CN110954340A - 一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法 - Google Patents

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蔡瑞姣
李沛然
邱斌
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Abstract

本发明涉及耦合损耗因子测试技术领域，具体为一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，包括以下步骤：测试计算步骤：根据施加稳态激励时的加速度响应获得能量等式以及两功率平衡方程式；根据施加稳态激励后，达到能量平衡条件时，撤销稳态激励的条件获得两瞬态功率平衡方程式；将能量等式代入两功率平衡方程式和两瞬态功率平衡方程式中，求解获得两试件间的耦合损耗因子。采用本方案能够在无需考虑试件的情况下，减小计算输入功率带来的误差，能够精确计算出复杂结构间耦合损耗因子。

Description

一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法
技术领域
本发明涉及耦合损耗因子测试技术领域，具体为一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法。
背景技术
汽车振动噪声源通过与之相邻的结构件进行振动传递，从而可以有效影响到车内的NVH水平，因此NVH的优劣不但取决于声源或振源的激励水平大小，还与车身的结构特性有直接的关系。车身结构中许多部件均通过密封条或粘胶等进行连接，相联接结构的耦合损耗因子越大，则能量通过其传递后衰减越多，具有较好的隔振性能，因此需对复杂结构间耦合损耗因子进行测量。
目前，统计能量法(简称SEA法)是解决高频声振的有效手段，可用于车型的声振设计，优化和评估汽车声学性能。在满足高性能的要求下，节约成本和时间。SEA方法的三大基本参数为：模态密度、内损耗因子和耦合损耗因子，如何获得三大基本参数是研究人员一直关注的问题。耦合损耗因子这个概念完全属于新的概念，类似于热力学的热传导系数，而内损耗因子的获得有两种方法：理论和实验。一些简单的结构可以通过理论的方法获得，对于复杂连接方式，需要借助试验手段来获得，但是现有试验手段多是通过速度传感器对响应点的速度进行采集，而速度传感器的精度并不高，同时现有的试验手段需要对输入功率进行计算，在无形中增加采集数据和计算数据带来的误差，使得最终测得的耦合损耗因子不能准确的反映真实情况。
发明内容
本发明意在提供一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，能够在无需考虑试件的情况下，减小计算输入功率带来的误差，能够精确计算出复杂结构间耦合损耗因子。
本发明提供基础方案：一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，包括以下步骤：
测试准备步骤：准备两个具备连接关系的试件，并使试件自然悬挂；选择并校正测试仪器，并连接测试仪器和试件；在两个试件上分别设置激振点和响应点，同一试件上激振点和响应点的数量均不少于一个；
测试步骤：在任一激振点使用高频的分析频率施加稳态激励，记录响应点的加速度响应，更换激振点施加稳态激励，并再次记录响应点的加速度响应；再次在任一激振点使用高频分析频率施加稳态激励，并在两试件达到能量平衡条件时，撤销稳态激励，记录撤销稳态激励的条件，更换激振点施加稳态激励，并在两试件达到能量平衡条件时，撤销稳态激励，再次记录撤销稳态激励的条件；
测试计算步骤：根据以下公式获得两试件的能量等式，
Ei(j)＝Mj(Vij 2)
式中，Ei(j)为对i试件施加稳态激励时，j试件的能量；Mj为j试件的质量；Vij为对i试件施加稳态激励时，j响应点的加速度响应转换的速度值；
并获取分别对两试件施加稳态激励时的功率平衡方程式；
根据撤销稳态激励的条件获得两次撤销稳态激励时的瞬态功率平衡方程式；
将能量等式作为初始条件代入分别对两试件施加稳态激励时的功率平衡方程式、撤销稳态激励时的瞬态功率平衡方程式中，并进行求解获得两试件的总损耗因子，并求解出两试件间的耦合损耗因子。
