[6] 引自於”維基百科-麥克風
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Mic-condenser.PNG
[7] 引自於”維基百科-頻率響應
http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Oktava319vsshuresm58.png”
[8] 引自於”維基百科-分貝
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%88%86%E8%B2%9D
[9] 引自於”維基百科-頻譜http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f1/Voice_waveform_and_spectrum.png”
[10] 中華民國音響學會,臺灣‧新北市勞工安全衛生研究所第二十四屆學術研討會論文集,“快速傅立葉轉換即時分析聲頻及聲壓”, 4-5, 2011年.
[11] 引自於”特勝力材料 http://www.100y.com.tw/pdf_file/PVM-4FT.pdf”
[12] 引自於” Audacity
http://audacity.sourceforge.net/about/images/audacity-windows.png”

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