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振動問題的種類與範圍

任何對於振動問題的研究,皆不脫離定義激振 (excitation) 、系統 (system) 以及響應 (response),並研究三者之間的關係。激振就是產生作用力以及能量的來源,響應是我們關心的位置在受到激振作用後的振動反應,系統則是從激振到響應之間力學波經過的物體範圍所在。

舉例來說,伺服器內的硬碟在承受特定頻率下過大的Rotational Vibration時,效能會大幅下降。在這樣的問題中,風扇是激振源,硬碟與機殼連接處的振動反應是響應,至於機殼及相關連接件就是系統。

再舉一例,手機在墜落地面瞬間,衝擊力可能會造成主機板上BGA晶片的錫球斷裂。在這樣的問題中,機殼與地面間的撞擊是激振,主機板上BGA晶片位置的振動反應是響應,而機殼、主機板及相關連接件就是系統。

由於力學波的特徵可以用振幅、頻率和相位來表述,因此激振和響應也可以用振幅、頻率和相位來表述。而激振與響應之間的關係,則可以由頻率響應函數 (FRF: frequency response function) 來定義,透過這個函數,我們便可以了解在哪個頻率之下,激振與響應之間的振幅倍率關係以及相位差關係。

若要完整地了解一個複雜系統的激振與響應之間的關係,就必須將該複雜系統解構 (system decomposition) 成為數個簡單子系統的連接,每個子系統的響應都會成為下一個子系統的激振。透過了解每一個子系統的頻率響應函數關係,我們才能精準地判斷,當系統整體響應過大時,是在哪一個子系統間發生了問題。當我們使用有限元素法 (FEM: finite element method) 對一個系統、子系統、甚至是單一元件進行動態分析時,用的其實就是相同的解構觀念。

就激振、系統與響應之間的關係研究而言,可以從幾個不同的角度來切入,第一種是系統特性分析問題 (system identification),另一種則是振動訊號分析問題 (signal analysis)。就從事系統設計的人而言,關心的是設計出來的系統,在承受幾種可能的激振時,會有甚麼樣的響應,這個問題就是所謂的系統特性分析問題。但就從事產品品質管控或是設備狀態監控的人而言,他們關心的並不是系統特性的問題,而是實際量測到的響應訊號是否正常的問題,這個問題就是所謂的振動訊號分析問題。因此,系統特性分析問題的目的即在於找出系統的動態特性,歸納出甚麼特性的激振會有甚麼特性的響應 (baseline),而分析出來的結果,就可以給從事振動訊號分析問題的人,作為訊號分析及判斷的基礎。至於振動訊號分析問題的目的,則在於找出實際量測到的響應的特徵與baseline有何差異,並判斷差異是否可以接受,及判斷差異發生的原因。

舉例來說,設計伺服器機殼機構的人,會想要知道他的設計安裝上散熱風扇後,硬碟安裝處的rotational vibration響應特性是如何,是不是在某些頻率下,振幅會有過大的情形。設計手機機構的人,也會想要知道他的設計在承受墜落瞬間的撞擊激振時,電路板上或機殼與螢幕面板連接處的響應特性是如何。設計工具機的人,也會想要知道他的設計在安裝上馬達、螺桿等機構元件後,加工處在承受這些機構件產生的激振時,會產生甚麼樣的響應特性。再者,作為設備母廠,如果為了要讓客戶可以在日後針對採購使用的設備進行設備狀態監控,則設備的設計者也需要知道在監控處的正常響應為何。以上所述,都包含在系統特性分析問題的範圍內,而分析出來的系統動態特性以及響應特性,就可以給從事振動訊號分析問題的人,作為訊號分析及判斷的基線 (baseline)。例如,從事工具機品質檢驗的人,他們就可以藉由實際取得的訊號與基線之間的差異,判斷工具機品質的好壞,甚至診斷 (diagnosis) 出異常的原因。從事設備狀態監控的人,他們也可以藉由實際取得的訊號與基線之間的差異,判斷設備狀態的好壞,進而診斷出異常的原因。

下圖說明了系統特性分析與振動訊號分析兩者之間的關係以及進行的流程。在這個流程之中,首先,負責模擬的人員利用CAE軟體,依據設計圖面或實物建立模擬模型,透過軟體的模擬運算以及實驗驗證,即可了解該物件的動態特性以及在某特定特性激振之下的響應特性。在實務上,模擬模型通常會從單一物件開始建立起,再逐步將獨立的單一物件,以適當的連結條件結合起來,過程之中,一樣要透過實驗驗證結合系統的模擬模型的正確性,最後得到系統的動態特性以及在某特定特性激振之下的響應特性,也就是所謂的基線。除了正常系統的基線可以透過這種方式得知,具有一些損壞特徵的系統的動態特性及響應特性也一樣可以透過這種方式得知。動態特性及響應特性的數據量可能非常龐大,但我們可以利用一些數學方法,將它們的特徵擷取出來 (feature extraction)。這些特徵會被儲存起來,而等到從事產品品管或設備狀態監控及診斷的人從待測產品或設備上擷取到訊號後,這些訊號的特徵就會被擷取出來,並與正常系統及具有一些損壞特徵的系統的動態特性特徵進行比對,進而得知待測產品的品質或是設備的狀態以及其可能發生的損壞特徵。

在許多情形下,模擬這條路是走不通的,系統過於複雜或是無法取得原始設計圖面都是可能的原因,當機器設備的使用者想要對其購買使用的設備進行振動狀態監控時,就經常會面對這種問題。在這種情形之下,透過長時間的實驗獲取正常系統以及具有一些損壞特徵的系統的動態特性及響應特性變成無法避免的一條路。但其差異性也僅止於此,之後的流程基本上與上述的流程是相同的。從下圖可看出這種方式的流程。


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