一种消除串扰的振动传递路径测试方法

摘要

本发明涉及一种消除串扰的振动传递路径测试方法，包括：采用测量传递函数或非正交向量的形式获得解除串扰传递矩阵，并计算解串扰广义参考信号或受挡力；基于广义参考信号或受挡力对工况传递路径进行分析，获得传递系数；根据广义参考信号或受挡力，以及传递系数，计算各个振源在一响应位置处的贡献量。

权利要求

1.一种消除串扰的振动传递路径测试方法，包括：

步骤1)、采用测量传递函数或非正交向量的形式获得解除串扰传递矩阵，并计算解串扰广义参考信号或受挡力；

在步骤1)中，在测量传递函数或非正交向量时分为三种情况，包括：能够分步运转的情况；无法分步运转的情况；部分能够分步运转、部分无法分步运转的情况；其中，对于能够分步运转的情况，在测量时，在各振源处布置参考点响应传感器，同时分步运转各独立激励源；假设共n个振源，m个参考点响应传感器，各点的测量响应构成坐标向量其中上标表示第i个振源独立运行的工况，下标表示参考点响应传感器编号，即表示第i个振源独立作用时在j位置的响应频谱；

参考点响应传感器个数应多于振源个数，即m≥n，且尽量靠近振源处；n个振源单步运转获得n个独立参考信号向量；利用这些向量构建解耦矩阵，获得广义参考向量，广义参考向量 的计算过程为：其中：上标rpm(j)表示第j个转速工况，“+”表示求广义逆；

对于无法分步运转的情况，在测量时，通过力锤激励的方式获得传递函数，进而得到解耦受挡力；具体包括：采用力锤在激励源处一次激励起结构对所有参考点的传递函数，其传递函数形式是参考点的个数m大于振源个数，对于n个振源各独立激励获得所有传递函数：

采用力锤激励的方式获得传递函数后，通过下面的公式(2)获得解耦受挡力：对于部分能够分步运转、部分无法分步运转的情况，假设前k个能够分步运转，后k+1到n个振源无法分步运转，则构建以下非正交分解向量矩阵，以及获取广义参考向量的计算如公式(3)：步骤2)、基于步骤1)得到的广义参考信号或受挡力对工况传递路径进行分析，获得传递系数；

步骤3)、根据步骤1)得到的广义参考信号或受挡力，以及步骤2)得到的传递系数，计算各个振源在一响应位置处的贡献量。

2.根据权利要求1所述的消除串扰的振动传递路径测试方法，其特征在于，对于无法分步运转的情况，若无法在振源处激励，则在参考点激励，并利用互易原理获得传递函数；具体包括：若在一参考点j处激励，能够一次性获得j点对所有参考点的传递函数：通过对m个参考点激励，m≥n，获得所有传递函数 其中任何一行是一非正交传递向量；

采用互易法获得传递函数后，同样通过下面的公式(4)获得解耦受挡力：

3.根据权利要求2或1所述的消除串扰的振动传递路径测试方法，其特征在于，所述步骤2)包括：构建基于受挡力的工况传递路径分析法，如下：其中 表示第i个工况的响应信号，通过求广义逆获得传递系数：其中：s为总工况数，s≥n。

4.根据权利要求3所述的消除串扰的振动传递路径测试方法，其特征在于，所述步骤3)采用如下公式计算各个振源的贡献量：

说明书

一种消除串扰的振动传递路径测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种振动源的测量识别方法，特别涉及一种消除串扰的振动传递路径测试方法。

背景技术

[0002] 复杂结构的振动包括三部分：振动源、振动传递路径及振动接受结构，若采用一定技术手段发现主要振源和传递路径，针对主要振源和传递路径采取减振降噪办法将能有效降低振动与噪声，在非关键部位采用的减振降噪手段起不到主要作用。减振降噪的前提也是传递路径分析和振源大小的辨识问题。

[0003] 传递路径分析需要解除串扰激励源，即拆卸发动机等振源获得传递函数，很多情况不易于实现。在参考文献1“A.T.Moorhouse,A.S.Elliott,T.A.Evans.In situ measurement of the blocked force of structure-borne sound sources.Journal of Sound and Vibration,2009(325):679–685”中提出了一种基于受挡力传递路径分析法，其中的受挡力是指将机器拆离固定于刚性基础上施加给基础的力。如：一振源结构如图1所示，受到力f1作用下，自由状态2点响应为a2；若将2点安装在固定地面上，使该点响应a2＝0，这时作用在地面2点的力为f2B，称该力为受挡力。根据传递函数法，可以列出1、2点间的方程为：

