NVH|浅议传递路径分析(一)
大家好，我是团长。
本期继续介绍NVH系列文章（感谢博然对本文的大力支持）。
任何一个机械系统运行时的振动噪声(NVH)现象都是无法避免的，过大的振动噪声不仅会损害产品工作状态的稳定性、可靠性和寿命，并且主观感受差。对于NVH工程师来说，其工作的意义就是尽可能减弱、隔离一切不必要的噪声振动。在复杂机械系统的NVH问题分析过程中，测量目标点所得的数据是由不同的激励通过多条传递路径传输至目标点响应位置叠加而成。为更好的分析解决问题，优化产品综合性能，需要对机械系统的激励源及各条传递路径进行综合分析。
作为研究分析此类问题的试验测试方法之一，传递路径分析(TransferPath Analysis，TPA)可以识别对目标点贡献量最大的主要传递路径，通过控制或优化主要传递路径进行机械系统NVH问题的优化解决。根据数据类型的不同，可将TPA方法分为频域TPA和时域TPA两类。前者采用激励源的载荷谱与路径的频率响应函数(FrequencyResponse Functions，FRF)，结合激励源的激励特性对关键频率进行分析，适用于机械系统稳态工况或准稳态工况，更好的反映机械系统整体的频域特性；后者则直接采用激励源的时域激励信号和路径的脉冲响应函数所构成的滤波器来实现传递路径分析，可以获得非稳态事件和瞬态事件的详细信息，可实现噪声信号的回放试听和基于时间历程的声品质瞬态分析。一般的不特别指出，我们所讨论的TPA方法是指频域TPA。假设系统为线性时不变系统，TPA方法将系统分为三部分：激励源、传递路径及目标点响应，从而建立“源-传递路径-接受体”分析模型。则在目标点处产生的响应是各激励源的工作载荷激励沿不同路径传递到目标点能量的叠加，如下式所示。式中：为第k个目标点的总响应；n为结构载荷传递路径数量；p为声学载荷传递路径数量；为系统中的结构载荷；为系统中的声学载荷；为被动端结构载荷至目标点k之间的非耦合频响函数(VTF)；为被动端声学载荷至目标点k之间的非耦合频响函数(NTF)。其中某一条路径对目标点响应的影响程度以贡献量的形式表现出来，根据各条路径贡献量的计算分析结果，识别主要传递路径以及频率范围。如典型的汽车振动噪声问题的TPA分析，轿车是由多个具有固有振动特性的子系统组成的复杂机械系统。整车运行过程中，人们在车内所感受到的振动噪声，是由多个激励源产生的结构载荷和声学载荷，通过不同路径的衰减/放大传递最终至车内所产生的。通过建立汽车的“源-传递路径-接受体” 分析模型，识别不同路径贡献量的大小，进而确定主要车内振动噪声的主要传递路径，分析车内振动噪声噪声问题是激励源载荷过大引起还是传递路径放大所引起的。汽车的TPA分析模型如图1所示。TPA分析的主要流程包括FRF测试，运行工况数据测试、工况载荷识别、路径贡献量计算。如图2所示。其中FRF测试和工况载荷识别为TPA分析过程中最重要的部分，对分析结果的准确性起决定性作用。包括结构路径的FRF识别及声学路径的FRF识别，其表示单位结构或者声学载荷所引起的声压大小，反映了路径对激励的衰减或者放大的能力。FRF是系统的固有属性，只与结构的本身属性有关，与输入特性无关。可通过数值计算或试验分析获得，主要有子结构综合法和模态叠加法。工程应用中通常以激振器、力锤或体积声源对系统进行激励，测试目标点的响应和输入的激励计算获得。包括结构载荷识别和空气载荷识别，结构载荷一般为激励力，空气载荷为声源的体积速度或者体积加速度。结构载荷识别是指对振源的结构力的识别。可分为解析计算法、数值分析法与试验法三种，作为结构力识别的主要方法，试验法所得结果较为真实可靠，主要有直接法、复刚度法、驱动点传递函数法及逆矩阵法。声学载荷识别是对声学激励-体积加速度的识别，是声波在一指定表面产生的单位面积时间的交变流量。常用方法有声波辐射面逐点采集法、逆矩阵法、声强推导法、单一源求逆法等。鉴于篇幅对于各种方法不再一一进行阐述。自从19世纪80年代首次提出 TPA 方法以来，随着研究深入以及NVH测试设备性能的发展完善，逐渐衍生出如传统传递路径分析(CTPA)、多级传递路径分析(MTPA)、快速传递路径分析(FTPA)、工况传递路径分析(OTPA/OPA)、扩展工况传递路径分析(OPAX)等方法，己广泛应用于机械、汽车、家电、船舶、飞机制造等行业。各类型传递路径分析方法特点的对比见表1。分别以建模分析时间和分析精确度为坐标的分布图如图所示，可以更直观的感知不同TPA方法的特点。历经四十多年的发展实践，不同的TPA方法分别具备各自的优缺点。鉴于篇幅有限不一一进行阐述，在实际工程应用中，NVH工程师可根据测试数据量、分析精度、工作效率等特点，具体问题具体分析，选择适合的传递路径分析方法。
