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TPA分析的目的
2019-08-27 00:53:05· 来源：模态空间 作者：谭祥军
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在“源-路径-接受者”模型中的接受者一侧，作为接受者的人体可以将振动，如座椅导轨振动、方向盘振动，或噪声，如耳旁噪声，设置为目标测量量。或者同时将二者设置为目标测量量。当目标量为噪声时，人们经常把噪声分为结构声和空气声。目标点的噪声由结构激励引起的，则为结构路径；由源因表面振动引起源周围的空气振动传递到目标点的路径为空气路径。但实际上，目标为振动时，也可能由结构振动路径或空气路径所引起，因此，存在两类激励和两类目标，对应四种可能的路径类型，如图1所示，即目标点的振动可以是结构激励或声音激励引起的；目标点的噪声可是以结构声或空气声引起的。
图1 四种可能的路径类型
当进行TPA分析时，需要同时考虑所有可能的路径类型，这意味着我们能比较每条路径对每个目标点的贡献量。这样一来，就可以确定哪条路径传递的能量最多，不同路径之间是如何影响的，是由空气路径传递的还是由结构路径传递的，以及是系统问题还是源的问题，或者二者都有问题。如图2所示，在右侧的第一种情况中，由于激励存在相应的峰值，因此，在目标点响应中也出现了峰值，这是由激励源引起的。而在第二列中，由于结构的传递特性有共振峰，因此，响应中也出现与结构特性相对应的峰值。而第三种情况则是最糟糕的情况，因为激励源产生的载荷和结构特性都有峰值，并且激励对应的频率峰值与结构第一阶固有频率相等，导致结构会出现明显的共振特性，因而，将导致目标点处的响应很大，存在明显的振动噪声问题。
图2 不同的情况
为了确定到底是系统问题还是源问题，我们需要对结构进行工况数据和传递函数测量。测量工况数据时，激励源处于正常工作状态下，而在实验室中测量传递函数时，需要把激励源拆除，这是因为如果激励源存在，可能导致不同的路径之间相互影响，从而传递函数测量不准确。本质上，如果你只是考虑实验室测量（传递函数测量），那么只可能是对系统问题进行调查，没有考虑任何源的贡献，而工况数据同时考虑源和系统的作用。通过联合两类测量数据，可以指出结构所处的问题到底属于图2中三种情况的哪一种。
为了能够比较每条路径的重要性，我们需要量化有多少能量从源这一侧流向到了接受者一侧。这可以通过测量目标点的响应进行判断，如驾驶员耳旁噪声，它是所有路径在目标点的贡献之和。一条路径的贡献量等于在那条路径位置的激励引起的一部分目标点的响应，也等于路径输入点到目标点的传递函数与路径输入点的工作载荷的乘积。由于目标点的响应是所有路径在目标点处产生响应叠加得到的，因此，可以比较每条路径在目标点处产生的响应的大小，也就是所谓的各条路径对目标点总响应的贡献量。通过比较不同路径的贡献，我们可以指出需要进一步调查的重要路径。
当比较结构路径和声学路径时，二者实质上是相同的方式，细微的差别在于结构路径的传递函数称为频响函数（VTF），而声学路径的传递函数称为噪声传递函数（NTF）。目标点测量的响应是所有路径贡献之和，所以，结构路径和声学路径可以按相同的方式处理，不需要区别对待。实际在处理过程中，是按矩阵的形式来处理的，系统矩阵同时包含了声学路径和结构路径到目标点的传递函数，系统矩阵乘以由声学载荷和力载荷组成的载荷向量得到目标点的响应向量。
一旦知道了哪一条或几条路径对接受者的贡献最大，我们就可以对这些路径做进一步的调查。导致路径产生贡献大的原因可能是激励源或者是系统的传递路径引起的，或者二者同时作用。
比如，车内不希望出现的噪声的一个重要的贡献者可能是涡轮增压器通过空气路径传递到驾驶员耳朵的噪声。如果涡轮增压器辐射了大量的1阶噪声，在1阶频率处将有大的体积速度激励车身，在车内将出现这1阶噪声。改善这一阶噪声的一个可能办法是减少涡轮增压器轴的不平衡量。另一个可能的方法是在涡轮增压器内壁铺设吸音材料或者用隔音材料包裹涡轮增压器外壁。
图3 涡轮增压器
另外一个例子是接受者侧的问题与系统的传递特性相关。如果车辆有一阶固有频率在200Hz处，任何来自发动机悬置处的激励在那个频率处将导致车内产生较大的振动和与之相关的噪声，即使这个激励力的量级较低。这种情况下，我们可以尝试加强车身的刚度，使这阶固有频率往上移动；或者也可以使发动机的转速不超过6000rpm，这样能保证发动机的2阶次不会激励车身产生共振问题。
对于传统的降噪手段而言，通常是针对噪声频谱中幅值大的噪声，这有点类似打鼹鼠游戏（见图4），哪个频率的幅值高就消除或降低哪个频率。但对于TPA分析（其他也类似）来说，这种打鼹鼠式降噪方法不一定行得通。这是因为当我们努力去消除或降低一条重要的路径贡献量时，必须保证这条路径不会抵消其他路径的贡献量。当两条路径贡献量的幅值相当，但相位差不多反相时，消除两条路径中的一条将会使原始要改善的问题更加严重。如图5所示，P1和P2路径对应的噪声幅值大小相当，相位差接近180度，这样当两条路径同时存在时，目标处的实际噪声大小为Ptot，它的大小小于P1，但是当消除P2之后，目标处的噪声大小为P1，这时消除P2反而增大了目标处的噪声，使问题更加严重。因此，降噪时除了从幅值大小来考虑之外，还应考虑相位关系。
图4 打鼹鼠游戏
图5 两条路径起到相互抵消的作用
当我们获得模态结果之后，可以对结构再进行修改，如添加质量、阻尼或动力吸振器等，获得修改之后的模态结果，也就是所谓的修改预测功能，从而指导我们进行实际的工程决策。相同的道理，在进行TPA分析之后，可以对路径进行调查，如修改某条路径的工况数据，或悬置动刚度曲线，或路径输入点到目标的传递函数，然后再计算修改之后的贡献量，对比修改前后的变化，从而指导实际的工程决策。
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