[0004]

[0005] 假设a2＝0，推导出 因此受挡力完全与力源和力源结构有关，受挡力代表了振源结构的固有特性。

[0006] 对于实际结构，可通过不拆卸机器获得受挡力，如：一个受到三个源的复合系统，在不拆离机器的情况下，依次敲击机器隔振器根部位置，例如：在图2中的步骤(1)中，敲击A隔振器根部，测量A，B，C根部响应 然后计算传递函数式中上标表示实验步骤，下标表示位置。同理步骤(2)，
敲击B隔振器根部获得传递函数 步骤(3)时，敲击C隔振器根部获得传递函
数

[0007] 因此，获取上述传递函数后可以通过下式计算获得受挡力：

[0008]

[0009] 三个机器对任何一个响应点0的传递函数为： 则各振源对该点贡献为：

[0010] 该方法的缺点是需要在各振源处激励获得复合结构的传递函数，但实际源处空间有限，无法布置激振器，应用存在困难；另外也无法反映运行工况下的结构特性。

[0011] 另外一种传递路径分析法是OTPA(operational transfer path analysis)传递路径测试法，参见参考文献2“D.deKlerk,A.Ossipov.Operational transfer path analysis:Theory,guidelines and tire noise application.Mechanical Systems and Signal Processing,2010(24):1950–1962”，其原理是在激励源处布置传感器的测量响应信号作为参考信号(如下方程的a1，a2，...am)，将关心响应点处的响应作为观察点(如下方程中的ay)，通过多工况运行获得以下方程：

[0012]

[0013] 则可解出传递率系数：

[0014]

[0015] 一般效工况数s应大于或等于m，上式右边的求逆运算唯一，可获得传递率系数矩阵，计算某个工况下源的贡献大小为：

[0016]

[0017] 该方法不需要拆卸机器，可在线工况测量，测试结果反映实际工况情况。但表征振源的参考响应信号存在串扰，如图3所示：用来代替振源的振动响应不仅仅来源于该源，还来源于其它源，串扰造成源分析的错误。

[0018] 综上所述，现有的传递路径分析方法各自存在一定的缺陷，需要一种易于应用、且能够有效消除串扰的路径测试方法。

发明内容

[0019] 本发明的目的在于克服现有的传递路径分析方法所存在的缺陷，提供一种易于应用、且能够有效消除串扰的路径测试方法。

[0020] 为了实现上述目的，本发明提供了一种消除串扰的振动传递路径测试方法，包括：

[0021] 步骤1)、采用测量传递函数或非正交向量的形式获得解除串扰传递矩阵，并计算解串扰广义参考信号或受挡力；

[0022] 步骤2)、基于步骤1)得到的广义参考信号或受挡力对工况传递路径进行分析，获得传递系数；

[0023] 步骤3)、根据步骤1)得到的广义参考信号或受挡力，以及步骤2)得到的传递系数，计算各个振源在一响应位置处的贡献量。

[0024] 上述技术方案中，在步骤1)中，在测量传递函数或非正交向量时分为三种情况，包括：能够分步运转的情况；无法分步运转的情况；部分能够分步运转、部分无法分步运转的情况；其中，

[0025] 对于能够分步运转的情况，在测量时，在各振源处布置参考点响应传感器，同时分步运转各独立激励源；假设共n个振源，m个参考点响应传感器，各点的测量响应构成坐标向量 其中上标表示第i个振源独立运行的工况，下标表示参考点响应传感器编号，即表示第i个振源独立作用时在j位置的响应频谱；

[0026] 参考点响应传感器个数应多于振源个数，即m≥n，且尽量靠近振源处；n个振源单步运转获得n个独立参考信号向量；利用这些向量构建解耦矩阵，获得广义参考向量，由于广义参考向量与受挡力在本申请方法中的作用没有本质的区别，所以后面对广义参考向量和受挡力都用符号 表示；广义参考向量 的计算过程为：

[0027]

