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NVH測(cè)試中頻響函數(shù)的錘擊法測(cè)試

2020-03-10 00:54:00·  來源：朗德科技  
　
原創(chuàng)ATOM 昨天在汽車NVH性能開發(fā)過程中，我們?cè)谘芯科囅到y(tǒng)（部件）頻率響應(yīng)特性的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)通過錘擊法來測(cè)試它們的頻響函數(shù)，來獲取到系統(tǒng)（部件）對(duì)于不同
在汽車NVH性能開發(fā)過程中，我們?cè)谘芯科囅到y(tǒng)（部件）頻率響應(yīng)特性的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)通過錘擊法來測(cè)試它們的頻響函數(shù)，來獲取到系統(tǒng)（部件）對(duì)于不同頻率的響應(yīng)特征。今天我們就針對(duì)這部分內(nèi)容，介紹下錘擊法測(cè)試頻響函數(shù)的相關(guān)內(nèi)容。
首先讓我們來介紹什么是頻響函數(shù)。

1  頻率響應(yīng)函數(shù)

頻率響應(yīng)函數(shù)(FRF，F(xiàn)requency Response Function)是傳遞函數(shù)在頻率域的表示，是系統(tǒng)的輸出響應(yīng)與輸入激勵(lì)之比。實(shí)際工作中，通常簡稱為頻響函數(shù)。


頻響函數(shù)是系統(tǒng)(部件)的固有屬性，與系統(tǒng)(部件)本身特性有關(guān)，而與激勵(lì)、響應(yīng)等外界因素?zé)o關(guān)。頻響函數(shù)是復(fù)值函數(shù)，可用幅值與相位、實(shí)部與虛部或者奈奎斯特圖等三種方式來表示。頻響函數(shù)用幅頻曲線和相頻曲線在Bode圖中顯示時(shí)，如下圖所示。

圖1 頻響函數(shù)(FRF)的幅頻和相頻的Bode圖表示

Bode圖中幅頻曲線中的峰值對(duì)應(yīng)于被測(cè)物體的固有頻率或共振頻率，而在這些頻率點(diǎn)產(chǎn)生相位的躍變。幅頻曲線中尖峰的寬窄反映出系統(tǒng)的阻尼。尖峰越寬，表示系統(tǒng)的阻尼越大(有時(shí)也用系統(tǒng)的品質(zhì)因子來描述)。

在機(jī)械系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸入是力，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)可以用位移、速度和加速度來表征；在聲學(xué)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸入是體積加速度，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)是聲壓。當(dāng)頻率響應(yīng)函數(shù)用不同的物理量來表征時(shí)，相應(yīng)所表征的物理意義也不同。

在NVH測(cè)試中，輸出(也稱作響應(yīng))一般是振動(dòng)、噪聲信號(hào)，輸入(也稱作激勵(lì))一般為力、體積加速度信號(hào)。所以，NVH中常見的系統(tǒng)是機(jī)械系統(tǒng)和聲學(xué)系統(tǒng)的組合。

汽車NVH試驗(yàn)中，不管是模態(tài)測(cè)試，還是固有頻率測(cè)試，或者是噪聲傳遞函數(shù)、振動(dòng)傳遞函數(shù)，以及其他的一些測(cè)試，都需要測(cè)量頻響函數(shù)，然后基于頻響函數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，得出測(cè)試結(jié)果。

在頻響函數(shù)的測(cè)量中，我們一般要求激勵(lì)信號(hào)有足夠高的幅值，其頻譜特性是寬頻帶的，并且頻響曲線是平直的，這樣才能確保把被測(cè)物體的所有的共振頻率或者振動(dòng)模態(tài)激發(fā)出來。

