傳遞路徑分析的基本原理及模型

傳遞路徑分析的基本原理及模型

1lms/tpa公車(chē)的傳遞路徑分析在汽車(chē)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中，汽車(chē)噪聲和振動(dòng)是評(píng)估車(chē)輛性能的重要指標(biāo)之一。車(chē)內(nèi)噪聲和振動(dòng)是由多個(gè)激勵(lì)通過(guò)不同的傳遞路徑抵達(dá)目標(biāo)位置后疊加而成的。雖然目前汽車(chē)內(nèi)部噪聲和振動(dòng)已經(jīng)取得了有效控制,但為了更好地優(yōu)化整車(chē)的NVH性能,往往需要研究各個(gè)激勵(lì)和傳遞路徑的情況,針對(duì)其各自貢獻(xiàn)量的大小更有效地采取處理措施。傳遞路徑分析(TPA)方法即是一個(gè)行之有效的方法。通過(guò)TPA可以找出對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲起主導(dǎo)作用的路徑,通過(guò)控制和改進(jìn)這些路徑以使車(chē)內(nèi)噪聲控制在預(yù)定的目標(biāo)值內(nèi)。LMS/TPA模塊為進(jìn)行TPA提供了軟件支持,從而能更快更準(zhǔn)確地獲得各個(gè)路徑的貢獻(xiàn)量。本文的目的在于闡述TPA的基本原理,建立TPA的模型,并借助LMS/TPA模塊進(jìn)行實(shí)際操作,從而將TPA方法應(yīng)用到汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量的研究中。2車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的噪聲聲壓假設(shè)所研究的系統(tǒng)是線性不變的,則車(chē)內(nèi)的噪聲聲壓或振動(dòng)水平等于各激勵(lì)源以工作載荷激勵(lì)時(shí)沿不同路徑傳播到車(chē)內(nèi)的能量的疊加,如圖1所示。TPA的目的就是研究能量在各個(gè)路徑上的傳播情況。對(duì)于車(chē)內(nèi)噪聲來(lái)說(shuō),總體上可以將其分為結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲和空氣傳播噪聲兩大類(lèi)。對(duì)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲來(lái)講,激勵(lì)源和目標(biāo)點(diǎn)分屬于兩個(gè)不同的系統(tǒng),將激勵(lì)源一側(cè)的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為主動(dòng)方,目標(biāo)點(diǎn)一側(cè)的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為受動(dòng)方,而兩者在分界處一般是通過(guò)某種耦合元件連接起來(lái)的。對(duì)于車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)噪聲,受動(dòng)方在耦合點(diǎn)處的每一個(gè)自由度到目標(biāo)點(diǎn)均形成一條傳遞路徑。通常只考慮X、Y、Z3個(gè)平動(dòng)自由度而忽略3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。如果已知某一路徑上的頻響函數(shù)和工作載荷,則車(chē)內(nèi)某目標(biāo)位置的結(jié)構(gòu)噪聲聲壓可以表示為各個(gè)路徑上產(chǎn)生的分貢獻(xiàn)量的線性相加:式中,PSB為車(chē)內(nèi)某目標(biāo)點(diǎn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲的總聲壓;PiSB為i路徑上的聲壓貢獻(xiàn)量;為i路徑上的頻響函數(shù),即聲學(xué)靈敏度;FiSB為i路徑上的工作輸入,作用在支撐與車(chē)身連接處的車(chē)身側(cè)結(jié)構(gòu)上。對(duì)于空氣噪聲的傳播來(lái)講,由于在路徑上不存在耦合點(diǎn),所以如果有n個(gè)輻射聲源,則有n條到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的傳遞路徑,而目標(biāo)點(diǎn)的總聲壓就等于各個(gè)路徑貢獻(xiàn)量的總和。對(duì)于空氣噪聲的頻響函數(shù)一般可以采用直接測(cè)量的方法。由于一般情況下汽車(chē)的噪聲源處空間有限,不易布置揚(yáng)聲器,所以在測(cè)量時(shí)可以采取互易法,即將揚(yáng)聲器放置在車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的位置,而將麥克風(fēng)放在各個(gè)輻射聲源處,以此便能測(cè)得各條路徑的頻響函數(shù)。3tpa模型的構(gòu)建3.1模式模型的建立在本文中通過(guò)逆矩陣法來(lái)建立結(jié)構(gòu)噪聲TPA模型。由式(1)可知,若要求得車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)噪聲總聲壓,就必須先獲得結(jié)構(gòu)噪聲各條路徑的頻響函數(shù)及其工作載荷。由于實(shí)際工況中的工作載荷難以測(cè)取,故以加速度代之,從而建立以加速度值為輸入量、車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)聲壓值為輸出量的結(jié)構(gòu)噪聲TPA模型。