簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 曹嘉
Tsao, Chia
論文名稱: 國立成功大學校鐘之振動力學分析
Mechanical Vibration Analysis of National Cheng Kung University School Bell
指導教授: 褚晴暉
Chue, Ching-Hwei
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 103
中文關鍵詞: 成大校鐘3D建模振動聲學有限元素法成分分析
外文關鍵詞: NCKU School Bell, Solid Modeling, Vibration and Acoustics, Finite Element Method, Compositional Analysis
相關次數: 點閱:144下載:12
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 國立成功大學校鐘自1952年由聯勤總部兵工署鑄造完成,至今已為成大服務逾60載,為全台歷史最為悠久的校鐘之一,具有極大的文化與歷史價值。然而,由於鑄造年代久遠,相關製造技術資料遺失或不易保存,至今並無成大校鐘的材料、物理及機械性質等完整資訊與紀錄。故本文利用校鐘之原始放置空間整建為廣場,座落地點重新規劃且暫時存放於成大博物館期間,對校鐘之工程技術資訊進行全面性的研究與探討。
    首先,對成大校鐘進行3D掃描建模、成分分析、振動與聲學量測以及頻譜分析,獲得相關之物理量與自然頻率。接著,藉助有限元素法,對掃描建構之模型進行模態分析,將求得之自然頻率數值解與實驗數據相互驗證與檢討。最後,以電腦輔助設計軟體SolidWorks對模型進行幾何參數與材料參數的修改與分析,並了解到鐘體的立體角、最大半徑、高度、厚度,乃至於音弓的高度與厚度都會對鐘聲音色產生程度不一的影響。而這些工程技術資料將大幅提升成大校鐘的文創價值,並可將之應用於各式鐘型樂器之設計。

    The school bell of National Cheng-Kung University (NCKU) is one of the oldest bells among all universities in Taiwan and has a rich cultural value. Being casting at the end of 1952 by 60 Arsenal (at Kaohsiung) under the Combined Logistics Commands of Taiwan, this bell has serviced NCKU for many years. A comprehensive study of the bell from technical aspects thus has its special important meanings from cultural reservation. In this paper, the current progress on the technical aspect of this study is briefly reported, including 3D geometric modeling, vibration and acoustic experiments, material characterization and modal analysis using finite element method. It is expected that through this study, the engineering characteristics of the bell can be clarified and the obtained technical data would be helpful for revealing the related technology level of Taiwan six decades ago. We believe that in conjunction with its special historic role, these technical data would significantly enhance the culture value of the NCKU school bell.

    摘要 I Extended Abstract II 誌謝 IX 目錄 X 表目錄 XV 圖目錄 XVII 符號表 XXI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 3 1.3 研究動機 8 1.4 本文架構 9 第二章 理論背景 11 2.1 彈性力學 11 2.1.1 廣義虎克定律 11 2.1.2 等向性材料之應力-應變關係式 12 2.2 機械振動學 13 2.2.1 運動方程式 13 2.2.2 模態分析 14 2.2.3 頻譜分析 15 2.2.4 拍頻 16 2.3 鐘體之音樂物理學 18 2.3.1 鐘體之構造 18 2.3.2 基音與泛音 19 2.3.3 音律與音名 20 2.3.4 聲壓與等音曲線 22 2.3.5 鐘體之振動 23 2.3.5.1 顫聲(Warble) 23 2.3.5.2 衝擊音與泛音衰減 24 第三章 校鐘物理量量測 25 3.1. 3D形貌掃描與建模 25 3.1.1 實驗進行 25 3.1.2 掃描結果 27 3.2. 材料檢測 28 3.2.1 實驗進行 28 3.2.2 分析結果 29 第四章 振動與聲學量測 31 4.1. 實驗設計與規劃 31 4.2. 實驗進行 32 4.3. 數據分析與結果 34 第五章 有限元素模型建立與問題分析 42 5.1 教堂鐘模態分析結果驗證 42 5.2 成大校鐘之模態分析討論主題 46 5.3 校鐘模型建立 47 5.3.1 校鐘本體 47 5.3.2 冠部吊環 49 5.3.3 鐘錘 49 5.3.4 花紋 51 5.3.5 校鐘全模型 51 5.4 單位系統 53 5.5 座標系統 53 5.6 有限元素型態選擇 54 5.7 材料參數設定 56 5.8 模態分析邊界條件設定 57 第六章 結果與討論 58 6.1 振動實驗與有限元素分析結果比較 58 6.2 鐘體部件對頻率之影響 62 6.2.1 鐘錘對於校鐘之影響 62 6.2.2 冠部吊環與花紋對校鐘之影響 62 6.3 材料參數對鐘體之影響 67 6.3.1 密度 67 6.3.2 楊氏係數 70 6.4 幾何參數對鐘體之影響 72 6.4.1 立體角對鐘體之影響 73 6.4.2 最大半徑對鐘體之影響 76 6.4.3 高度對鐘體之影響 79 6.4.4 厚度對鐘體之影響 82 6.4.5 音弓厚度對鐘體之影響 85 6.4.6 音弓長度對鐘體之影響 88 6.4.7 波浪狀音弓對鐘體之影響 91 6.5 模型修正 93 6.6 幾何參數對修正後模型之影響 97 第七章 結論 99 參考文獻 103

    [1] Rayleigh, L., 1890, "On Bells," The London, Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science.
    [2] Tyzzer, F. G., 1930, "Characteristics of bell vibrations," Journal of the Franklin Institute, 210(1), pp. 55-66.
    [3] Perrin, R., Charnley, T., and dePont, J., 1983, "Normal modes of the modern English church bell," Journal of Sound and Vibration, 90(1), pp. 29-49.
    [4] Rossing, T. D., Perrin, R., Sathoff, H. J., and Peterson, R. W., 1984, "Vibrational modes of a tuned handbell," Journal of the Acoustical Society of America, 76, pp. 1263-1267.
    [5] Rossing, T. D., and Perrin, R., 1987, "Vibrations of bells," Applied Acoustics, 20(1), pp. 41-70.
    [6] Lehr, A., 1986, "Partial groups in the bell sound " Journal of the Acoustical Society of America, 79, pp. 2000-2011.
    [7] Audy, J., and Audy, K., 2009, "Analysis of bell materials: Tin bronzes," China Foundry, 58(1), pp. 77-81.
    [8] Rao, S. S., 2010, Mechanical Vibrations, Prentice Hall, Upper Saddle River.
    [9] 鄭德淵, 2003, 音樂的科學, 大陸書店.
    [10] Fletcher, N. H., and Rossing, T. D., 1993, The Physics of Musical Instruments, Springer-Verlag, New York.
    [11] Schoofs, B., 2008, "Two new designs for major third bells," World Carillon Congress, Groningen.
    [12] Rayleigh, L., and Strutt, J. W., 1945, The Theory of Sound, Vol. I, Dover publications, New York.
    [13] Soedel, W., 1993, Vibrations of Shells and Plates, Marcel Dekker, New York.

    下載圖示 校內:2015-08-15公開
    校外:2017-08-15公開
    QR CODE