基础方案的工作原理及有益效果：通过获取不同激振情况下，两试件的能量等式，代入功率平衡方程式和瞬态功率平衡方程式求得耦合损耗因子，这样的测试方式，不受试件材质、尺寸的影响，减小试验限制。采用本方案，无需通过速度计算输入功率，减小计算输入功率所带来的误差，同时本方案使用高频分析频率对试件施加稳态激励，其试验精度更高，从而实现精确计算出复杂结构件的耦合损耗因子的目的。
进一步，所述测试仪器包括加速度传感器，所述加速度传感器用于测量响应点的加速度响应。有益效果：通过加速度传感器测量响应点的加速度响应，再转换为对应的速度值，与直接测量响应点的速度响应相比，加速度传感器比速度传感器的精度更高，从而减小实验数据带来的误差，进而精确计算出复杂结构件的耦合损耗因子。
进一步，所述测试仪器包括激振器，所述激振器为非接触电磁激振器。有益效果：非接触电磁激振器在使用时，其不与试件接触，能够避免激振器回振造成试件能量数据出现误差，影响测试结果。
进一步，当同一试件上响应点的数量大于1个时，取同一试件上响应点的加速度响应的平均值作为所述试件的加速度响应。有益效果：当一个试件上设置有多个响应点时，通过取平均值作为该试件的加速度响应，每个响应点的加速度响应均会对代表试件的加速度响应造成影响，从而全面的反映该试件的加速度响应情况。
进一步，同一试件上响应点的数量为三个。有益效果：三个响应点的设置，既不影响测试进度，又能全面的反映试件的加速度响应情况。
进一步，所述分析频率高于3000Hz。有益效果：更高的分析频率，其测试效果更好。
进一步，所述激振点设置在试件边缘。有益效果：将激振点设置在试件边缘，其测试效果更好。
进一步，所述响应点设置在两试件的连接处。有益效果：将响应点设置在两试件的连接处，可认为连接处的结构最为复杂，从而获得更好的测试效果。
进一步，所述测试步骤还包括在连接测试仪器和试件后，对测试仪器再次校正。有益效果：连接测试仪器和试件后，对测试仪器再次校正，避免连接过程中，使测试仪器受到外力影响，不能正常使用。
进一步，所述测试准备步骤中，使用橡皮绳使试件自然悬挂。有益效果：采用橡皮绳悬挂试件，使试件处于自然状态，其测得的测试数据更贴近于真实数据。
附图说明
图1为本发明一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法实施例一的流程图；
图2为本发明一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法实施例一的试件及测试仪器连接图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例一
一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，如附图1所示，包括以下步骤：
测试准备步骤，具体包括以下步骤：
S101：准备两个具备连接关系的试件，对试件材料及尺寸无要求，并采用橡皮绳将试件悬挂在测试台上，并调整试件自然悬挂。在本实施例中，橡皮绳为实验中常用的橡皮绳，因此不再赘述。
为便于说明，在本实施例中，将两个试件分别定义为第一子系统和第二子系统。
S102：选择测试仪器，测试仪器包括激振器、加速度传感器、电荷放大器、信号分析器、随机噪声信号源、计算机，并对测试仪器进行校正，使所有测试仪器处于正常的工作状态。在本实施例中，激振器优选为非接触电磁激振器，从而避免激振器回振造成能量数据的误差。
S103：如附图2所示，根据附图2中的连接方式对试件及测试仪器进行连接，再次对测试仪器进行校正，并在第一子系统、第二子系统上分别设置激振点和响应点，加速度传感器位于响应点，在本实施例中，第一子系统和第二子系统上激振点和响应点的数量均为1个。在本实施例中，激振点优选设置在试件边缘，响应点优选设置在两试件的连接处。
为便于说明，在本实施例中，将第一子系统上的激振点和响应点定义为第一激振点、第一响应点，将第二子系统上的激振点和响应点定义为第二激振点、第二响应点。
测试步骤，具体包括以下步骤：
S201：在激振点使用高频的分析频率，向两个子系统施加稳态激励，并记录响应点的加速度响应；更换激振点，再次使用高频的分析频率，向两个子系统施加稳态激励，并记录响应点的加速度响应。高频为本领域公知的定义，其代表大于1000Hz的频率，在本实施例中，分析频率优选为3125Hz。