圖2 頻響寬且平直的激發(fā)信號(hào)(力)才能激發(fā)出系統(tǒng)的所有頻率

在汽車NVH開發(fā)過程中，錘擊法頻響函數(shù)測(cè)試的應(yīng)用有哪些呢？

2  頻響函數(shù)測(cè)試的應(yīng)用

固有頻率測(cè)試

我們通常需要對(duì)汽車關(guān)鍵的系統(tǒng)(部件)進(jìn)行固有頻率測(cè)試，以評(píng)價(jià)系統(tǒng)(部件)的動(dòng)態(tài)特性。一般我們常所說的固有頻率指的是第一階固有頻率。對(duì)于頻響曲線，曲線中各峰值所對(duì)應(yīng)的頻率即為各階的固有頻率。

當(dāng)系統(tǒng)(部件)受到外界激勵(lì)時(shí)，我們要重點(diǎn)關(guān)注外界的激勵(lì)頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率間隔多遠(yuǎn)，會(huì)不會(huì)引起結(jié)構(gòu)共振問題。當(dāng)激勵(lì)頻率與固有頻率相等或接近時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振。汽車NVH設(shè)計(jì)中通常要避免共振的發(fā)生，一般要求激勵(lì)頻率與固有頻率之間應(yīng)有3Hz或者15%-20%固有頻率的間隔。

圖3 大橋的一階扭轉(zhuǎn)固有頻率與氣流的渦振頻率相等或接近產(chǎn)生共振

力振傳遞函數(shù)測(cè)試（VTF，Vibration Transfer Function）

主要是指輸入激勵(lì)載荷與輸出振動(dòng)之間的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，用于評(píng)價(jià)車身結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的靈敏度特性。在激勵(lì)輸入位置(如動(dòng)力總成安裝位置、排氣系統(tǒng)掛鉤位置、懸架安裝位置)進(jìn)行力激勵(lì)，同時(shí)測(cè)試響應(yīng)點(diǎn)的振動(dòng)（如方向盤、座椅導(dǎo)軌、前艙地板），計(jì)算得到響應(yīng)(振動(dòng))與激勵(lì)(力)之間的頻響函數(shù)。這個(gè)過程關(guān)心的是振動(dòng)傳遞路徑，力振傳遞函數(shù)是用來評(píng)估激勵(lì)源到振動(dòng)響應(yīng)位置振動(dòng)傳遞大小的工具。汽車行業(yè)中，目標(biāo)值一般設(shè)定座椅導(dǎo)軌0.1m/s^2/N，方向盤12點(diǎn)方向處為0.3m/s^2/N（僅供參考）。
力聲傳遞函數(shù)測(cè)試 (NTF，Noise Transfer Function)

主要是指輸入激勵(lì)載荷與輸出噪聲之間的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系，用于評(píng)價(jià)車身結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲的靈敏度特性。在激勵(lì)輸入位置(如動(dòng)力總成安裝位置、排氣系統(tǒng)掛鉤位置、懸架安裝位置)進(jìn)行力激勵(lì)，同時(shí)測(cè)試響應(yīng)點(diǎn)的噪聲（駕駛員內(nèi)耳、乘客內(nèi)耳），計(jì)算得到響應(yīng)(聲壓)與激勵(lì)(力)之間的頻響函數(shù)，這個(gè)過程關(guān)心的是結(jié)構(gòu)聲的傳遞路徑。汽車行業(yè)中，通常要控制該值在一定的范圍內(nèi)，目標(biāo)值一般設(shè)定為55-60dB(Pa)/N（僅供參考）。


原點(diǎn)動(dòng)剛度測(cè)試(IPI, Input Point Inertance)

指同一位置的激勵(lì)力與位移之比，主要用來測(cè)量車身接附點(diǎn)處的原點(diǎn)動(dòng)剛度，評(píng)價(jià)所關(guān)心的頻率(如0-500Hz)范圍內(nèi)該安裝位置的剛度水平。動(dòng)剛度水平不足表示系統(tǒng)(部件)局部結(jié)構(gòu)剛度太弱，外界的振動(dòng)激勵(lì)更容易通過這個(gè)位置傳遞到車身，這樣會(huì)引起車內(nèi)更大的振動(dòng)和噪聲。該性能指標(biāo)對(duì)整車的NVH性能有較大的影響，是一個(gè)基礎(chǔ)的比較重要的指標(biāo)。


