在當(dāng)今的工業(yè)設(shè)計(jì)中，振動(dòng)和噪聲性能已經(jīng)成為評(píng)估產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素。仿真技術(shù)不僅加速了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的步伐，還為設(shè)計(jì)師提供了深入了解物理機(jī)理、制定針對(duì)性優(yōu)化方案的機(jī)會(huì)。雖然針對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與聲場(chǎng)建模手段已經(jīng)越來(lái)越成熟，但無(wú)論是定義真實(shí)的結(jié)構(gòu)載荷還是聲場(chǎng)載荷，其形式和大小對(duì)仿真而言都具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性。特別是聲場(chǎng)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(fù)雜的空間分布特性和指向性，難以通過(guò)理想化聲源（如點(diǎn)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(jié)果與實(shí)際偏離較大。

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

Actran聲源識(shí)別方法的應(yīng)用場(chǎng)景      

目前，Actran聲源識(shí)別方法有以下幾種應(yīng)用場(chǎng)景： 

01   結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)識(shí)別    

結(jié)構(gòu)表面振動(dòng)識(shí)別的主要目的是通過(guò)有限的振動(dòng)或聲音測(cè)試數(shù)據(jù)，獲取結(jié)構(gòu)體表面較為完整的振動(dòng)分布，以便準(zhǔn)確地進(jìn)行輻射聲場(chǎng)分析。

表面振動(dòng)識(shí)別方式可以有四種實(shí)現(xiàn)方法：

（1）在已有結(jié)構(gòu)有限元模型的情況下，通過(guò)振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)反推出結(jié)構(gòu)載荷，從而獲得與真實(shí)工作狀態(tài)一致的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模型。

（2）在已有結(jié)構(gòu)模態(tài)數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)反推出結(jié)構(gòu)模態(tài)的參與因子，進(jìn)而得到實(shí)際工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。

圖 1 基于表面振動(dòng)測(cè)試的結(jié)構(gòu)振動(dòng)識(shí)別

（3）根據(jù)結(jié)構(gòu)部件實(shí)際工作狀態(tài)下的振動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)，采用特定的映射法則將其映射到結(jié)構(gòu)外表面網(wǎng)格上，用以表示輻射噪聲的振動(dòng)邊界。

（4）通過(guò)實(shí)際工作狀態(tài)下的聲音測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合聲源結(jié)構(gòu)表面的空氣薄膜模態(tài)，反推出各階薄膜模態(tài)的參與因子，從而了解聲源表面的真實(shí)振動(dòng)情況。

圖 2 基于噪聲測(cè)試的表面振動(dòng)識(shí)別（空氣薄膜模態(tài)方法）

02   等效點(diǎn)聲源識(shí)別    

Actran點(diǎn)聲源識(shí)別方法允許使用發(fā)聲源部件的噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行等效聲源反推。當(dāng)發(fā)聲源部件被安裝到更復(fù)雜的環(huán)境中時(shí)，可以用其等效聲源來(lái)代表它的實(shí)際聲源。這有助于將現(xiàn)有發(fā)聲源部件（例如動(dòng)力總成）噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)縫集成到復(fù)雜的整車NVH環(huán)境中，以預(yù)測(cè)車內(nèi)或車外的噪聲水平。此外，該方法還可以建立測(cè)試數(shù)據(jù)與其他仿真模型之間的聯(lián)系，促進(jìn)團(tuán)隊(duì)間的數(shù)據(jù)共享和技術(shù)交流。

圖 3 等效點(diǎn)聲源識(shí)別

以上各種聲源識(shí)別方法都能幫助仿真工程師構(gòu)建從聲源定義到振動(dòng)噪聲傳播路徑模擬再到響應(yīng)計(jì)算的完整流程。上述流程中，也可以使用仿真得到的振動(dòng)或者噪聲結(jié)果進(jìn)行等效聲源的推導(dǎo)。

基于振動(dòng)測(cè)試結(jié)果反推結(jié)構(gòu)載荷      

這一期，我們將介紹第一種振動(dòng)識(shí)別方法：基于振動(dòng)測(cè)試結(jié)果反推結(jié)構(gòu)載荷。其他識(shí)別方法將在后續(xù)的文章中加以介紹。

當(dāng)我們遇到產(chǎn)品振動(dòng)或輻射噪聲超標(biāo)，需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，在載荷未知而只有結(jié)構(gòu)有限元模型的情況下，很難定量的評(píng)估結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果。如果能夠獲得實(shí)際的載荷，并用于新的設(shè)計(jì)方案的仿真分析和驗(yàn)算，是非常有工程意義的。

自Actran 2023.2版本以來(lái)，新增了Equivalent BC analysis分析功能，旨在根據(jù)振動(dòng)或噪聲的測(cè)量值求解結(jié)構(gòu)力或聲源載荷強(qiáng)度。這種分析包括兩個(gè)步驟，整合了Actran常規(guī)分析功能與載荷反推功能：

