从这里学NVH 旋转机械NVH分析与TPA分析

旋转机械随处可见，小到日常生活所用的电动剃须刀、电动牙刷，大到巨型的汽轮机、内燃机、大型电机、大型风机、泵等。这类旋转设备工作时会产生振动和噪声，还可能出现动不平衡、疲劳等问题，而分析旋转机械的NVH问题正是解决上述问题的重要手段。本书是《从这里学NVH——噪声、振动、模态分析的入门与进阶》一书的姊妹篇，主要介绍了旋转机械的NVH分析方法与应用对象、按照“源路径接收者”模型（也称“输入振动系统响应”）处理NVH问题的传递路径分析（TPA）方法，包括单参考TPA、多参考TPA、OPA和OPAX等内容。在处理各类NVH问题时，应当按照“源路径接收者”模型加以考虑。对于常规的振动噪声测试，是评价该模型中的接收者；对于模态测试或者频响测试，是评价模型中的路径；对于TPA分析，则是综合考虑该模型中的源、路径和接收者三个部分。测试与评价的目的是为了减振降噪，也应从上述模型中的三个方面来考虑。首先，应减少激励源的振动与噪声；其次，是切断源与接收者之间的噪声和振动的传递路径；后，是对接收者进行保护。在处理旋转机械的NVH问题时，也同样按照这样的思路，从这个角度来讲，将旋转机械NVH与TPA分析放在一起，是适合的。读者对象本书主要面向从事旋转机械NVH分析和TPA分析的试验与仿真人员。书中内容既可以帮助试验人员掌握试验方法，找到试验过程中相关问题的解决方案，深入理解试验背后的原理，也可以帮助仿真人员在了解旋转机械NVH和TPA分析理论的同时，深入了解试验原理与方法。 对于初级人员：通过本书可以了解旋转机械NVH和TPA分析的基本概念与方法。 对于中级人员：通过本书可以加深对旋转机械NVH和TPA分析的理解与认识。 对于高级人员：通过本书可有助于进一步完善自己的NVH知识体系。本书可以作为机械制造、汽车、航空航天、土木工程、石油化工、海洋工程、船舶和家电等领域的工程技术人员和科研工作者开展NVH工作的参考书，也可以作为高等院校相关专业学生学习旋转机械NVH和TPA分析的教材。主要特色 本书使用通俗易懂的语言介绍旋转机械NVH和TPA分析实践所需的基础知识，极少使用繁琐的数学公式，便于理解与应用。 实用性强。本书是作者长期从事NVH工作的经验与总结，书中内容从实际应用出发，侧重实际工程问题与常用基本操作，即便是NVH初学者，也可轻松掌握旋转机械NVH和TPA分析的基本概念与方法，快速提升NVH工程实践能力。 书中既有理论介绍又有典型应用，便于读者加深理解相关内容。 对涉及的知识点加以扩展介绍，丰富了NVH的知识体系。主要内容全书共分14章，主要包括旋转机械NVH分析和传递路径分析两大部分。第1章：阶次的理论基础，主要介绍阶次的基本概念与物理意义，以及产生谐阶次的可能原因。第2章：瀑布图分析，主要介绍瀑布图分析过程、瀑布图的拖尾效应、阶次切片与阶次宽度和切片宽度、阶次的相位、提取与叠加等内容。第3章：阶次跟踪，介绍了等角度采样、阶次跟踪过程以及与固定采样的区别与联系。第4章：扭振分析，介绍了扭振产生的原因、测量理论、时域与振动数据处理方法。第5章：包络分析与倒谱分析，介绍了希尔伯特包络分析与倒谱分析。第6章：旋转机械NVH分析一般流程，介绍了旋转机械NVH分析的一般流程。第7章：轴承，介绍了轴承的各种失效形式、滚动轴承振动产生的可能原因及故障振动处理方法等内容。第8章：齿轮，介绍了齿轮NVH问题产生的机理、频谱特征、特征阶次、行星齿轮的特征频率、传递误差以及齿轮的边频带与调制效应。第9章：电机，介绍了电机定子模态的空间特征、PWM，以及出现伞状阶次的原因等。第10章：传递路径分析介绍，内容包括传递路径分析的目的、两类TPA模型、主要的名词术语和“源路径接收者”模型等。第11章：经典TPA，主要介绍了各种载荷的识别方法（包括直接法、悬置动刚度法、逆矩阵法等），SVD在TPA中的应用和多参考TPA。第12章：OPA，主要介绍了OPA分析的注意事项，以及在Testlab中的OPA流程。第13章：OPAX方法，主要介绍了该方法的基本思路、载荷估计模型以及其创新。第14章：TPA分析的一般原则、建议、技巧与考虑事项，主要介绍了通用TPA测量与分析过程的考虑事项、原则、建议与技巧，并针对不同方法，介绍了相关内容。由于作者水平有限，书中难免有不足之处，真诚欢迎广大读者批评指正，提出宝贵意见。作者的邮箱为linmue@qqcom。

