臺灣大學應用力學研究所學位論文
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小波轉換因具備可調變的頻率解析度、快速的運算效率以及針對瞬時變化的頻率成分敏感度等特性而被廣泛運用。在本論文中，即利用小波轉換本身優異的特性，輔助數項創新型光學量測系統技術的開發，以單點速度量測出發到全域動態訊號量測，包含超高速速度量測儀、基於條紋解相技術的表面輪廓量測、以手腕橈動脈收縮行為觀測為主的生理訊號量測。 首先，本論文基於複合材料在高速碰撞之破壞行為研究之需求下，開發高速噴射碎片產生器及基於光學都卜勒干涉儀架構之超高速速度量測儀。噴射碎片產生器透過不同高電壓施以電橋所產生之電弧爆炸行為，提供在安全的操作情況下達成模擬不同速度範圍之撞擊測試。所開發的超高速度量測儀，以商用波段光纖降低成本，同時達到簡潔的架構、以及達每秒千公尺等級的速度量測需求，搭配小波演算法及自行開發的速度歷程曲線追跡演算法，已成功驗證並且量測數種動能驅動之複材飛行碎片之速度歷程，此噴射碎片產生器具備可更改口徑及可替換不同複合材料之多層結構，可提供各種複合材料在不同撞擊動能的破壞行為測試。 其二，非接觸式並可全域偵測物體高度的量測即時性已在各方面的應用上產生強烈需求，本論文即針對操作於頻譜域的條紋解相演算法進行完整審視，針對量測需求比較窗函數及小波函數差異，並將頻譜轉換因子之於相位計算的操作重新規劃。同時以模擬及實際架設實驗比較不同演算法之優劣特性，並且驗證所提出基於小波的條紋分析演算法，具備高準確性、高紋理還原度以及相對快的運算速度。所開發單張條紋解相演算法可應用於動態量測，並接續進行第三部分之橈動脈運動行為研究，以非接觸式量測方式對動脈進行動態量測。 第三方面，為能達到心血管疾病的監測與預防，新式血壓量測技術必須滿足四大條件：無需監督、不需配戴充氣袖帶、可連續量測、及高準確性，而近年所發展之無袖帶式血壓量測技術尚未滿足高準確性的要求。因此，本研究在陰影疊紋的架構下，利用第二部分所提出的條紋分析演算法在無受外力、非接觸的情形下，對於脈搏振動訊號進行量測，並且同時與其他生理訊號如心電圖、血流速波形、血流量波形、血壓值等參數做比較，量測結果清楚顯示手腕處橈動脈收縮運動行為與上述參數之相對關係，並可作為後續血壓模型發展作為基礎。
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從先前的文獻中可以得知，膠體粒子的對稱性與幾何形狀會顯著的影響其在流體中的電動力學運動行為。而近幾年來，Janus粒子在微流體領域中的研究日增月益，其在交流電場下，垂直電場方向的特殊非線性的感應電荷電泳(ICEP)運動現象也受到關注。在本篇論文中，特別針對Janus粒子幾何尺度上的變化對於其感應電荷電泳運動速度的影響進行探討，透過有限元素法之數值模擬將三種物理模型耦合並符合Poisson-Nernst-Planck equations與 Navier-Stokes equations，在施加電場下，形成由誘導電雙層受到電場響應後驅動流體之感應電荷電滲流系統模型。而我們藉由建構此系統模型並分析Janus粒子在幾何形狀上的差異對於其感應電荷電泳速度之影響，透過與先前實驗數據比較，並探討金屬塗層端對於其運動的依賴性與在不同電場取向下其感應電荷電泳運動之影響，最後提出一種類似Janus鋸齒結構之微流泵，其在交流電場下具有同方向輸送流體之功能。
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因應產業對於質量流量的量測精度之需求，本文的目的是藉由COMSOL的有限元素模擬，進行雙U型管科氏質量流量計的流固耦合分析。雙U型管科氏質量流量計由二支相同的U型管所組成；在U型管的中點裝置驅動器以驅動該二支U型管在垂直於其平面的方向振動，且具有相同的頻率和振幅但相反的相位；在相對於U型管的中點，對稱地裝置二個運動感測器，以感測U型管在感測器位置的位移。當U型管中的流體不流動時，因對稱的振動模態，該二個運動感測器輸出的信號應為相同；當U型管中的流體流動時，流體和振動管的相對運動會產生科氏力，導致振動模態的扭曲，使得該二個運動感測器輸出的信號產生相位差；藉由該二個運動感測器信號的相位差，便可得到質量流量。 