（1）提取每一種載荷（contributor）對(duì)目標(biāo)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)的傳遞函數(shù)。

（2）根據(jù)目標(biāo)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)的輸入值，利用反推算法基于上述傳遞函數(shù)計(jì)算等效載荷的幅值和相位信息。

因此，在使用這一種振動(dòng)識(shí)別方法時(shí)，需要已知結(jié)構(gòu)的有限元模型或模態(tài)，并能準(zhǔn)確的定義結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的載荷形式（集中力/分布力/壓力等），但載荷大小未知。通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)表面的測(cè)試結(jié)果反推載荷強(qiáng)度。反推出的載荷可用于進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和噪聲評(píng)估。

詳細(xì)的流程如下：

（1）獲得實(shí)驗(yàn)測(cè)試的加速度數(shù)據(jù)。

（2）基于振動(dòng)有限元模型定義(Equivalent BC)等效載荷反推模型，為每個(gè)結(jié)構(gòu)載荷設(shè)定一個(gè)“假”的數(shù)值并添加至對(duì)應(yīng)的contributor中。

（3）Actran將計(jì)算每一個(gè)contributor到加速度測(cè)點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)貢獻(xiàn)者的載荷強(qiáng)度，同時(shí)輸出所有結(jié)構(gòu)單元的振動(dòng)響應(yīng)及模態(tài)參與因子。

（4）基于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格創(chuàng)建聲學(xué)包面網(wǎng)格，定義格林聲輻射分析模型。此步驟考慮到后期要進(jìn)行多種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案下噪聲的評(píng)估，為了提高計(jì)算效率而定義格林分析。如果只是為了驗(yàn)證一兩種結(jié)構(gòu)的輻射噪聲，則可以采用常規(guī)的聲學(xué)直接頻響分析建模。

（5）格林分析將輸出麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)的噪聲響應(yīng)，并一同輸出結(jié)構(gòu)表面各個(gè)單元對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)量以及各個(gè)結(jié)構(gòu)模態(tài)對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)量。

（6）噪聲優(yōu)化：基于第五步的聲場(chǎng)貢獻(xiàn)量分析，對(duì)貢獻(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使用反推出的結(jié)構(gòu)載荷進(jìn)行新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下的振動(dòng)和噪聲驗(yàn)算，比如加筋優(yōu)化或阻尼優(yōu)化；也可以對(duì)輻射噪聲較強(qiáng)的區(qū)域進(jìn)行聲學(xué)封裝材料的設(shè)計(jì)，并使用格林分析模型進(jìn)行噪聲驗(yàn)算。

圖 4 振動(dòng)載荷識(shí)別及噪聲預(yù)測(cè)的仿真流程圖

由此可見(jiàn)，上述流程不僅完善了整個(gè)仿真過(guò)程，讓工程師不再僅依賴傳遞函數(shù)或模態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而能夠基于實(shí)際載荷進(jìn)行量化物理機(jī)理分析并開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，評(píng)估優(yōu)化方案的實(shí)際效果。

國(guó)內(nèi)工程機(jī)械領(lǐng)域的某領(lǐng)先企業(yè)使用Actran載荷反推功能進(jìn)行了卷?yè)P(yáng)機(jī)的噪聲優(yōu)化。盡管之前擁有相對(duì)準(zhǔn)確的卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型，但由于缺乏實(shí)際載荷信息，無(wú)法進(jìn)行精確的振動(dòng)響應(yīng)分析，也無(wú)法確定噪聲產(chǎn)生的具體位置。通過(guò)使用Actran軟件中的等效聲源模型，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)幫助工程師快速獲得了實(shí)際載荷，從而正確分析了整個(gè)卷?yè)P(yáng)機(jī)的振動(dòng)分布和輻射噪聲。根據(jù)噪聲結(jié)果中的貢獻(xiàn)量云圖，工程師鎖定了側(cè)板是問(wèn)題所在，并嘗試在側(cè)板上進(jìn)行挖空設(shè)計(jì)和縱向加筋降低噪聲。

圖 5 側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案（左側(cè)為挖空方案，右側(cè)為縱向加筋方案）

通過(guò)仿真驗(yàn)算，縱向加筋的方案（下圖紅色曲線）相對(duì)初始設(shè)計(jì)方案（下圖綠色曲線）在關(guān)鍵的兩個(gè)麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)的噪聲分別降低了3.2dB和4.6dB；而挖空的方案（下圖藍(lán)色曲線）在麥克風(fēng)1點(diǎn)會(huì)增大噪聲，麥克風(fēng)2點(diǎn)會(huì)降低噪聲。

圖 6 麥克風(fēng)1點(diǎn)的噪聲仿真結(jié)果（上圖為窄帶頻譜，下圖為1/3倍頻結(jié)果）

圖 7 麥克風(fēng)2點(diǎn)的噪聲仿真結(jié)果（上圖為窄帶頻譜，下圖為1/3倍頻結(jié)果）

（海克斯康工業(yè)軟件）

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