致谢撰写本书，我首先要感谢我的工作单位西门子数字化工业软件及公司总部，正是有了他们为我提供的一些素材与思路，我才能更迅速、快捷地完成本书。在本书的创作过程中，得到了广大同行的支持、鼓励与肯定，还有一些同行提出了不少问题，使我获得了一些创作灵感。如同行孙罕就给出了一些关于阶次的补充建议，在此，对他们表示衷心的感谢！在本书的出版过程中，得到了不少同事的帮助，在此表示感谢。特别要感谢的是法务部门的Wang Isabel女士，市场部中国区负责人郭涛先生以及孟南女士，test售前技术经理孙卫青先生和客户支持中国区负责人Pluym Luc先生以及整个test售前售后技术团队。我利用业余时间来写作，占用了大量本该与家人好好相聚的时光。特别是我妻子金艳梅女士，作为两个孩子的母亲，她为家庭付出巨大，如果没有他们的大力支持，我很难完成这部著作，对此我向他们表示深深的感谢。

本书用通俗易懂的语言介绍旋转机械NVH和TPA分析实践所需的基础知识，内容主要包括旋转机械NVH和TPA分析两大部分，从实际应用出发，侧重于实际工程问题与常用基本操作，即使读者是NVH初学者，也可轻松、准确地掌握旋转机械NVH和TPA分析基本概念与方法，快速提升NVH工程实践能力。本书主要面向旋转机械NVH和TPA分析的初级和中级人员，同时也为NVH高级人员提供有价值的参考。本书可以作为机械制造、汽车、航天航空、土木工程、石油化工、海洋工程、船舶、家电等领域的工程技术人员和科研工作者NVH工作的参考书。

谭祥军，西门子工业软件（北京）有限公司高级工程师从事振动和噪声技术研究十二年，在NVH的研究与应用方面实践经验丰富，出版图书《从这里学NVH——噪声、振动、模态分析的入门与进阶》《模态试验实用技术：实践者指南》。