在測(cè)試中，錘擊法頻響函數(shù)測(cè)試的一般流程是什么呢？

3  錘擊法頻響函數(shù)測(cè)試

錘擊法，顧名思義，就是拿力錘的敲擊作為激勵(lì)輸入。錘擊法具有安裝方便，測(cè)試靈活等特點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的頻響函數(shù)測(cè)試方法。

力錘的選擇

用于錘擊法測(cè)量的力錘有很多種，并且還有不同的錘頭。針對(duì)不同的試驗(yàn)，除了要選擇正確質(zhì)量的力錘，確?？梢杂行Ъぐl(fā)被測(cè)物的振動(dòng)(足夠大的幅值)外，在選擇力錘和錘頭的時(shí)候，我們要注意以下兩點(diǎn)：

力錘的質(zhì)量：力錘質(zhì)量的改變會(huì)影響到力錘與被測(cè)物的接觸時(shí)間；

錘頭的剛度：錘頭的剛度變化同樣會(huì)改變與被測(cè)物體的作用時(shí)間。


那么，力錘與被測(cè)物接觸時(shí)間，對(duì)測(cè)量有什么影響呢？

我們知道，錘擊法獲得的力譜是力錘重量、錘頭剛度和測(cè)試對(duì)象結(jié)構(gòu)剛度的組合結(jié)果。測(cè)試對(duì)象結(jié)構(gòu)剛度一定的情況下，力錘激起的頻率范圍主要受力脈沖作用時(shí)間長短控制。如下圖所示，作用時(shí)間長的脈沖產(chǎn)生的頻譜較窄，作用時(shí)間短的脈沖才能產(chǎn)生較寬的頻譜。重量越輕的力錘與測(cè)試對(duì)象接觸的時(shí)間越短(輕的力錘在敲擊測(cè)試對(duì)象后更容易反轉(zhuǎn)方向，接觸時(shí)間就更短)；力錘重量一定，剛度越大的錘頭與測(cè)試對(duì)象接觸的持續(xù)時(shí)間越短，激起的頻譜就越寬。


在實(shí)際應(yīng)用中，一把力錘會(huì)配有不同材質(zhì)的錘頭(如鋁合金、橡膠頭、塑料頭等)，我們可以嘗試選擇不同剛度的錘頭進(jìn)行錘擊測(cè)試，以滿足試驗(yàn)所需要的分析頻率范圍。如下圖所示，如果頻響函數(shù)在高頻段下變得有噪聲(毛刺)，并且相干函數(shù)顯著下降，說明高頻段沒有足夠的能量激起結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，這表明我們選擇的錘頭可能太軟。如果頻響函數(shù)的低頻段下變得有噪聲(毛刺)，并且相干函數(shù)較差，這表明選擇錘頭可能太硬。如果所關(guān)心的頻率范圍內(nèi)頻響函數(shù)峰值明顯，無噪聲(毛刺)，并且相干函數(shù)除了幾個(gè)反共振峰（這些頻率下結(jié)構(gòu)是沒有響應(yīng)的）外，都是可以接受的，這表明選擇的錘頭適中。


一般錘擊法測(cè)試頻響函數(shù)，除了需要常規(guī)NVH測(cè)試的通道設(shè)置、傳感器靈敏度標(biāo)定、量程設(shè)置的功能之外，還需要專門的頻響函數(shù)測(cè)試功能模塊，通常應(yīng)包含以下幾個(gè)設(shè)置功能：

觸發(fā)設(shè)置

對(duì)輸入通道進(jìn)行觸發(fā)設(shè)置（參考通道），可對(duì)力傳感器的量程以及力觸發(fā)水平、預(yù)觸發(fā)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。通過設(shè)置合適的觸發(fā)水平，來保證力錘敲擊不會(huì)誤觸發(fā)也不會(huì)難于觸發(fā)。通過設(shè)置預(yù)觸發(fā)時(shí)間，來保證力脈沖的完整性。