本文採用COMSOL軟體來模擬雙U型管科氏質量流量計的流固耦合效應，探討U型管的共振頻率、流體的密度和黏度、運動感測器訊號的相位差、和流體的質量流量等之間的關係。本文並運用COMSOL的應用程式開發平台，針對雙U型管科氏質量流量計，開發了一套設計界面，以利產產品的研發。此外，本文還探討了運動感測器之安裝位置和重力對輸出信號的影響，分流結構的設計對壓降(pressure drop)的影響，和結構不平衡對於輸出訊號和質流量量測的影響等。 前述的模擬結果以實驗驗證，實驗方法則採購Yogokawa公司所生產的雙U型管科氏質量流量計，借用桓達科技股份有限公司所提供的標準測試流廠，來進行實驗驗證。實驗證實本文所建立的模型和模擬結果與實驗非常吻合。此外，本文初步探討科氏質量流量計量測流體黏度的方法，並且透過有限元素模擬證實，可利用管流壓降與驅動電流來量測流體黏度，管流壓降的模擬結果與經驗公式所計算之結果有相同的趨勢，而驅動力與流體黏度之關係是由模擬與曲線擬合的方法來建立。
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磁性奈米流體為液體中穩定懸浮有磁性奈米粒子的懸浮液，其黏度可因外加磁場而改變、而此一現象被稱為磁黏效應。本文旨在研究懸浮粒子粒徑與磁黏效應的關係，共完成如下三項工作。(i)透過對製程溫度的控制，以化學共沉澱法產生兩種不同粒徑的四氧化三鐵(Fe3O4)粒子：B粒子(溫度25°C，單體粒子平均粒徑Dmo = 6.49 nm，包覆油酸懸浮在煤油中粒子的z平均粒徑Dza ≈ 29 nm)、和C粒子(75°C下，Dmo = 9.44 nm及Dza ≈ 39 nm)。再利用此兩種粒子(均先包覆油酸)按不同比例分散在變壓器油內，以合成五種體積百分率均為2%的磁性奈米流體，粒子比例分別為：100% B粒子、95% B粒子和5% C粒子、90% B粒子和10% C粒子、80% B粒子和20% C粒子、及100% C粒子。(ii)以磁化儀量測上述五種流體的磁化率、並採用磁性粒徑分析法計算上述五種磁性奈米流體之磁性粒徑分佈。(iii)以改裝式布氏(Brookfield)黏度計，對上述五種流體在20°C及不同強度(60、100及140 Gauss)的週期性磁場下進行磁黏實驗，得到以下結論：(1)磁性奈米流體在磁場作用下之黏度增益值隨添加之大顆粒數量增加而提升。(2)磁性奈米流體之黏度於磁場開啟時快速增加、在磁場關閉時亦可迅速回復原值。(3)添加不同數量之大顆粒子於以小顆粒子為主體之奈米流體中，從黏度實驗及粒徑分佈結果可判斷其黏度增益值主由較大顆粒之粒子所造成；文獻中(Odenbach, 2002)有提出一項猜測，指因大顆粒子的存在，使粒子間較易形成磁誘導鏈狀結構、而導致黏度增加，本研究對此一猜測提供了實驗佐證。
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電池的荷電狀態(SoC)以及電壓行為(Voltage behavior)是電池管理系統中的兩個關鍵指標，其對於下游電池管理功能(例如功率狀態估測和電池平衡)尤其重要。在本論文的第一部份中，我們以機器學習的方法建立了一個能在動態負載和溫度變化的情形之下估算電池之荷電狀態的估算器。該估算器係由一系列長短期記憶類神經網路單元(LSTM Cell)堆疊而成，並以電池之電流、電壓、溫度作為輸入，以及電池當下之荷電狀態為輸出，並同時以兩組不同固定溫度下的動態負載數據訓練之，待訓練完畢後再以變溫之動態負載數據對其進行測試驗證， 以評估其性能。最後，我們成功開發出一能夠在極為複雜的操作條件下依然擁有97%的高精度荷電狀態估計器。 在本論文的第二部分裡，我們同樣以機器學習的方法開發了一能在動態負載和溫度變化情形之下預測下一時間點電池之電壓的預測器。此預測器同樣由長短期記憶類神經網路單元堆疊而來，並從當下以及過去二十九個時間步的過去資料中(共三十個時間步，包含電流、電壓、溫度等資訊)預測下一時刻的電池電壓。和上述之荷電狀態估測器類似，我們以定溫下的動態負載數據對預測器進行訓練、並以變溫動態資料測試之。結果，在變溫和動態負載條件下，預測器以小於0.1%的平均絕對百分比誤差(Mean absolute percentage error, MAPE)準確地估計出電池下一時間點的電壓。