自序
前言
致谢
第1部分旋转机械NVH分析
第1章阶次的理论基础
11什么是阶次
111阶次的概念
112为什么要关心阶次
113怎么计算阶次
114阶次的显示方式
115与“阶”的区别
116阶次实例
12阶次所表征的物理意义
121阶次的物理意义
122阶次与频率的关系
123为什么高阶次不清晰
124扇叶的通过阶次实例
13产生谐波或谐阶次的可能
原因
131谐波的定义
132谐波成分非傅里叶变换导致
133包含谐波成分的常见信号的
傅里叶变换
134琴弦实例
135为什么会产生谐阶次
第2章瀑布图分析
21瀑布图分析过程
211为什么要做瀑布图分析
212处理过程
213显示方式
214各类切片图
215瀑布图中的混叠现象
22瀑布图的拖尾效应
221什么是拖尾效应
222转速变化速率的影响
223频率分辨率的影响
224分析实例
23什么是阶次切片
231为什么要做阶次切片
232怎么进行阶次切片处理
233转速变化速率的影响
24阶次宽度和切片宽度
241阶次宽度的表征参数
242如何选择切片宽度
25阶次的相位、提取与叠加
251阶次的相位
252阶次的提取
253阶次的叠加
第3章阶次跟踪
31什么是等角度采样
（同步采样）
311为什么需要等角度采样
312等角度采样定理
313等角度采样的采样频率
314基本名词术语
32什么是阶次跟踪
321阶次跟踪的概念
322阶次跟踪的过程
323阶次
324阶次分辨率
33阶次跟踪与固定采样的区别
331采样方式的区别
332与FFT分析的区别
333应用场合的区别
334小结
第4章扭振分析
41什么是扭转振动
411与常规振动的区别
412表征的物理参数
413扭振的表现形式
414扭振的危害
42产生扭振的原因
421“源路径接收者”模型
422旋转部件自身特点
423往复式发动机
424扭振其他源
43扭振测量理论
431瞬时转速计算公式
432数字转速与模拟转速
433采样要求
434每转脉冲数的影响
44什么是吉布斯现象
441背景
442吉布斯现象
443吉布斯现象产生的原因与
控制
444吉布斯现象实例
445结论
45脉冲数与可测转速的关系
46常见的扭振测量传感器
461磁电式转速传感器
462光电式转速传感器
463增量式编码器
464测量结果对比
47码带粘贴的影响
48基于Testlab的扭振测量
481三种测量模式
482通道设置
483跟踪设置
484其他设置
49扭振数据处理方法
491预处理
492时域处理
493固定采样处理
494阶次跟踪处理
第5章包络分析与倒谱分析
51为什么需要包络分析
52希尔伯特变换
521什么是相量
522解析信号
523希尔伯特变换的定义
524希尔伯特变换的计算
53包络分析
531模拟包络分析
532希尔伯特包络分析
54希尔伯特包络分析实例
541希尔伯特包络分析流程
542分析实例
55倒谱分析
551倒谱的定义
552倒谱分析的优点
553与包络分析的区别
554Testlab中的分析步骤
第6章旋转机械NVH分析一般
流程
61理论计算
62数据采集
63数据分析
64分析流程小结
第7章轴承
71轴承的失效形式
711常见的失效形式
712期望的振动特性
72滚动轴承的运动学
721滚动轴承的特征频率
722滚动轴承的特征阶次
723滚动轴承故障频率实例
73滚动轴承振动产生的可能
原因
731载荷引起的振动
732偏心引起的振动
733滚动体直径变化引起的振动
734安装不当引起的振动
735轴承局部缺陷引起轴承固有
频率的振动
736其他因素引起的振动
74滚动轴承故障振动处理方法
741频率范围选择
742时域方法
743频域方法
744包络分析在轴承振动分析中的
应用
75什么是峭度
751直方图和峭度
752峭度与超值峭度
753峭度作为声音度量指标
第8章齿轮
81浅析齿轮结构NVH问题的产生
机理
82齿轮的追逐齿设计
83齿轮结构的频谱特征
831啮合频率
832转频的低次谐波
833啮合频率的谐波及其边频带
834追逐齿频率
835鬼线频率
836Rattle频率
837和频与差频
84行星齿轮的特征频率
85齿轮的特征阶次
851定轴齿轮的传动比
852定轴齿轮的特征阶次
853行星齿轮的传动比
854行星齿轮的啮合阶次
86齿轮的传递误差
861传递误差的定义
862传递误差产生的可能原因
863传递误差产生的影响
