现场测量表征激励源的部件传递路径分析方法研究_杨星瑶.pdf

第 41 卷第 6 期2022 年 12 月Vol.41,No.6Dec.,2022声学技术Technical Acoustics现场测量表征激励源的部件传递路径分析方法研究杨星瑶1,2，卢炽华1,2，刘志恩1,2，朱亚伟1,2(1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北武汉 430070；2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北武汉 430070)摘要：在经典的传递路径分析(Transfer Path Analysis,TPA)方法中，由于激励源内部激励力通常难以测量，而通过被动部件连接界面的接触力求解，但测量传递函数时需要移除激励源解耦，工作效率大大降低。为了解决这一问题，研究了一种部件TPA方法，在不移除激励源的情况下现场测量传递函数，利用一种表征激励源固有特性的约束力求解。以一套模拟发动机结构噪声传递路径的试验台架为研究对象进行TPA试验.结果表明，部件TPA对目标点总响应的预测值与实测值相比基本吻合，但对各传递路径的具体贡献量分析与经典TPA相比稍有差异。另外，通过现场测量获得的约束力能够表征激励源的固有特性，当被动部件结构改变时可以对新的目标点做出响应预测。关键词：传递路径分析；传递函数；部件TPA；现场测量；约束力中图分类号：U467 文献标志码：A 文章编号：1000-3630(2022)-06-0894-09Research on the component-based TPA method via in-situ measurement to characterize excitation sourceYANG Xingyao1,2,LU Chihua1,2,LIU Zhien1,2,ZHU Yawei1,2(1.Wuhan University of Technology,Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components,Wuhan 430070,Hubei,China;2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology,Wuhan 430070,Hubei,China)Abstract:The classical transfer path analysis(TPA)method is solved by the contact forces at the connection interfaces of passive components,because the internal excitation force of the excitation source is usually difficult to measure.However,the excitation source needs to be removed for decoupling when measuring the transfer function,which greatly reduces the work efficiency.In order to solve this problem,a component-based TPA method is studied,in which,the transfer function is measured in-situ without removing the excitation source,and the equivalent blocked forces that characterizes the inherent characteristics of the excitation source is used to solve the problem.A set of test bench that simulate the transfer path of engine structure noise are used as the research object for TPA test.The test results show that the predicted total response value of the component-based TPA to the target point is basically consistent with the actual measured value.But the analysis of its specific contribution to each transfer path is slightly different from the classical TPA.In addition,the blocked forces obtained through in-situ measurement can characterize the inherent characteristics of the excitation source,and the response prediction can be made to a new target point when the passive component structure changes.Key words:transfer path analysis(TPA);transfer function;component-based TPA;in-situ measurement;blocked force0引 言在汽车行业的发展中，传递路径分析(Transfer Path Analysis,TPA)方法基于“源-路径-接收者”模型，适用于进行结构噪声的诊断与预测1。