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title: 風洞，預習
tags: [海外]

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# 一、風洞實驗：從零開始
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DJ-8-1 數位創客探索營
課前預習篇，看得出來大多為GPT整理，但也是有上網查看資料，但整理的部分還是AI好用ww(主要還是時間不多XPP我的問題，我會進行補充或一些留言大家可以找找看:)

[TOC]
## 1. 什麼是風洞

風洞是一種能產生受控制風流的裝置。你可以把它想成一台非常大的吹風機，但它讓風速、風向、流場性質都能被精準控制，並在其中放入模型進行觀測。

在風洞中，我們可以研究：

* 空氣如何繞過物體流動
* 物體會受到多大的阻力或升力
* 流線是否會分離、形成渦流
* 物體在不同速度下的性能差異

因此，風洞常用於飛機、車輛、無人機、建築物風載分析等領域。
![image](https://hackmd.io/_uploads/SkxY0Z1-bg.png)
{%preview https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E9%A3%8E%E6%B4%9E %}

## 2. 為什麼要用風洞

因為許多物體在實際環境中的氣流非常複雜，也不容易量測。風洞提供可重複、可控制、可觀測的實驗環境。例如：

* 想知道機翼的升力與阻力
* 想觀察車輛後方的尾流
* 想了解建築物能否承受強風
  這些都需要風洞實驗來驗證。

其實前幾個月很火的F1賽車也運用到了風洞的技術喔!!
Williams車隊將風洞借給了F1電影團隊使用
![image](https://hackmd.io/_uploads/HycelGk--e.png)
圖片來源:https://bbs.12365auto.com/threadforum/235168.shtml

更多資料:[F1 賽車風洞應用(額外預習)HackMD](https://hackmd.io/B4ZLAAHHSTykDm0rEZiBOg)
## 3. 風洞的基本結構

你會在課堂或實驗室看到風洞大致由以下部分組成：

1. **收縮段**
   把氣流縮小截面，讓風速均勻且變快。目的是讓測試區的風質更乾淨。

2. **測試段**
   風洞的核心。模型放在這裡，並進行量測與拍攝。

3. **擴散段**
   把氣流速度降低，減少能量損失。

4. **風機或鼓風機**
   用來驅動整個系統的空氣流動。

## 4. 風洞裡可以量測什麼

常見量測項目包括：

* **力**：升力、阻力、側力
* **壓力分布**：利用壓力孔或壓力感測器
* **流場影像**：煙線法、油膜法、粒子影像测速（PIV）
* **速度**：皮托管或熱線風速儀

你在課堂中可能會接觸到六分力天平、皮托管或流場可視化技術。

# 二、振動實驗：從零開始

## 1. 什麼是振動

振動就是物體來回搖動或周期性運動。例如：

* 彈簧上的重物上下跳動
* 地震時建築物左右晃動
* 吉他的弦振動產生聲音
* 車子行駛過坑洞後的晃動

只要有「彈性」和「慣性」，就可能會發生振動。


## 2. 振動最重要的三個概念

所有振動系統都可以用以下三個基本概念描述：

1. **質量（m）**：越重越不容易被加速
2. **剛性（k）**：越硬、越抗變形
3. **阻尼（c）**：消耗能量，使振動逐漸減弱

這三個參數決定了系統的自然頻率、共振是否會發生、以及振動會持續多久。

## 3. 自然頻率

自然頻率是系統喜歡振動的頻率。
例如，如果你把彈簧上的重物拉開放手，它會以固定節奏上下振動，這個節奏就叫自然頻率。

重點：

* 質量越大，頻率越低
* 彈簧越硬，頻率越高

自然頻率在工程上非常重要，因為如果外力剛好以這個頻率施加，就會產生共振。


## 4. 共振

共振是振動中最危險的現象，也最常被討論。
當外力的頻率接近自然頻率時，即使力量不大，其效果也會被放大，導致振幅變得很大。

例子：

* 吊橋在風力作用下劇烈擺動
* 機器的某轉速特別震動
* 玻璃杯因音叉聲音頻率剛好匹配而碎裂

因此，振動實驗常常用來找到共振頻率，並研究如何避免、減少或控制振動。

## 5. 振動實驗會做什麼

你在實驗室可能會做的測試包括：

* 對單自由度系統（彈簧加重物）量測自然頻率
* 用加速度計量測振動
* 用訊號產生器輸入不同頻率的力或震動
* 觀察振幅如何隨頻率變化（製作頻率響應曲線）
* 測試阻尼對振動衰減的影響

