传递路径分析法(TPA)进行车内噪声优化的应用研究

传递路径分析法（TPA）进行车内噪声优化的应用研究
作者：李传兵
摘要：本文基于传递路径分析方法并使用LMS 公司的相关软件，对开发中的某车型的车内轰鸣噪声问题进行了分析，找出了对车内轰鸣声贡献最大的传递路径，并通过有针对性地结构改进，有效地消除了该转速下的轰鸣声问题。

关键词：NVH 传递路径分析法（TPA，Transfer path analysis）贡献量分析
车内振动噪声可以看成是由多个激励经过多条传递路径到达目标点叠加而成的，如果能准确地判断出各主要激励源和传递路径的贡献量，并针对贡献量大的激励源和传递路径作相应的优化改进，则NVH 改进工作效率能得到大大的提高。

为此，在汽车的NVH 性能分析中，常常将汽车简化为由激励源（振动源、噪声源）、传递路径和响应点组成的动态系统。

能同时考虑激励源和传递路径的传递路径分析法在汽车NVH 性能开发中得到了广泛关注，各专业公司都纷纷开发专门的商业化测试分析系统，LMS 的TPA 分析软件无疑是其中的杰出代表，已成为在汽车领域应用最广泛的商业系统之一。

传递路径分析方法可以用于结构传播噪声和空气传播噪声问题的诊断、分析和优化，本文将以某车型的结构传播噪声优化为例，详细阐述LMS 传递路径分析方法的实际应用过程和效果。

一、（结构）传递路径分析法基本原理
假设汽车受m 个激励力作用，每一激励力都有x、y、z 三个方向分量，每一激励力分量都对应着n 个特定的传递路径，那么这个激励力分量和对应的某个传递路径就产生一个系统响应分量。

以车内噪声声压作为系统响应，在线性系统的假设基础上，这个由于结构力输入产生的声压则可以表示为：
上式中，(ω) mnk H 是传递函数，(ω) nk F 是激励力。

由上式所知，激励力和频响函数是TPA 分析的输入量，因此进行TPA 分析需要做的工作
主要为：
激励力获取：获取激励力的方法有多种，有直接测量法、复刚度计算法以及矩阵求逆法，这些方法各有优缺点和适应性，需要根据实际情况来选用。

在很多时候，激励力获取的准确程度会直接影响到TPA 分析的成败。

关于激励力的测试和计算方法已有很多详细的论述，本文从略。

路径频响函数获取：对于结构声，称激励源侧为主动方，目标点侧为被动方。

以动力总成系统为例，则悬置的发动机侧为主动方，悬置的车身侧为被动方，被动方与主动方通过悬置或者橡胶等连接在一起，称之为耦合件。

所谓的结构传函一般指耦合件的被动方到目标点的传递路径函数。

响应合成：按照源、路径、响应模型对已获得的激励力和路径频响函数进行合成，计算出系统的响应，并与实测响应进行比较，判断综合效果。

只有合成结果达到一定的准确度，各路径的贡献量分析才有了基础。

贡献量分析：计算各传递路径的贡献量，并对主要贡献量的传递路径进行激励力和路径传函分析，并以此判断这些主要传递路径中该重点对激励力还是路径进行改进。

二、TPA 测试基本步骤
2.1 典型工况下车内振动噪声信号拾取：在声学转鼓上，挂二档或者三档，1000-6000rpm 缓加速，测量车内目标点信号；
2.2 典型工况下车内目标点弱点分析：通过频谱分析、阶次分析等手段，确定引起噪声或者振动峰值的频率与阶次，比如2 阶、4 阶；
2.3 TPA 分析模型建立：根据具体车型的情况，建立传递函数分析的模型，确定激励点个数、参照点个数及具体位置；
2.4 典型工况下激励点位置运行工况数据拾取：测量并保存激励点3 个自由度的加速度数据信号，提取2、4 阶信号留作分析，该步骤可以在2.1 中同步进行；
2.5 典型工况下参照点位置运行工况数据拾取：测量并保存参照点3 个自由度的加速度数
据信号，提取2、4 阶信号留作分析，该步骤可以在2.1 中同步进行；
2.6 用锤击法或者激振器进行传递函数测试：测试激励点—目标点、激励点-参照点、激励点-激励点之间传递函数，用于激励力分析及各路径贡献量分析；
2.7 数据汇总处理：将TPA 分析所需要的数据（包括FRF、运行工况数据、目标点实际测试值及悬置刚度值）汇总到一个项目中，然后将其转化为Cada_X项目文件。