TPA的核心思想是将系统分为相互耦合的主、被动部件两部分，主、被动部件之间连接的每一个自由度代表一条传递路径，目标点的响应通常被认为是所有传递路径贡献量的总和。通过评估不同传递路径的贡献量，可以用来分析问题路径或预测目标点响应。考虑到激励源内部的激励力通常难以测量，经典TPA(Classical TPA)方法利用被动部件连接界面的等接触力(Contact Forces)进行求解2。通过安装引用格式：杨星瑶,卢炽华,刘志恩,等.现场测量表征激励源的部件传递路径分析方法研究J.声学技术,2022,41(6):894-902.YANG Xingyao,LU Chihua,LIU Zhien,et al.Research on the component-based TPA method via in-situ measurement to characterize excitation sourceJ.Technical Acoustics,2022,41(6):894-902.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2022.06.015收稿日期:2021-06-24;修回日期:2021-07-14基金项目:国家自然科学基金(科学部编号 5217051173，批准号52175111)。作者简介:杨星瑶(1997)，女，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为汽车振动与噪声控制。通信作者:刘志恩，E-mail:L第 6 期杨星瑶等：现场测量表征激励源的部件传递路径分析方法研究在连接界面的力传感器直接确定接触力通常难以实现，通常利用连接界面至目标点的传递函数和逆矩阵法3间接获得等效接触力。但在传递函数的测量过程中需要将主动部件移除解耦4，这一操作大大降低工作效率。近年来，为了解决经典TPA操作复杂的问题，提出了多种类型的TPA方法并应用于实际中，主要包括工况传递路径分析(Operational TPA,OTPA)、扩展工况传递路径分析(Operation Path Analysis with Exogenous Inputs,OPAX)和部件传递路径分析(Component-based TPA)等。OTPA方法5基于多自由度系统的传递率理论，直接利用工况响应进行贡献量分析，分析效率较高，但仅对目标总响应合成精度较高，难以保证相互耦合路径贡献量的分析精度。OPAX方法6在经典TPA的基础上引入结构上的参考响应点，采用参数化动刚度模型来识别连接界面等效接触力，由于参考响应点数远少于经典TPA，所以分析效率有所提高，但适用频率范围有限，信噪比不易保证。而部件TPA方法作为一种更关注部件组合结构的传递路径分析方法，核心思想是利用作用于主动部件连接界面的等效约束力(Blocked Forces)来表征激励源2。当主动部件连接至新的被动部件时，经典TPA由上一被动部件获得的界面接触力无法用来预测新的目标点响应。而部件TPA获得的约束力作为激励源的固有特性，可以传递至与之连接的不同被动部件。为了得到这种约束力，大量学者利用自由振速法(Free Velocity Method)或刚性约束力法7-8(Blocked Force Method)，但其要求的自由边界或完全刚性约束边界条件实现较为困难。Moorhouse等9和Elliot等10提出一种现场测量(In-situ Measurement)方法，在不分离主被动部件的情况下直接测量传递函数获取约束力。该方法一经提出得到了大量学者的认可，ISO标准委员会11经过多年的研究和验证，专门针对该方法制定了一个新的标准。通过现场测量表征激励源的思想用于部件TPA方法中，不仅避免了经典TPA中分离主被动部件的操作，对于产品设计阶段对目标点的振动传递进行早期预测还有着巨大作用。目前，国外在部件TPA方法上主要研究约束力预测新被动部件目标点响应的可靠性与精度问题12-16，对于整个传递路径分析过程中各路径贡献量的研究较少，而国内目前基本没有部件TPA方法相关的文献记载。由于经典TPA在目前众多方法中分析精度最高，在不考虑时间成本的前提下多选择经典TPA方法进行求解17，因此本文通过搭建一套模拟发动机结构噪声传递路径的试验台架，设计传递路径分析试验，对比目标点总响应的测量值与经典TPA、部件TPA方法合成值的差异。同时，对比两种方法对各路径贡献量分析结果，以经典TPA结果为基准，验证部件TPA方法在路径贡献量分析上的可靠性。另外，通过更改试验台架被动部件结构，利用在上一被动结构上通过现场测量获取的约束力预测新的目标点总响应，验证约束力作为激励源固有特性的可靠性。1传递路径分析理论在传递路径分析中，假设系统是线性时不变系统，则目标点的响应等于不同传递路径传播到目标点的能量总和，可将其分为结构振动贡献量和空气传播贡献量两大类，即：yk=i=1nHikFi+j=1pHjkQj(1)式中：yk为目标点k的总贡献量，若目标点响应为声压响应时，单位为Pa；若为加速度响应时，单位为m s-2。Hik为结构传递路径i到目标点k的传递函数，Fi为结构传递路径i处的结构载荷，Hjk为空气传递路径j到目标点k的传递函数，Qj为空气传递路径j处的声学载荷。其中，声学载荷Qj单位为Pa，与结构载荷相关的Fi以及下文的F1、Fc、Fbl单位均为N。传递函数H若为力振传函VTF时，单位为m s-2 N-1；若为力声传函NTF时，单位为Pa N-1。大多数传递路径分析问题可简化为图1所示的分析模型，子系统A与子系统B在节点2处相互耦合，共同构成动态系统C。为简化推导，本文仅考虑系统结构传递路径。子系统A内部节点1处产生激励力F1，子系统B内部节点3为目标点，节点1处产生的激励经节点2传递至节点3产生响应。1.1经典TPA方法在实际工程问题中，主动部件内部的激励力F1实际值难以测量，甚至节点1的具体位置也无法确图1 传递路径分析问题的简化模型Fig.1 Simplified model of TPA problem8952022 年声学技术定，因此在经典TPA通常将