由系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可得:式中,ai為激勵(lì)作用下的加速度;Hij′為激勵(lì)力Fj到加速度響應(yīng)ai的頻響函數(shù);Fj為工作載荷;Pn為車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)聲壓值;Hij″為激勵(lì)力到車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)聲壓值Pi的頻響函數(shù)。由式(2)矩陣求逆可得:綜合式(3)和式(4)可得:通過(guò)測(cè)得激勵(lì)力到加速度響應(yīng)的頻響函數(shù)及激勵(lì)力到車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)聲壓值的頻響函數(shù),并在實(shí)際工況下測(cè)得懸置車(chē)身側(cè)加速度向量后,由式(5)求得各路徑上的聲壓貢獻(xiàn)量,通過(guò)合成可得車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)總聲壓。3.2路徑上聲壓貢獻(xiàn)量的計(jì)算在本文中通過(guò)直接法來(lái)建立空氣噪聲TPA模型。式中,PAB為車(chē)內(nèi)某目標(biāo)點(diǎn)空氣傳播聲的總聲壓;PiAB為i路徑上的聲壓貢獻(xiàn)量;HiAB為i路徑上的頻響函數(shù);FiAB為i路徑上的工作輸入。通過(guò)測(cè)得各個(gè)路徑上的頻響函數(shù),并在實(shí)際工況下測(cè)得聲源處的近場(chǎng)聲壓向量,由公式(6)求得各路徑上的聲壓貢獻(xiàn)量,通過(guò)合成可得車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)總聲壓。通過(guò)將所得的結(jié)構(gòu)噪聲貢獻(xiàn)量與空氣噪聲貢獻(xiàn)量相加,可以得到在實(shí)際怠速工況下的車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的噪聲總聲壓值,從而建立了一個(gè)包括了結(jié)構(gòu)噪聲與空氣噪聲的TPA模型。4車(chē)內(nèi)噪聲試驗(yàn)本文所研究的對(duì)象為某款國(guó)產(chǎn)乘用車(chē),因其在怠速情況下車(chē)內(nèi)副駕駛座處噪聲量較大,故對(duì)其在空擋怠速情況下的副駕駛座右耳處的噪聲貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析。本試驗(yàn)主要研究該車(chē)在0~200Hz低頻內(nèi)的車(chē)內(nèi)噪聲情況。試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院半消聲室內(nèi)進(jìn)行。所用傳感器為PCB的加速度傳感器;采集噪聲信號(hào)所用的麥克風(fēng)為G.R.A.S.公司生產(chǎn)的直徑為1/2英寸的ICP壓電式麥克風(fēng);HMS人工頭布置在副駕駛員位置;試驗(yàn)所用數(shù)據(jù)采集設(shè)備為L(zhǎng)MS公司的SCADASⅢSC316W信號(hào)放大和智能采集系統(tǒng);測(cè)試采用LMSTest.lab的TransferPathAnalysis模塊。測(cè)試過(guò)程中門(mén)窗均關(guān)閉。4.1發(fā)動(dòng)機(jī)懸置到目標(biāo)點(diǎn)的傳遞路徑試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)噪聲主要關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和排氣管吊點(diǎn)的噪聲傳遞。該車(chē)有3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置,每個(gè)懸置有x、y、z3個(gè)方向,即3條傳遞路徑,所以發(fā)動(dòng)機(jī)懸置到目標(biāo)點(diǎn)總共有3×3=9條傳遞路徑。該車(chē)有4個(gè)排氣管吊點(diǎn),本文只關(guān)注每個(gè)吊點(diǎn)的z向,所以排氣管吊點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)總共有4×1=4條傳遞路徑。對(duì)于空氣噪聲來(lái)說(shuō),主要關(guān)心發(fā)動(dòng)機(jī)前后、左右、上下6個(gè)面的噪聲輻射源,所以發(fā)動(dòng)機(jī)到目標(biāo)點(diǎn)總共有6條傳遞路徑。對(duì)于車(chē)內(nèi)的目標(biāo)點(diǎn)而言,由于本試驗(yàn)旨在分析車(chē)內(nèi)副駕駛座處的噪聲貢獻(xiàn)量,故取副駕駛座右耳處作為目標(biāo)點(diǎn),并放置麥克風(fēng)。4.2計(jì)算頻響函數(shù)結(jié)構(gòu)噪聲的頻響函數(shù)包括發(fā)動(dòng)機(jī)懸置車(chē)身側(cè)加速度到車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)聲壓值的頻響函數(shù)和排氣管吊點(diǎn)車(chē)身側(cè)加速度到車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)聲壓值的頻響函數(shù)。由于兩者相距較遠(yuǎn),相互影響較小,故不考慮兩者之間的耦合作用,而分別求取各自的頻響函數(shù)。在測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的頻響函數(shù)時(shí),用力錘在每個(gè)懸置點(diǎn)的x、y、z向分別進(jìn)行激勵(lì),每個(gè)點(diǎn)要敲擊多次以進(jìn)行平均處理。并在每個(gè)懸置點(diǎn)車(chē)身側(cè)布置兩個(gè)3向加速度傳感器,測(cè)取各個(gè)加速度傳感器和目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù),從而可以計(jì)算出各條路徑的頻響函數(shù)。