具体的，使用非接触电磁激振器在第一激振点施加稳态激励，并分别记录第一响应点和第二响应点的加速度响应；再使用非接触电磁激振器在第二激振点施加稳态激励，并分别记录第一响应点和第二响应点的加速度响应。
S202：在激振点使用高频的分析频率，向两个子系统施加稳态激励，当第一子系统和第二子系统均达到能量平衡条件时，撤销稳态激励。更换激振点，再次使用高频的分析频率，向两个子系统施加稳态激励，当第一子系统和第二子系统均达到能量平衡条件时，撤销稳态激励。
具体的，使用非接触电磁激振器向第一激振点施加稳态激励，并在第一子系统和第二子系统均达到能量平衡条件时，撤销稳态激励；再使用非接触电磁激振器向第二子系统施加稳态激励，第一子系统和第二子系统均达到能量平衡条件时，撤销稳态激励，记录两次撤销稳态激励的条件。
测试计算步骤：
S301：测试前，获取第一子系统的质量M1、第二子系统的质量M2。
S302：将步骤S201中获得的加速度响应转换为速度值，并根据能量计算公式：E＝M(V2)，获得只对第一子系统施加稳态激励时，第一子系统、第二子系统的能量：
E1(1)＝M1(V11 2) (1)
E1(2)＝M2(V12 2) (2)
式(1)中，E1(1)为在只对第一子系统施加稳态激励时，第一子系统的能量，V11为在只对第一子系统施加稳态激励时，根据在第一响应点测得加速度响应所转换的速度值。
式(2)中E1(2)为在只对第一子系统施加稳态激励时，第二子系统的能量，V12为在只对第一子系统施加稳态激励时，根据在第二响应点测得加速度响应所转换的速度值。
并获取只对第二子系统施加稳态激励时，第一子系统、第二子系统的能量等式：
E2(1)＝M1(V21 2) (3)
E2(2)＝M2(V22 2) (4)
式(3)中，E2(1)为在只对第二子系统施加稳态激励时，第一子系统的能量，V21为在只对第二子系统施加稳态激励时，根据在第一响应点测得加速度响应所转换的速度值。
式(4)中，E2(2)为在只对第二子系统施加稳态激励时，第二子系统的能量，V22为在只对第二子系统施加稳态激励时，根据在第二响应点测得加速度响应所转换的速度值。
S303：在获取能量等式的同时，获取只对第一子系统施加稳态激励时的功率平衡方程式：
ωE1(1)η1+ωE1(1)η12-ωE2(1)η21＝P1 (5)
-ωE1(1)η12+ωE2(1)η21+ωE2(1)η2＝0 (6)
式(5)、(6)中，ω为激振器的分析频率；η1为第一子系统的阻尼损耗因子；η2为第二子系统的阻尼损耗因子；η12为能量从第一子系统到第二子系统的耦合损耗因子；η21为能量从第二子系统到第一子系统的耦合损耗因子。
获取只对第二子系统施加稳态激励时的功率平衡方程式：
ωE1(2)η1+ωE1(2)η12-ωE2(2)η21＝0 (7)
-ωE1(2)η12+ωE2(2)η21+ωE2(2)η2＝P2 (8)
并根据式(5)、(6)、(7)、(8)可得：
Figure BDA0002313813230000061
Figure BDA0002313813230000062
式(9)、(10)中，n1为第二子系统的模态密度；n2为第二子系统的模态密度。
S304：获得只对第一子系统施加稳态激励，并撤销稳态激励时的瞬态功率平衡方程式：
ωE1(1)η1+ωE1(1)η12-ωE2(1)η21＝P1 (11)
对式(11)进行求导获得：
Figure BDA0002313813230000063
并获得只对第二子系统施加稳态激励，并撤销稳态激励时的瞬态功率平衡方程式：
-ωE1(2)η12+ωE2(2)η21+ωE2(2)η2＝P2 (13)
对式(13)进行求导获得：
Figure BDA0002313813230000064
S305：将式(1)、(2)、(3)、(4)作为初始条件代入式(9)、(10)、(12)、(14)中，获得总损耗因子计算公式：
Figure BDA0002313813230000065
式(15)中，η为第一子系统和第二子系统的总损耗因子。
S306：根据式(15)计算出第一子系统对第二子系统的耦合损耗因子，第二子系统对第一子系统的耦合损耗因子，第一子系统的阻尼损耗因子，第二子系统的阻尼损耗因子。
实施例二
本实施例与实施例一的区别之处在于：S103步骤、测试步骤、测试计算步骤。
S103步骤中，第一子系统和第二子系统上激振点的数量均为1个，第一子系统和第二子系统上响应点的数量均为3个，同一子系统的响应点随机分布。为便于说明，将第一子系统上的响应点定义为第101响应点、第102响应点、第103响应点，将第二子系统上的响应点定义为第201响应点、第202响应点、第203响应点。
