本論文目的為設計一套聲學量測系統，此系統能夠量測粗糙面對於聲波所造成之散
射影響。此系統之主要功能為提供粗糙面建置功能、聲學量測位置點之精確定位及
粗糙面之準確形狀數據。以海下技術研究所之大型實驗水槽為系統建置之主要環境
。實驗水槽上架設有三維台車，可控制聲學量測設備的空間中三個平移方向之移動
，由於實驗需要五個自由度，除了三個平移運動，還要有兩個軸的旋轉運動，故需設計
兩個軸的旋轉機構，使麥克風達到五個自由度的運動，才能夠量測散射場。

在本實驗中必需整合雷射系統量測之粗糙面位置、麥克風發射點及接收點所在
位置，以及建置粗糙面所使用之刮刀位置。整合所有抓取到的資訊之後，即可知道指
向性聲波投射於粗糙面之位置，以及該位置之粗糙面形狀為何，提供比對粗糙面形狀
與聲波投射粗糙面之散射資料。

除了整合位置點之外，此設備的定位皆以程式控制馬達來做定位，可省去實驗者
在校正位置上所花費之時間，使得實驗能夠以更有效率的方式進行，將實驗的時間
有效的縮短。

This thesis intends to design a set of acoustics measurement system, it can
measure the rough surface to have the scattering influence regarding the sound
wave. And this set of acoustics measurement system will be able to provide
the rough surface establishment function, acoustics measurement precise pinpointing
for position and rough surface accurate shape data. Establishing the
main environment take the Institute of Undersea Technology large experiment
water tank as the system. The experiment water tank sets up XYZ table which
can control the three translation directions migration. Because this experiment
needs five degrees-of-freedom except for three translation directions migration
and also has two axes rotary motion. In order to measure scattering field so we
need to design the rotary mechanism for two axes that enables the microphone
to achieve themovements in five degrees-of-freedom.
In this experiment has to conformity themeasurement of laser system’s rough
surface position, the position of microphone shooting and receiving point, and
establishes scraper position which rough surface used. In order to compare the
scattering state of the shape of rough surface and the soundwave beats the rough
surface after we integrate all the information, we can realize where directional
sound wave beats and what’s the shape of this rough surface.
Except for conformity position, this equipment’s localization is all by the programcontrolmotor.
It can save time in adjusting position for experimenter in an
effective way and itmay abridge the experiment time effectively.

1 緒論1
1.1 前言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究動機及目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 實驗環境及硬體設備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 旋轉軸設計6
2.1 俯仰角轉動軸及偏轉角轉動水密箱設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 偏轉角轉動軸設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2 俯仰角轉動軸設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 馬達輸出扭矩. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 馬達驅動方式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 系統運動控制程式16
3.1 程式需求及介面設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.1 安全設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2 建立粗糙面模式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.3 量測粗糙面形狀模式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.4 聲學量測位置點之定位功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 儀器之座標點整合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 程式讀值與實際量測點之校正. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 實驗規劃23
4.1 前置作業. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.1 粗糙面之環境建置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.1.2 雷射掃描系統架設. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.3 聲學量測系統機構組裝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 實驗測試過程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.1 粗糙面資料點擷取. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2.2 聲學量測系統測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.3 實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5 討論及結論60
5.1 討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.2 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3 未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

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