帶寬設(shè)置

對(duì)測(cè)試通道的帶寬以及譜線數(shù)進(jìn)行設(shè)置。通過觀察分析頻率范圍內(nèi)的力譜，確定所選用的錘頭軟硬程度是否合適，以及判斷所選取的分析帶寬(采樣頻率)是否合適。

窗函數(shù)設(shè)置

對(duì)測(cè)試通道的窗函數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于錘擊作用時(shí)間很短，錘擊后實(shí)際上力通道還存在本底噪聲，可能導(dǎo)致還有噪聲信號(hào)輸出。因此為了減小這部分輸出對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，一般需要加力窗或力-指數(shù)窗。錘擊后響應(yīng)通道產(chǎn)生的時(shí)域信號(hào)應(yīng)為指數(shù)衰減的，如果在采樣周期最后，響應(yīng)信號(hào)未能衰減到足夠小，不能滿足傅立葉變換的周期性要求，在頻譜計(jì)算時(shí)可能存在泄漏（泄漏：信號(hào)非周期截?cái)啵瑫?huì)導(dǎo)致計(jì)算的頻譜在整個(gè)頻帶內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的拖尾現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)一些并不存在的頻率成份，產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差--《NVH測(cè)試中的頻譜分析》，這時(shí)候就需要為響應(yīng)通道加指數(shù)窗，通過調(diào)整指數(shù)窗的相關(guān)系數(shù)，改變信號(hào)衰減的快慢，將泄漏帶來的影響降到最低。

如果條件允許，應(yīng)盡量避免使用窗函數(shù)。因?yàn)榧由现笖?shù)窗之后，雖然滿足了傅里葉變換的需要，但是原始數(shù)據(jù)也被改變了。選擇更小的分析帶寬或提高頻率分辨率，可增加采樣時(shí)間，減少指數(shù)窗帶來的影響。如下圖中藍(lán)色的信號(hào)，需要加一個(gè)指數(shù)窗，而紅色的信號(hào)（采樣時(shí)間加長一倍）不需要窗口（或者至少大大減少了對(duì)指數(shù)窗的使用）。如果響應(yīng)通道信號(hào)在采樣結(jié)束之前自然地衰減到很小，那么就沒必要使用指數(shù)窗了。但是，一般在實(shí)際測(cè)試中，對(duì)分析帶寬和頻率分辨率都有要求，這就決定了采樣時(shí)間的上限，如果在采樣時(shí)間的上限，響應(yīng)信號(hào)還未能衰減到足夠小，則就需要加指數(shù)窗了。


數(shù)據(jù)采集

進(jìn)行錘擊法頻響測(cè)試，一般需要對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次錘擊，多次錘擊測(cè)試可在一定程度上起到減少測(cè)試誤差的作用。在測(cè)試過程中，相干函數(shù)為平均函數(shù)，當(dāng)錘擊一次時(shí)，相干函數(shù)為1，只有在錘擊兩次及以上時(shí)，相干函數(shù)才表達(dá)出物理意義。一般錘擊法測(cè)試時(shí)，關(guān)心頻率的相干函數(shù)值應(yīng)大于0.8，以保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性。錘擊法頻響函數(shù)測(cè)試獲得的主要數(shù)據(jù)為頻響函數(shù)和相干函數(shù)，基于這些數(shù)據(jù)可進(jìn)一步進(jìn)行模態(tài)分析、固有頻率分析、振動(dòng)/噪聲傳遞函數(shù)分析、動(dòng)剛度分析、TPA分析等。