864传递误差分析
87传递误差分析实例
871试验测量
872稳态工况分析
873加速工况分析
88齿轮的边频带
89齿轮的调制效应
891幅值调制AM
892频率调制FM
893二者的异同
894混合调制
第9章电机
91电机定子模态的空间特征
911传统模态阶次表示方式
912以节点数或反节点数表示
模态阶次
913电机定子模态的空间阶次
914关心轴向节点为0的低阶模态的
原因
92PWM
921PWM的概念
922PWM技术基本思路
923PWM控制过程
924AC转换到DC
93电机为什么会出现伞状阶次
931什么是偏离零点阶次
932出现伞状阶次的原因
933改善开关噪声的方法
94什么是拍现象
941拍的定义
942相关理论
943与幅值调制的区别
第2部分传递路径分析
第10章传递路径分析介绍
101什么是传递路径分析
1011TPA模型：源路径接收者
1012TPA概念
1013TPA基本理论
1014TPA数据测量
1015TPA一般流程
1016各种TPA方法
1017TPA应用
102常见的各种TPA方法介绍
1021单参考TPA
1022多参考TPA
1023OPA
1024OPAX
1025时域TPA
1026ASQ模型
1027能量TPA
1028快速TPA
1029多级TPA
10210基于应变TPA
103TPA分析的几个关键名词
解释
1031参考
1032主/被动侧（或子系统）
1033空气声与结构声
1034传递路径
1035目标点
1036指示点
1037条件数
1038贡献量
1039主分量
104TPA分析的目的
105两类TPA模型
1051载荷响应类TPA模型
1052响应响应类TPA模型
106细说车辆的“源路径接收者”
模型
1061车辆常见的激励源、路径和
接收者位置
1062动力总成TPA
1063路噪TPA
107TPA分析需要的知识储备
1071知识储备
1072TPA理论
1073实际工程经验
第11章经典TPA
111工作载荷识别常见方法介绍
1111直接法
1112悬置动刚度法
1113逆矩阵法
1114单路径求逆法
1115派生方法
1116各种方法混用
112SVD简介
1121特征值分解及其物理意义
1122奇异值分解及其物理意义
113SVD在TPA中的应用
1131逆矩阵法识别工作载荷
1132确定逆矩阵载荷识别中的
条件数
1133多参考TPA工况数据
分解
1134利用SVD解耦OPA的
传递率
114多参考TPA
1141基本思路
1142分解工况数据
1143PCA分析需要的数据
1144参考信号的选择
1145与单参考TPA的区别
第12章OPA
121OPA分析考虑事项
1211与传统TPA的区别
1212路径相互耦合
1213传递率估计误差
1214缺失路径带来的影响
1215总结
122Testlab中的OPA流程
1221时域数据测量
1222频域数据准备
1223OPA分析
1224后处理
第13章OPAX方法
131OPAX基本思路
132单自由度模型
133多频带模型
134模型选择
135单独估计结构载荷
136同时估计结构载荷和
声学载荷
137考虑事项
138OPAX的可扩展性
139与其他方法的区别
1310OPAX创新处
第14章TPA分析的一般原则、建议、
技巧与考虑事项
141模型定义
142通用原则
143频响函数测量
144工况数据测量
145悬置动刚度法
146逆矩阵法
147OPAX方法
148多参考TPA参考点选择
原则
附录名词术语
后记
参考文献

本书用通俗易懂的语言介绍旋转机械NVH和TPA分析实践所需的基础知识，内容主要包括旋转机械NVH和TPA分析两大部分，从实际应用出发，侧重于实际工程问题与常用基本操作，即使读者是NVH初学者，也可轻松、准确地掌握旋转机械NVH和TPA分析基本概念与方法，快速提升NVH工程实践能力。本书主要面向旋转机械NVH和TPA分析的初级和中级人员，同时也为NVH高级人员提供有价值的参考。本书可以作为机械制造、汽车、航天航空、土木工程、石油化工、海洋工程、船舶、家电等领域的工程技术人员和科研工作者NVH工作的参考书。

谭祥军，西门子工业软件（北京）有限公司高级工程师从事振动和噪声技术研究十二年，在NVH的研究与应用方面实践经验丰富，出版图书《从这里学NVH——噪声、振动、模态分析的入门与进阶》《模态试验实用技术：实践者指南》。