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本論文探討在金奈米桿(gold nanorod; GNR)膠體溶液中脈衝雷射誘發生成的氣泡特性，依其生成機制分為光崩潰(optical breakdown)效應造成的微氣泡(microbubble)以及表面電漿子共振(surface plasmon resonance; SPR)效應造成的奈米氣泡(nanobubble)。 首先發現水中加入GNR確實可以有效降低微氣泡的閾值，尤其在長波長脈衝雷射的降幅更明顯。當雷射波長接近GNR的SPR共振波長與GNR濃度增加時，可以加強此效應，但同時也會受到更多的GNR之強散射效應法拉第-廷得耳效應(Faraday-Tyndall effect)，因此在SPR共振波峰附近，選擇適當的雷射波長，對於產生微氣泡可有較佳的效果。本研究以兩種具不同SPR (718 nm, 966 nm)的GNR水溶液為實驗樣品。 使用不同波長的奈秒脈衝雷射並以一20倍物鏡聚焦，再以超音波探頭量測微氣泡的光聲(photoacoustic)瞬時訊號，以及利用氦氖雷射結合光偵測器同步量測微氣泡成形過程造成的動態變化；穿透試管的光強度因光遮斷大小而隨時間之變化曲線。依據量測結果將微氣泡分成三種型態: 單氣泡、合成氣泡、分裂氣泡。調整脈衝雷射的能量由低到高，產生微氣泡型態的機率由大到小，分別為單氣泡、合成氣泡、分裂氣泡。單氣泡和分裂氣泡的壽命(lifetime)皆隨脈衝能量增加而增加，但增長行為逐漸趨緩。另一方面，因為GNR的法拉第-廷得耳效應，單氣泡和分裂氣泡的壽命與GNR濃度則呈負相關。此外，合成氣泡的壽命則與相鄰氣泡的間距及接觸時間有關，且只發生於長波長雷射激發的情況。 另外，當GNR膠體溶液被脈衝雷射光照射時，每個金奈米粒子都會因SPR效應，產生光熱(photothermal)效應，導致在其周圍產生一奈米氣泡，並伴隨衝擊波(shockwave)，即光聲(photoacoustic)訊號，若吸收的能量相同，則奈米氣泡群將一起成長及消滅。我們以較高濃度的GNR膠體溶液(例如200 ppm)為例，在能量為80 mJ的脈衝雷射(波長532 nm)照射瞬間，由光遮斷量測的時域訊號前期，可發現一約55 nsec的光遮斷時段，即奈米氣泡群的平均壽命，以此估算其平均的最大半徑約為195 nm，並且這些奈米氣泡呈現多周期的消長現象。此外將超音波訊號經快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform; FFT)，可分析頻率域的特性，藉由特定截止頻率的濾波，可以將微氣泡和奈米氣泡的訊號分離。
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台灣缺少自產能源，能源依賴進口，提高能源效率為重要議題。而根據統計，辦公大樓空調耗電約占整體耗電的51%，其中又以冰水機耗電占空調耗電之大宗，因此找出冰水機的最佳操作方法可有效減少冰水機的耗電。冰水機的操作優化可以由開機排序與負載分配著手，本研究之目的即在建立一個同時考慮開機排序與負載分配之冰水機最佳操作方法。 本研究最佳化之目標函數為冰水機總耗電量，並以冰水機的負載上下限與各冰水機的負載總和須等於冷卻負載需求為限制條件，各冰水機之能耗係採用ASHRAE準則14所建議之Gordon-Ng冰水機簡單熱力學模型。由Gordon-Ng模型可發現，各冰水機的耗電量為其冷卻負載之線性函數，而線性函數之係數與冰水出水溫度和冷卻水進水溫度有關。在已知有N台冰水機開啟的情況下，本研究證明，各冰水機之最佳負載一定有N-1台冰水機之負載率為上限或下限，且可依一標準步驟找出最佳化解析解。若排序也同時要最佳化，可將可能的排序一一列出，再以上述方法分別求出各別排序的最佳負載，經比較後找出耗電最小者，即可找出最佳排序與最佳負載。