最后，來了解下ATOM中的錘擊法頻響函數(shù)測(cè)試吧。

4 ATOM中的錘擊法頻響函數(shù)測(cè)試

ATOM中錘擊法頻響函數(shù)測(cè)試功能，包含自功率譜、自功率譜密度、互功率譜、互功率譜密度、相干函數(shù)、頻響函數(shù)、動(dòng)剛度的數(shù)據(jù)計(jì)算及保存功能，具有根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可自動(dòng)計(jì)算推薦力觸發(fā)水平和預(yù)觸發(fā)時(shí)間、測(cè)試頻率范圍、力窗時(shí)間截止百分比以及指數(shù)窗衰減百分比的功能，此外還有以下功能：

•    時(shí)域信號(hào)保存；

•    過載自動(dòng)拒絕保存；

•    雙擊自動(dòng)拒絕保存；

•    自動(dòng)保存數(shù)據(jù)；

•    觸發(fā)/過載提示音；

•    多次錘擊平均計(jì)算；

•    相干性判斷；

•    撤回上次/上一組測(cè)試功能；

估計(jì)算子的選擇

錘擊法頻響測(cè)試時(shí)，一般需要對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次錘擊，常常會(huì)發(fā)生多次測(cè)量的結(jié)果不完全重復(fù)，在不同錘擊激發(fā)力以及不同測(cè)點(diǎn)獲得的結(jié)果不完全一樣，這一方面由于系統(tǒng)的非線性引起，另一方面來自于測(cè)量過程中的噪聲。為確定正確的值，一般需要采用不同的估計(jì)算子來計(jì)算輸入和輸出之間的幅值比H。ATOM中提供了常用的三種常用估計(jì)算子，分別為H1、H2和Hv。

H1算子：

H1算子是最常用的估計(jì)算子，他假設(shè)在系統(tǒng)輸入中沒有噪聲，因此對(duì)輸入X的測(cè)量是準(zhǔn)確的。噪聲僅在輸出端Y中加入。


如果測(cè)量中在輸入X端有噪聲影響，那么采用H1算子將給出低估的頻響函數(shù)結(jié)果，并且在反共振點(diǎn)的估計(jì)結(jié)果優(yōu)于共振點(diǎn)的結(jié)果(如下圖所示，在反共振頻率245Hz獲得更好的結(jié)果)。


H2算子：

H2算子假設(shè)噪聲在輸入端X中，在系統(tǒng)輸出端沒有噪聲，因此對(duì)輸出Y的測(cè)量是準(zhǔn)確的。


如果測(cè)量中在輸出Y端有噪聲影響，那么采用H2算子將給出高估的頻響函數(shù)結(jié)果，并且在共振點(diǎn)的估計(jì)結(jié)果優(yōu)于反共振點(diǎn)的結(jié)果(如下圖所示，在反共振頻率245Hz的修正量要比在共振頻率點(diǎn)133Hz的要大)。

Hv算子：

Hv算子假設(shè)在輸入X端和輸出Y端都有噪聲


Hv算子能給出頻響函數(shù)的最佳估計(jì)。在共振頻率點(diǎn)，他給出與H2接近的結(jié)果，并且在反共振頻率點(diǎn)，他給出與H1接近的結(jié)果。


ATOM最新的錘擊法頻響函數(shù)測(cè)試功能的試用版本已經(jīng)發(fā)布,可滿足汽車NVH性能開發(fā)中各系統(tǒng)(部件)的固有頻率、振動(dòng)傳遞函數(shù)、噪聲傳遞函數(shù)、原點(diǎn)動(dòng)剛度等方面的測(cè)試工作。小伙伴們，還等什么，快點(diǎn)來申請(qǐng)?jiān)囉冒桑?/div>


ATOM作為一個(gè)NVH測(cè)試的平臺(tái)，包括了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘四大功能模塊，NVH數(shù)據(jù)積累和比對(duì)分析從未那么簡單！

ATOM將會(huì)基于國內(nèi)外用戶的實(shí)際使用需求，持續(xù)迭代更新，您有什么需求不妨說來聽聽?。?！還有好消息要告訴大家，ATOM4.0版本即將在四月初發(fā)布，敬請(qǐng)期待！??！
 
 
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