2.8 TPA 软件模块分析，计算所有路径对车内目标点的贡献：在TPA 分析模块中，可以进行激励力计算、各路径贡献量分析、各子系统贡献总量分析等等。

根据分析结果可以知道，对于车内目标点信号在某转速下各阶次（如2 阶）分量：最主要的贡献路径，各路径起点处的激励力，是否结构问题占主导等。

下面将以实际例子来进行说明。

三、应用举例
在仅考虑结构传递的前提下，为了研究某车型（以下称A 车）在各转速下发动机振动对车内振动噪声的贡献状况，我们进行了由发动机振动到车内目标点（驾驶员右耳、座椅振动等）的传递路径分析（TPA），找到了主要的贡献路径，然后根据TPA 的试验结果有针对性地进行了优化修改，大大提高了NVH 优化改进试验的效率与准确性。

下面将详细介绍该项目的具体操作过程。

3.1 TPA 模型建立
根据A 车型的具体结构，我们建立了如下的“动力总成（PT）——车内目标点”的传递路径模型：
图1 A 车PT 系统结构传递路径模型图
根据该模型确认了在车身侧的10 个力输入点（如上图0001-0006 及L501、L502、R501、R502 所示），然后依据参照点个数〉=2 倍的力输入点个数的原则在10 个力输入点旁边布置了20 个参照点，所有力输入点及参照点均以三向振动传感器进行测试。

车内目标点以常规的位置进行测试。

3.2 声学转鼓台架试验
3.2.1 整车车内振动噪声弱点分析
为了避免由于路面激励带来的影响，我们在声学转鼓上进行该试验，测试的工况为二档1000-5000rpm 缓加速，车内目标点有驾驶员右耳声压、座椅导轨振动等。

图2 为驾驶员右耳声压二档加速Overall 和主要阶次图：
图2 车内噪声弱点与阶次分析
通过分析，我们发现A 车在2600rpm 和3300rpm 附近存在较大的峰值。

以3300rpm 峰值为例，再进一步的通过频谱分析、阶次分析，确定了主要由二阶激励引起，对应的频率为110Hz 左右。

3.2.2 运行工况数据测试
因激励力是采用矩阵求逆的方法计算而得，因此需要测试激励点（10×3 自由度）、参照点（20×3 自由度）的运行工况数据。

针对3300rpm 峰值问题，提取所有激励点、参照点的二阶数据，用于TPA 分析计算所用。

3.3 FRF 测试
在进行FRF 测试时，需要将PT 系统拆除，然后采用锤击法测试所需要的传递函数。

3.3.1 激励点——目标点的传函测试：用于各路径贡献量分析；
3.3.2 激励点——参照点、激励点——激励点的传函测试：用于计算实际运行工况下激励点输入力。

3.4 TPA 软件分析，计算各路径对车内目标点的贡献量
在LMS 的TPA 分析软件里面，提供了多种图形表达方式来进行贡献量的分析，有Logarithm vector Display（矢量叠加图）、Color Display、Percentual paths Contribution 等等。

通过对这些图形分析我们可以直观的判断出哪条路径贡献量最大或者对各条路径贡献量进行排序对比，找出问题主因是输入力过大抑或传递路径结构问题引起。

下面以A 车型的实际分析结果来进行说明，以3300rpm 为例，因为在该转速下2 阶激励为主因，提取该阶次的信号进行分析对比，得到结果如下图所示：
图 3 A 车3300rpm 各路径贡献矢量分析图
表1 A 车3300rpm 各主要传递路径数据对比分析表
从矢量图3 中可以判定从SUBF：R501 点Y 向到目标点这条路径为贡献量最大的路径。

再根据表一数据对比分析，发现各主要路径结构传递函数基本处于同一水平，而SUBF：
R501 点Y 向输入力大是引起该路径贡献量大的主要原因。

根据TPA 的分析结果，回顾“图1 A 车PT 系统结构传递路径模型图”，发现SUBF:R501 点是车轮摆臂与副车架相连的点，因该实验是在声学转鼓上进行的，而此处激励力的唯一来源便是经由传动轴过来，初步怀疑传动轴可能存在结构问题，为此需要进行相关试验进行论证。

3.5 传动轴改进验证
根据阶次分析和TPA 试验分析结果，二阶激励和传动轴的结构问题可能为引起3300rpm 车内轰鸣声的主要原因，针对传动轴作以下两种方案的修改：改变传动轴的结构与质量；在传动轴上增加110Hz 动态吸振器。

在试验过程中，以上两种方案对改善3300rpm 噪声峰值都有很明显的作用，尤以增加动态吸振器方案效果更为显著。

图4 为验证用的是传动轴，图5 为改进效果。

图4：在传动轴上增加两个110Hz 动态吸振器
图5：改进前后车内噪声对比
四、结论
综上所述，传递路径分析法是一种高效、准确的结构噪声分析方法。

通过传递路径分析可以知道：有哪些传递路径存在，哪条路径贡献量最大，是传递部分的结构问题还是激励的问题。

不过也需要特别指出，在具体运用中，只有建立准确的TPA 模型和实施高质量的试验和测试，才能运用TPA 分析方法进行有效的指导，并为具体的修改设计指明方向。