本研究亦建立一套可以快速有效的找出最佳排序的方法。 若要對針對隔日冰水機最佳操作提出建議，除了需針對冷卻負載進行預測，也需對冷卻水回水溫度進行預測，以建立Gordon-Ng模型。從預測的結果可以發現，本研究嘗試的預測模型以向量支援迴歸模型的效果較佳。 本研究以台北市政府大樓之冷凍空調歷史數據建立各冰水機之Gordon-Ng模型，並進行冰水機操作最佳化。結果顯示，本研究所發展之最佳化方法確能有效降低冰水機耗電量。值得注意的是，在冰水設定溫度固定的情況下，各冰水機的冷卻水回水溫度差異不大，導致線性目標函數中各冰水機負載的係數相近，因此負載分配對耗電量的影響不大，相較之下冰水機的排序對耗電量有絕對性的影響。為提升本方法之泛用性及降低計算量，可考慮只對冰水機排序進行最佳化，即可達到有效節能的效果。
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本研究計畫將利用量測閃光融合閾值與主觀視覺疲勞評量表來判別使用眼部按摩器後會有什麼樣的變化，眼部按摩器採用自行設計的氣壓按摩專門按壓承泣穴、攢竹穴之設備，利用氣壓的加壓與釋放達到類似手指按摩的方法，藉此確認按摩承泣穴、攢竹穴這兩處可否達到更好的消除視覺疲勞之功效。 本研究計畫將選擇三名年滿二十歲者，排除標準為曾受眼科手術史者，有任何眼部疾病、任何全身性疾病如高血壓(hypertension)，糖尿病(diabetes mellitus)等、斜視(strabismus)、高圓柱形誤差(high cylindrical error (>6 D))或眼內壓超過21毫米汞柱高，或因外週和中樞神經系統疾病導致神經元損傷如多發性硬化症(multiple sclerosis)，腦血管炎(cranial vasculitis)等的研究參與者。研究參與者將在兩種不同的情況下進行實驗，分別為閱讀藍底白字、字體大小為9pts、行間距為1.5的文章後進行按摩，以及無閱讀文章進行按摩。兩種情況皆固定於用餐後30分鐘進行實驗。本研究將比較在閱讀完文章後有明顯視覺疲勞者與無閱讀文章其視覺疲勞程度較不明顯者使用眼部按摩器，其消除視覺疲勞效果。 最後實驗結果顯示，閱讀完文章後使用眼部按摩器，無論是改造後針對承泣穴、攢竹穴進行按摩的眼部按摩器，亦或是改造前的眼部按摩器，兩者消除視覺疲勞的效果皆有統計學上的差異(p value<0.05)。但在無閱讀文章的情況下，兩者消除視覺疲勞的效果僅有主觀視覺疲勞評量表的問題一、問題三與問題五有統計學上的差異(p value<0.05)。而針對攢竹穴與承泣穴進行按摩的眼部按摩器與改造前的眼部按摩器兩者在閱讀完文章後按摩對於消除視覺疲勞的效果僅有主觀視覺疲勞評量表的問題一與問題四有統計學上的差異(p value<0.05)，而在沒有閱讀文章的情況下消除視覺疲勞的效果僅在問題一有統計學上的差異(p value<0.05)。而在閱讀完文章後使用改造前後的眼部按摩器其消除視覺疲勞的效果皆優於閉眼休息(p value<0.05)，但在一般情況下使用改造前後的眼部按摩器其消除視覺疲勞的效果與閉眼休息無顯著差異(p value>0.05)。 本研究測量眼部按摩器對於消除視覺疲勞的效果，發現若在有明顯視覺疲勞情況下使用眼部按摩器按摩眼周，可有效消除視覺疲勞，其結果可佐證眼部按摩器其效用及定位使用族群與使用時機。而改造後針對攢竹穴與承泣穴進行加強按摩的眼部按摩器與改造前的眼部按摩器其消除視覺疲勞的效果雖然僅問題一與問題四有顯著差異，但這表示在改善視覺疲勞的程度亦有些許幫助，在未來可針對其他穴位按摩來比較消除視覺疲勞的效果是否有差異。