[0028] 其中：上标rpm(j)表示第j个转速工况，“+”表示求广义逆；

[0029] 对于无法分步运转的情况，在测量时，通过力锤激励的方式获得传递函数，进而得到解耦受挡力；具体包括：

[0030] 采用力锤在激励源处一次激励起结构对所有参考点的传递函数，其传递函数形式是 通常参考点的个数m大于振源个数，对于n个振源各独立激励获得所有传递函数：

[0031] 采用力锤激励的方式获得传递函数后，通过下面的公式(2)获得解耦受挡力：

[0032]

[0033] 对于部分能够分步运转、部分无法分步运转的情况，假设前k个能够分步运转，后k+1到n个振源无法分步运转，则构建以下非正交分解向量矩阵，以及获取广义参考向量的计算如公式(3)：

[0034]

[0035] 上述技术方案中，对于无法分步运转的情况，若无法在振源处激励，则在参考点激励，并利用互易原理获得传递函数；具体包括：

[0036] 若在一参考点j处激励，能够一次性获得j点对所有参考点的传递函数：

[0037] 通过对m个参考点激励，通常m≥n，获得所有传递函数 其中任何一行是一非正交传递向量；

[0038] 采用互易法获得传递函数后，同样通过下面的公式(4)获得解耦受挡力：

[0039]

[0040] 上述技术方案中，所述步骤2)包括：构建基于受挡力的工况传递路径分析法，如下：

[0041]

[0042] 其中 表示第i个工况的响应信号，通过求广义逆获得传递系数：

[0043]

[0044] 其中：s为总工况数，通常s≥n。

[0045] 上述技术方案中，所述步骤3)采用如下公式计算各个振源的贡献量：

[0046]

[0047] 本发明的优点在于：

[0048] 本发明的方法精度很高，且易于实现。

附图说明

[0049] 图1是振源结构的示意图；

[0050] 图2是现有技术中梁上含三振源受挡力测量示意图；

[0051] 图3是串扰对工况传递路径分析影响示意图；

[0052] 图4是互易示意图；

[0053] 图5是采用本发明方法的实验装置示意图；

[0054] 图6是采用现有技术中的OTPA方法的分析结果和真实结果的对比图；

[0055] 图7是采用本发明的方法的分析结果和真实结果的对比图。

具体实施方式

[0056] 现结合附图对本发明作进一步的描述。

[0057] 本发明的消除串扰的振动传递路径测试方法利用互易原理及增加虚拟振源点分步运转法解决了传递函数测试的困难，利用解除串扰矩阵求振源的广义参考向量或受挡力，利用广义参考向量或受挡力参与工况传递路径分析。

[0058] 本发明的方法具体包括以下步骤：

[0059] 步骤1.采用测量传递函数或非正交向量的形式获得解除串扰传递矩阵，并计算解串扰广义参考信号或受挡力。

[0060] 具体的说，可进一步分为三种情况，一是可以分步运转的情况，二是无法分步运转的情况，三是部分可以分步运转、部分无法分步运转的情况。下面分别予以说明。

[0061] 步骤1.1对可以分步运转的情况，一般可在各振源处布置参考点响应传感器，同时分步运转各独立激励源。

[0062] 假设共n个振源，m个参考点响应传感器，各点的测量响应构成坐标向量 其中上标表示第i个振源独立运行的工况，下标表示参考点响应传感器编号，即 表示第i个源独立作用时在j位置的响应频谱，该值为某个频率点下的复数频谱值，分析时通常一个一个频率点进行。

[0063] 参考点响应传感器个数应多于振源个数，即m≥n，且尽量靠近振源处。n个振源单步运转可以获得n个独立参考信号向量，这些向量之间一般不正交，但是反映了各振源独立运行时的状态。利用这些向量可以构建解耦矩阵，获得广义参考向量，由于广义参考向量与受挡力在本申请方法中的作用没有本质的区别，所以后面对广义参考向量和受挡力都用符号 表示，广义参考向量的计算过程为：

[0064]

[0065] 其中：上标rpm(j)表示第j个转速工况，“+”表示求广义逆。

[0066] 其中参考点的选择对广义参考信号的影响比较大，可以通过优化选择测点降低矩阵 的条件数，从而减小求解过程对测试误差的敏感程度。

[0067] 步骤1.2对于无法分步运转的情况，可以通过力锤激励的方式获得传递函数，进而得到解耦受挡力。

[0068] 具体的说，采用力锤可在激励源处一次激励起结构对所有参考点的传递函数，其传递函数形式是 通常参考点的个数m可大于振源个数，对于n个振源各独立激励可以获得所有传递函数：