這些都是工程師用來分析機械、建築或產品設計時的重要資料。

### 1. 風洞的用途

風洞用來研究空氣流過物體時產生的力與流場特性。常見研究目標包含：

* 測量阻力與升力
* 觀察流線、分離點、渦流
* 評估模型的空氣動力行為

### 2. 風洞的主要組成

* **收縮段**：加速氣流並讓流場更均勻
* **測試段**：放置模型並量測
* **擴散段**：降低氣流速度，減少能量損失
* **風機系統**：提供穩定氣流

### 3. 常見測量方式

* **力測量**：使用六分力天平
* **流場觀測**：煙流、油膜法、PIV（粒子影像测速）
* **壓力測量**：皮托管、壓力孔

### 4. 預習時可思考

* 測試物體遇到不同來流速度會有什麼變化
* 邊界層會如何形成
* 測到的阻力與升力如何轉換為係數（Cd、Cl）

## 振動實驗預習重點

### 1. 振動的基本概念

主要探討系統受力後的位移、速度、加速度，關鍵重點包括：

* 自然頻率
* 阻尼
* 共振現象

### 2. 振動系統類型

* **單自由度（SDOF）**：如一個彈簧加一個質量
* **多自由度（MDOF）**：如一根梁或結構模型
  你可能會在實驗看到質量塊、彈簧、加速度計等測量裝置。

### 3. 常見的量測方式

* **加速度計**：量測加速度並積分出速度與位移
* **位移感測器**：直接取得位移
* **頻率響應曲線（FRF）**：查看共振點與阻尼特性

### 4. 想想看

* 系統在共振時會發生什麼現象
* 阻尼增加會如何影響振幅
* 自然頻率如何由質量與剛性決定

以下是一份清楚、由淺入深的比較表，幫助你快速掌握風洞實驗與振動實驗的差異與用途。

### 風洞實驗 vs 振動實驗 比較表

| 項目         | 風洞實驗                 | 振動實驗                  |
| ---------- | -------------------- | --------------------- |
| **研究對象**   | 空氣流動與物體的空氣動力反應       | 結構或機械的運動、受力後的振動行為     |
| **主要目的**   | 測量升力、阻力、壓力分布與流場特性    | 找出自然頻率、阻尼、共振特性        |
| **典型裝置**   | 風洞、六分力天平、皮托管、煙流系統    | 質量塊、彈簧、加速度計、訊號產生器     |
| **實驗核心現象** | 流線、邊界層、渦流、分離         | 自由振動、受迫振動、阻尼衰減、共振     |
| **輸入操控量**  | 風速、風向、模型角度（攻角）       | 外力頻率、外力大小、阻尼大小        |
| **輸出量測量**  | 力（升力、阻力）、壓力、流場影像     | 位移、速度、加速度、頻率響應        |
| **物理關鍵參數** | 雷諾數、升力係數、阻力係數        | 質量、剛性、阻尼、自然頻率         |
| **分析方式**   | 空氣動力學、無因次化係數分析       | 模態分析、頻域分析、阻尼比估算       |
| **應用範例**   | 飛機機翼、車輛外形、建築風載、無人機性能 | 建築抗震、車體避震、機械振動、電子產品耐震 |
| **觀測方式**   | 可視化（煙線、油膜、PIV）       | 時域訊號、頻域圖、共振峰觀察        |
| **結果呈現**   | 流線圖、壓力分布、升阻力曲線       | 振動時程圖、波形圖、頻率響應曲線      |