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敲擊回音法為廣泛應用於檢測混凝土結構之非破壞檢測技術。進行混凝土敲擊回音試驗時，在敲擊過程中常常發生因不當敲擊或混凝土表面劣化等因素造成量測到的回音訊號異常。檢測人員常須在檢測位置敲擊多筆訊號，以目測方式檢視訊號是否正常。此作法相當耗時，且要倚賴操作人員之經驗方能進行判讀，若經驗不足的檢測人員可能誤判而存取了無效訊號，導致錯誤的檢測結果。因此判斷訊號是否正常是敲擊回音試驗成功的第一步。 本研究發展一套人工智慧深度學習網路，以自動判別敲擊回音訊號是否正常。本研究所使用之深度學習網路為卷積神經網路自動編碼器模型，該網路對於二維影像辨識能力十分優越。由於敲擊回音訊號為一維時間域訊號，須先轉換為二維影像，本研究嘗試之轉換方式包括: 1. 將一維時間域原始訊號圖視為二維影像。2. 一維時間域訊號經由Gramian Angular Difference Field(GADF) 轉換為二維影像。3. 一維時間域訊號經由Gramian Angular Summation Field(GASF)轉換為二維影像。將二維影像輸入至卷積神經網路自動編碼器模型進行訓練，此模型內部將提取影像特徵，並還原出與原始輸入影像相近的圖像。 本研究的訓練資料為1100筆的正常訊號，測試資料為100筆異常訊號與80筆正常訊號。因為用以訓練自動編碼器模型的1100筆訊號皆為影像皆為正常訊號，故當測試資料為正常訊號，則重建影像會與原圖很相似，但若測試資料為異常訊號，則重建影像會與原圖有很大的差異。據此，本研究建立了一個分類器來分辨正常與異常訊號。 為提升辨識之準確率，本研究探討五種產生輸入影像的方式：1. 訊號長度3 msec之原始訊號圖；2. 訊號長度3 msec訊號轉為GADF二維影像；3. 訊號長度0.08 msec訊號轉為GADF二維影像；4. 訊號長度依敲擊源大小調整再轉為GADF二維影像；5. 訊號長度依敲擊源大小調整再轉為GASF二維影像。第4、5種方式中的訊號長度非固定，當敲擊鋼珠直徑為6mm，長度設為0.08 msec，當鋼珠直徑變化，訊號長度則依比例調整。此調整之目的在確保表面波出現於輸入影像中。以前述5種影像格式分辨正常與異常訊號的準確率分別為65％、71%、94%、100%及99%，其中以第4種格式的準確率最高。因此，將訊號長度依敲擊源大小調整再轉為GADF二維影像，再輸入本研究所開發之人工智慧辨識系統，可自動偵測異常敲擊回音訊號，有效提升敲擊回音試驗之效率與可靠度。
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本文設計並製造一項狹縫式黏度計，可成功地用於研究低黏度(1 cP量階)磁性奈米流體的磁黏效應，並以“四氧化三鐵-煤油”奈米流體進行實驗加以佐證。就煤油及奈米流體，此狹縫式黏度計所量測結果與商用轉子式黏度計所量結果相符。 主要成果如下：(i)本狹縫式黏度計其量測原理按矩形截面直管內全展流之分析解，在壓克力板上以精密加工製作出流道。操作時以定流量幫浦驅動，以毛細管液柱高度差量測壓力降，進而推算出黏度。在施加磁場方面，採用兩片永久磁鐵置於流道外上下或左右以產生垂直或平行於流場渦度的磁場，並藉調整磁鐵間距離以產生不同的磁場強度。(ii)以化學共沉澱法製造四氧化三鐵奈米粒子，並以油酸包覆，再分散至煤油中，以合成穩定的“四氧化三鐵-煤油”奈米流體。其中粒子單體粒徑約9 nm，粒子懸浮在煤油中的平均粒徑約30 nm。(iii)以磁化儀量測不同體積百分率(1 – 4%)奈米流體，在不同磁場強度(200 – 500 Gauss)下所相對應的磁化強度。其磁化強度隨磁場強度與體積百分率上升而上升。(iv)在磁黏效應方面，就不同體積百分率(1 – 4%)、磁場方向、磁場強度(200 – 500 Gauss)、流場剪變率(70 – 189 s-1)、流道截面寬高比(8或12)、及流體合成後的量測時間點等均進行了量測，所獲結果如下：(1)磁黏效應隨體積百分率及磁場強度增加而增加。在剪變率70 s1、體積百分率4%、磁場方向垂直於流場渦度、及磁場強度500 Gauss (中低強度磁場)下，因磁場效應引致之黏度增益約68%。(2)磁場方向垂直於流場渦度時黏度增益為磁場方向平行於流場渦度時的3 4倍。(3)剪切稀化效應明顯，黏度增益的降幅隨體積百分率及剪變率之增加而增加。就體積百分率4%之奈米流體，當磁場方向垂直於流場渦度時，其黏度增益因剪切稀化效應從剪應變率70 s1的59%降為剪應變率189 s1的33%。(4)在流體合成三週後黏度增益約有六成的降幅，顯示流體有一定程度的老化現象且流體在經過三週後達至穩態。(5)流道截面之寬高比對磁黏效應與剪切稀化效應影響不大。