排氣管吊點(diǎn)只測(cè)取z向的頻響函數(shù),具體方法與發(fā)動(dòng)機(jī)懸置測(cè)取方法相似。在測(cè)取空氣噪聲的頻響函數(shù)時(shí),采用互易法,在目標(biāo)點(diǎn)處布置揚(yáng)聲器,在發(fā)動(dòng)機(jī)的6個(gè)面處布置麥克風(fēng)。由于本試驗(yàn)研究的是0~200Hz范圍內(nèi)的低頻噪聲,故在目標(biāo)點(diǎn)處選擇放置20~800Hz的低頻聲源。測(cè)取各個(gè)麥克風(fēng)的數(shù)據(jù),從而可以計(jì)算出各條路徑的頻響函數(shù)。4.3擋怠速工況下的噪聲為了計(jì)算得到目標(biāo)點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)量,除了要測(cè)量頻響函數(shù)以外,還要測(cè)量工作載荷。試驗(yàn)中測(cè)取工作載荷時(shí),將該車(chē)置于空擋怠速工況下,測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)懸置和排氣管吊點(diǎn)處的加速度信號(hào),用逆矩陣法可得到結(jié)構(gòu)噪聲的工作載荷。由于測(cè)量聲源的工作載荷時(shí)較常用測(cè)量聲源的近場(chǎng)聲壓法,故在空擋怠速工況下測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)的近場(chǎng)聲壓值,可得空氣聲的工作載荷。根據(jù)之前建立的結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲TPA模型,在獲得了所有頻響函數(shù)和工作載荷的數(shù)據(jù)后,即可對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的聲壓貢獻(xiàn)量進(jìn)行合成。5試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析5.1車(chē)內(nèi)噪聲的比較在LMS/TPA模塊中,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、排氣管吊點(diǎn)和發(fā)動(dòng)機(jī)表面輻射源到車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的各條路徑貢獻(xiàn)量進(jìn)行合成,并與實(shí)際測(cè)量所得的車(chē)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的噪聲值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖2所示。比較車(chē)內(nèi)合成噪聲和實(shí)測(cè)噪聲發(fā)現(xiàn),兩者的變化趨勢(shì)相同,這驗(yàn)證了車(chē)內(nèi)噪聲傳遞路徑模型及試驗(yàn)的正確性。誤差產(chǎn)生的原因可能是:a.由于懸置和吊點(diǎn)處結(jié)構(gòu)原因,測(cè)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)不是同一點(diǎn),而是有一定的距離,從而造成了誤差;b.在進(jìn)行車(chē)內(nèi)噪聲合成時(shí),忽略了結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲之間的關(guān)系,造成了誤差;c.在試驗(yàn)中只考慮了主要的噪聲傳遞路徑,忽略了其他一些次要的路徑,從而產(chǎn)生了誤差。5.2不同路徑對(duì)車(chē)載噪聲的影響圖3和圖4為各個(gè)路徑對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)譜圖及頻譜圖。從圖3中可以看出,車(chē)內(nèi)噪聲在頻率為26.7Hz、53.4Hz、80.1Hz左右有峰值。因?yàn)樵撥?chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸發(fā)動(dòng)機(jī),且怠速時(shí)的轉(zhuǎn)速為800r/min,所以可知頻率為26.7Hz是該車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的2階頻率。通過(guò)各個(gè)路徑對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)量比較(圖5)可知,排氣管吊點(diǎn)4的Z向、發(fā)動(dòng)機(jī)右懸置Z向及發(fā)動(dòng)機(jī)左懸置Y向的貢獻(xiàn)量最大,為主要的傳遞路徑;而發(fā)動(dòng)機(jī)后懸置X向、發(fā)動(dòng)機(jī)左懸置X向及發(fā)動(dòng)機(jī)前表面的貢獻(xiàn)量最小。5.3排氣吊點(diǎn)z向的振動(dòng)通過(guò)對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)量分析以后,可以對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)量的路徑進(jìn)行頻響函數(shù)與工作力的分析,由此可以判斷是車(chē)身結(jié)構(gòu)的問(wèn)題還是噪聲源的問(wèn)題。從圖6和圖7中可知,在頻率為26.7Hz時(shí),排氣管吊點(diǎn)Z向的貢獻(xiàn)量主要是由吊點(diǎn)Z向的工作力所引起的,即發(fā)動(dòng)機(jī)2階頻率時(shí)振動(dòng)所產(chǎn)生的力引起的。發(fā)動(dòng)機(jī)懸置(圖