上期文章我們介紹了基于振動測試結果反推結構載荷，點擊可查看《Actran聲源識別方法連載（一）：結構載荷識別》。這一期，我們將介紹第二種聲源識別方法：基于噪聲測試的薄膜模態表面振動識別方法。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 1 基于噪聲測試的表面振動識別（空氣薄膜模態方法）

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薄膜模態的概念

針對機械結構（幾何域Ωs）的聲輻射問題，將其外部邊界記作Γs。此邊界與外部的聲學層（幾何域ΩL）相連，邊界ΓL與Γs重合。假設聲學層ΩL的厚度tL相對于聲波長來說很小（tL << λ），即可以用這種具有無限小厚度的區域來替代原有的流體物理域。而薄膜模態（Pellicular modes）的概念即為與這個薄膜域有關的聲學模態的集合。

 

圖 2 薄膜區域示意圖

Actran軟件當中的模態提取功能不僅可以針對實體結構或者有限體積的空氣域進行模態提取，也可提取任意結構表面的薄膜模態。

薄膜模態可以用來評估任何聲源的輻射聲場問題。首先需要創建一個輻射數據庫，計算麥克風與這些薄膜模態之間的傳遞函數；然后利用上述信息來解決聲源識別問題。例如評估產生噪聲場的聲源表面法向速度分布、重構任意位置麥克風的響應。

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薄膜模態方法識別等效聲源的流程

輸入數據包括聲源表面網格以及聲源的噪聲測量數據。Actran程序的步驟如下：

1) 模態提取：基于聲源表面網格，進行薄膜模態提取，保存模態數據庫。

圖 3 變速箱表面的薄膜模態

2) 模態輻射傳函分析：逐個計算每個薄膜模態的聲輻射模式，獲得每個模態與各個麥克風之間的傳遞函數。

圖 4 各階薄膜模態與麥克風測點的傳函計算

3) 逆方法（聲源識別）：使用每個近場麥克風與薄膜模態之間的傳遞函數及實驗測量數據，求解最小二乘問題匹配實驗結果，以計算每個薄膜模態的參與因子。

圖 5 恢復聲源輻射的薄膜模態參與因子

通過這種方法，可以從實驗測量數據出發，結合數值模擬技術，精確地重建聲源表面的振動數據，并可以根據實際需求預測不方便測量區域的噪聲響應或進一步進行隔聲優化。此過程不僅有助于理解設備產生的噪聲特性，也為優化設計提供了有力工具，比如確定隔音板的最佳位置和尺寸等。

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工程案例

艾默生空調在處理HVAC（供暖、通風和空調）單元的遠場噪聲評估時遇到的一些困難：

? 實際安裝環境下在HVAC單元周圍進行遠場測量存在實際復雜性，這使得直接測量變得困難；

? 對于HVAC單元的不同組件（如散熱器、風扇、壓縮機等）進行全面模擬需要巨大的投資，而且由于部分組件并非由HVAC單元的制造商直接生產，缺乏完整的數模來支持全面的模擬過程。

為了解決這些問題，開發了一種實驗和數值混合應用的方法，用來評估HVAC單元在遠場中的噪聲輻射情況。

ZXDE 030E-TFD-454型戶外冷凝機組（單風扇單元）被選作分析對象。首先執行近場噪聲測量。在HVAC單元周圍設置一個虛擬盒子，尺寸為1200x960x600mm，距離實際設備120mm。在這個盒子上布置了355組測量點，每組4個測點，總共1420個近場測量點。此外，在離設備1米和2米處進行76次遠場聲壓測量。

圖 6 近場噪聲測量：左圖為虛擬盒子；右圖為麥克風間距

然后，進行信號相位調整：由于測量組之間的相位差異，需在頻域中對每個麥克風的信號進行相位調整。

圖 7不同麥克風的空間相關性

在Actran中使用聲學有限元輻射模型和麥克風測點的實驗數據逆推薄膜模態參與因子，恢復HVAC單元表面的聲源分布。

圖 8 Actran中的聲學模型

圖 9 近場麥克風預測和實驗值對比

最后進行遠場結果的仿真分析。通過對比近場和遠場測量數據與仿真結果，驗證模型準確性，并構建指向性圖評估不同距離下的聲輻射特性。

圖 10 遠場麥克風預測和實驗值對比

圖 11 HVAC單元附近的聲場分布云圖

仿真結果顯示，對于近場點，重建的聲壓數值與實驗值匹配良好；對于遠場位置，特別是在后方、左側、頂部和右側方向上的整體趨勢也得到了良好的再現。

這種方法極大地減少了大規模測試設施的需求，使得在不方便執行測量的情況下預測HVAC單元在所有方向上的聲音成為可能，從而節省成本和時間。利用這種新方法，能夠基于獲取的等效聲源，帶入新的安裝環境，預測實際的噪聲分布，在虛擬環境中測試多種噪音控制解決方案，如吸聲墻或聲屏障。

更詳細的艾默生HVAC案例可查閱2019年Internoise《Hybrid Experimental - Numerical Method to Predict Far Field Noise of HVAC Unit.》文章，當時的聲源逆推過程還需要配合腳本實現。在Actran2023.2版本中，這套方法已經成為一個標準的EQUIVALENT_BC_ANALYSIS分析類型，使得這項技術的工程應用更加簡單。海克斯康工業軟件公眾號上的《基于測試車輛聲學警報系統仿真》文章也采用了這種技術。有興趣的讀者可以點擊查看。