在當今的工業設計中，振動和噪聲性能已經成為評估產品性能的關鍵因素。仿真技術不僅加速了產品設計的步伐，還為設計師提供了深入了解物理機理、制定針對性優化方案的機會。雖然針對產品的結構與聲場建模手段已經越來越成熟，但無論是定義真實的結構載荷還是聲場載荷，其形式和大小對仿真而言都具有相當的挑戰性。特別是聲場分析中的噪聲源，往往具有一定的空間體積和表面積，并且具有復雜的空間分布特性和指向性，難以通過理想化聲源（如點聲源、偶極聲源、線聲源及類似平面波類型的聲源）精確表示，從而造成仿真最終結果與實際偏離較大。

本文所介紹的基于Actran的等效聲源/振源識別方法可以幫助噪聲仿真工程師解決以上難題。

Actran聲源識別方法的應用場景

目前，Actran聲源識別方法有以下幾種應用場景： 

01

結構表面振動識別

結構表面振動識別的主要目的是通過有限的振動或聲音測試數據，獲取結構體表面較為完整的振動分布，以便準確地進行輻射聲場分析。

表面振動識別方式可以有四種實現方法：

（1）在已有結構有限元模型的情況下，通過振動測量數據反推出結構載荷，從而獲得與真實工作狀態一致的結構振動模型。

（2）在已有結構模態數據的情況下，通過振動測量數據反推出結構模態的參與因子，進而得到實際工作狀態下的結構振動響應。

圖 1 基于表面振動測試的結構振動識別

（3）根據結構部件實際工作狀態下的振動測量數據，采用特定的映射法則將其映射到結構外表面網格上，用以表示輻射噪聲的振動邊界。

（4）通過實際工作狀態下的聲音測量數據結合聲源結構表面的空氣薄膜模態，反推出各階薄膜模態的參與因子，從而了解聲源表面的真實振動情況。

圖 2 基于噪聲測試的表面振動識別（空氣薄膜模態方法）

02

等效點聲源識別

Actran點聲源識別方法允許使用發聲源部件的噪聲測試數據進行等效聲源反推。當發聲源部件被安裝到更復雜的環境中時，可以用其等效聲源來代表它的實際聲源。這有助于將現有發聲源部件（例如動力總成）噪聲測試數據無縫集成到復雜的整車NVH環境中，以預測車內或車外的噪聲水平。此外，該方法還可以建立測試數據與其他仿真模型之間的聯系，促進團隊間的數據共享和技術交流。

圖 3 等效點聲源識別

以上各種聲源識別方法都能幫助仿真工程師構建從聲源定義到振動噪聲傳播路徑模擬再到響應計算的完整流程。上述流程中，也可以使用仿真得到的振動或者噪聲結果進行等效聲源的推導。

基于振動測試結果反推結構載荷

這一期，我們將介紹第一種振動識別方法：基于振動測試結果反推結構載荷。其他識別方法將在后續的文章中加以介紹。

當我們遇到產品振動或輻射噪聲超標，需要進行優化設計時，在載荷未知而只有結構有限元模型的情況下，很難定量的評估結構優化的效果。如果能夠獲得實際的載荷，并用于新的設計方案的仿真分析和驗算，是非常有工程意義的。

自Actran 2023.2版本以來，新增了Equivalent BC analysis分析功能，旨在根據振動或噪聲的測量值求解結構力或聲源載荷強度。這種分析包括兩個步驟，整合了Actran常規分析功能與載荷反推功能：

（1）提取每一種載荷（contributor）對目標測點響應的傳遞函數。

（2）根據目標測點響應的輸入值，利用反推算法基于上述傳遞函數計算等效載荷的幅值和相位信息。

因此，在使用這一種振動識別方法時，需要已知結構的有限元模型或模態，并能準確的定義結構在工作狀態下的載荷形式（集中力/分布力/壓力等），但載荷大小未知。通過結構振動表面的測試結果反推載荷強度。反推出的載荷可用于進一步的結構優化和噪聲評估。

詳細的流程如下：

（1）獲得實驗測試的加速度數據。

（2）基于振動有限元模型定義(Equivalent BC)等效載荷反推模型，為每個結構載荷設定一個“假”的數值并添加至對應的contributor中。

（3）Actran將計算每一個contributor到加速度測點之間的傳遞函數，并結合實驗測試數據計算每個貢獻者的載荷強度，同時輸出所有結構單元的振動響應及模態參與因子。

（4）基于結構網格創建聲學包面網格，定義格林聲輻射分析模型。此步驟考慮到后期要進行多種不同結構設計方案下噪聲的評估，為了提高計算效率而定義格林分析。如果只是為了驗證一兩種結構的輻射噪聲，則可以采用常規的聲學直接頻響分析建模。

（5）格林分析將輸出麥克風測點的噪聲響應，并一同輸出結構表面各個單元對噪聲的貢獻量以及各個結構模態對噪聲的貢獻量。

（6）噪聲優化：基于第五步的聲場貢獻量分析，對貢獻較大的結構區域進行結構優化，使用反推出的結構載荷進行新結構設計下的振動和噪聲驗算，比如加筋優化或阻尼優化；也可以對輻射噪聲較強的區域進行聲學封裝材料的設計，并使用格林分析模型進行噪聲驗算。

圖 4 振動載荷識別及噪聲預測的仿真流程圖

由此可見，上述流程不僅完善了整個仿真過程，讓工程師不再僅依賴傳遞函數或模態進行結構優化，而能夠基于實際載荷進行量化物理機理分析并開展優化設計，評估優化方案的實際效果。

國內工程機械領域的某領先企業使用Actran載荷反推功能進行了卷揚機的噪聲優化。盡管之前擁有相對準確的卷揚機結構有限元模型，但由于缺乏實際載荷信息，無法進行精確的振動響應分析，也無法確定噪聲產生的具體位置。通過使用Actran軟件中的等效聲源模型，實驗數據幫助工程師快速獲得了實際載荷，從而正確分析了整個卷揚機的振動分布和輻射噪聲。根據噪聲結果中的貢獻量云圖，工程師鎖定了側板是問題所在，并嘗試在側板上進行挖空設計和縱向加筋降低噪聲。

圖 5 側板結構優化方案（左側為挖空方案，右側為縱向加筋方案）

通過仿真驗算，縱向加筋的方案（下圖紅色曲線）相對初始設計方案（下圖綠色曲線）在關鍵的兩個麥克風測點的噪聲分別降低了3.2dB和4.6dB；而挖空的方案（下圖藍色曲線）在麥克風1點會增大噪聲，麥克風2點會降低噪聲。

圖 6 麥克風1點的噪聲仿真結果（上圖為窄帶頻譜，下圖為1/3倍頻結果）

圖 7 麥克風2點的噪聲仿真結果（上圖為窄帶頻譜，下圖為1/3倍頻結果）