测试步骤的S201步骤中，使用非接触电磁激振器在第一激振点施加稳态激励时，分别记录第101响应点、第102响应点、第103响应点、第201响应点、第202响应点、第203响应点的加速度响应；再使用非接触电磁激振器在第二激振点施加稳态激励，并分别记录第101响应点、第102响应点、第103响应点、第201响应点、第202响应点、第203响应点的加速度响应。
测试计算步骤的S302步骤中，先对第101响应点、第102响应点、第103响应点的加速度响应取平均值，作为第一子系统的加速度响应；并对第201响应点、第202响应点、第203响应点的加速度响应取平均值，作为第二子系统的加速度响应，再将加速度响应转换为速度值。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
测试准备步骤：准备两个具备连接关系的试件，并使试件自然悬挂；选择并校正测试仪器，并连接测试仪器和试件；在两个试件上分别设置激振点和响应点，同一试件上激振点和响应点的数量均不少于一个；
测试步骤：在任一激振点使用高频的分析频率施加稳态激励，记录响应点的加速度响应，更换激振点施加稳态激励，并再次记录响应点的加速度响应；再次在任一激振点使用高频分析频率施加稳态激励，并在两试件达到能量平衡条件时，撤销稳态激励，记录撤销稳态激励的条件，更换激振点施加稳态激励，并在两试件达到能量平衡条件时，撤销稳态激励，再次记录撤销稳态激励的条件；
测试计算步骤：根据以下公式获得两试件的能量等式，
Ei(j)＝Mj(Vij 2)
式中，Ei(j)为对i试件施加稳态激励时，j试件的能量；Mj为j试件的质量；Vij为对i试件施加稳态激励时，j响应点的加速度响应转换的速度值；
并获取分别对两试件施加稳态激励时的功率平衡方程式；
根据撤销稳态激励的条件获得两次撤销稳态激励时的瞬态功率平衡方程式；
将能量等式作为初始条件代入分别对两试件施加稳态激励时的功率平衡方程式、撤销稳态激励时的瞬态功率平衡方程式中，并进行求解获得两试件的总损耗因子，并求解出两试件间的耦合损耗因子。
2.根据权利要求1所述的一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，其特征在于：所述测试仪器包括加速度传感器，所述加速度传感器用于测量响应点的加速度响应。
3.根据权利要求1所述的一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，其特征在于：所述测试仪器包括激振器，所述激振器为非接触电磁激振器。
4.根据权利要求1所述的一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，其特征在于：当同一试件上响应点的数量大于1个时，取同一试件上响应点的加速度响应的平均值作为所述试件的加速度响应。
5.根据权利要求4所述的一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，其特征在于：同一试件上响应点的数量为三个。
6.根据权利要求1所述的一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，其特征在于：所述分析频率高于3000Hz。
7.根据权利要求1所述的一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，其特征在于：所述激振点设置在试件边缘。
8.根据权利要求1所述的一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，其特征在于：所述响应点设置在两试件的连接处。
9.根据权利要求1所述的一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，其特征在于：所述测试步骤还包括在连接测试仪器和试件后，对测试仪器再次校正。
10.根据权利要求1所述的一种使用瞬态激励获取复杂结构耦合损耗因子的测试方法，其特征在于：所述测试准备步骤中，使用橡皮绳使试件自然悬挂。
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