[0069] 作为一种优选实现方式，当有些结构空间比较狭窄，无法布放激振器时，可采用互易法获得非正交传递向量形式的传递函数，进而再得到解耦受挡力。

[0070] 具体的说，对无法在振源处激励的情形，可在参考点激励，利用互易原理获得以上传递函数，力学互易原理如图4所示，对一结构板，为了求2点对1点的传递函数，通常需要在1位置施加力 同时测量2位置响应 计算得到传递函数 但是由于1位置没
有足够空间布置激振器施加激励，则可以在2位置施加激励 测量1位置的响应 同时利用互易原理获得传递函数：

[0071]

[0072] 所以在参考点j激励，可一次性获得j点对所有参考点的传递函数：通过对m个参考点激励，通常m≥n，可获得所有传递函数
其中任何一行是一非正交传递向量。

[0073] 采用力锤激励的方式获得传递函数或采用互易法获得传递函数后，通过下面的公式(2)获得解耦受挡力：

[0074]

[0075] 步骤1.3对部分可以分步运转的情况，部分无法分步运转的情况，应该尽量采用分步运转获得的非正交向量。分步运转向量获取方式参考之前的步骤1.1，传递函数向量获取方式参考之前的步骤1.2。

[0076] 假设前k个源可分步运转，后k+1到n个源无法分步运转，则可以构建以下非正交分解向量矩阵，以及获取广义参考向量的计算如公式(3)。

[0077]

[0078] 步骤2.基于步骤1所得到的广义参考向量或受挡力，对工况传递路径进行分析，获得传递系数。

[0079] 构建基于受挡力的工况传递路径分析法，如下：

[0080]

[0081] 其中 表示第i个工况的响应信号，通过求广义逆获得传递系数：

[0082]

[0083] 其中：s为总工况数，通常s≥n。

[0084] 3.计算各个振源在一响应位置处的贡献量。

[0085] 在分析响应位置j处的工况时，可以通过以下过程计算各振源贡献量。

[0086] 3.1计算参考信号

[0087] 根据响应位置j处的实际情况，采用公式(1)或(2)或(3)计算广义参考向量或受挡力。

[0088] 3.2由参考信号以及传递系数，计算各个振源的贡献量

[0089]

[0090] 其中加法中的每个项代表各振源的贡献量。

[0091] 参与工况传递路径分析的量是广义参考向量或受挡力，即实测响应通过特定运算获得的参考量，采用广义参考信号和受挡力构建多工况方程获得传递率系数，同时对某被分析工况求得广义参考信号，将其值与传递率系数做乘法获得各源贡献，消除了串扰影响，精度更高。

[0092] 为了证明本申请方法的实际效果，申请人在一个试验中设计了传递路径实验台架，并进行了相关试验，实验装置如图5所示。

[0093] 在该试验中，采用两个力源激励结构，分别采用现有技术中的工况传递路径(OTPA)方法和本申请的方法来计算源的贡献量。两个激振器可以独立控制输入信号电压大小，是两个可独立运行的源。在平板上共同布置4个加速度测量点，其中1、2号点在激励源附近，3、4号点在离开激励源的位置。采用采集设备采集四个点的振动加速度响应，先采用OTPA分析方法，然后采用基于本申请的串扰消除的方法。分析时，采用1、2、4号点为参考点，将点3号点为响应点，分别计算响应源对总响应的贡献。各工况安装状况不变，通过调节输入信号电压大小调节工况状态，各工况输入信号电压表如下：

[0094]

[0095] 采用工况(1)、(2)获得广义参考信号的解耦矩阵，采用工况(3～8)进行基于广义参考信号的工况传递路径分析，采用(9)进行验证实验。图6是采用现有技术中的OTPA方法分析结果和真实结果的对比图，图7是采用本申请方法分析结果和真实结果对比图。可以看出，采用本申请方法所得到的结果几乎和真实结果完全重合，而采用OTPA部分峰值频率点误差在3dB以上，因此本申请方法的精度远高于OTPA方法。

[0096] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。