设计仿真 | Actran声源识别方法连载（一）：结构载荷识别-软服之家

在当今的工业设计中，振动和噪声性能已经成为评估产品性能的关键因素。仿真技术不仅加速了产品设计的步伐，还为设计师提供了深入了解物理机理、制定针对性优化方案的机会。虽然针对产品的结构与声场建模手段已经越来越成熟，但无论是定义真实的结构载荷还是声场载荷，其形式和大小对仿真而言都具有相当的挑战性。特别是声场分析中的噪声源，往往具有一定的空间体积和表面积，并且具有复杂的空间分布特性和指向性，难以通过理想化声源（如点声源、偶极声源、线声源及类似平面波类型的声源）精确表示，从而造成仿真最终结果与实际偏离较大。

本文所介绍的基于Actran的等效声源/振源识别方法可以帮助噪声仿真工程师解决以上难题。

Actran声源识别方法的应用场

目前，Actran声源识别方法有以下几种应用场景：

结构表面振动识别

结构表面振动识别的主要目的是通过有限的振动或声音测试数据，获取结构体表面较为完整的振动分布，以便准确地进行辐射声场分析。

表面振动识别方式可以有四种实现方法：

（1）在已有结构有限元模型的情况下，通过振动测量数据反推出结构载荷，从而获得与真实工作状态一致的结构振动模型。

（2）在已有结构模态数据的情况下，通过振动测量数据反推出结构模态的参与因子，进而得到实际工作状态下的结构振动响应。

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图 1 基于表面振动测试的结构振动识别

（3）根据结构部件实际工作状态下的振动测量数据，采用特定的映射法则将其映射到结构外表面网格上，用以表示辐射噪声的振动边界。

（4）通过实际工作状态下的声音测量数据结合声源结构表面的空气薄膜模态，反推出各阶薄膜模态的参与因子，从而了解声源表面的真实振动情况。

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图 2 基于噪声测试的表面振动识别（空气薄膜模态方法）

等效点声源识别

Actran点声源识别方法允许使用发声源部件的噪声测试数据进行等效声源反推。当发声源部件被安装到更复杂的环境中时，可以用其等效声源来代表它的实际声源。这有助于将现有发声源部件（例如动力总成）噪声测试数据无缝集成到复杂的整车NVH环境中，以预测车内或车外的噪声水平。此外，该方法还可以建立测试数据与其他仿真模型之间的联系，促进团队间的数据共享和技术交流。

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图 3 等效点声源识别

以上各种声源识别方法都能帮助仿真工程师构建从声源定义到振动噪声传播路径模拟再到响应计算的完整流程。上述流程中，也可以使用仿真得到的振动或者噪声结果进行等效声源的推导。

基于振动测试结果反推结构载荷

本期我们将介绍第一种振动识别方法：基于振动测试结果反推结构载荷。其他识别方法将在后续的文章中加以介绍。

当我们遇到产品振动或辐射噪声超标，需要进行优化设计时，在载荷未知而只有结构有限元模型的情况下，很难定量的评估结构优化的效果。如果能够获得实际的载荷，并用于新的设计方案的仿真分析和验算，是非常有工程意义的。

自Actran 2023.2版本以来，新增了Equivalent BC analysis分析功能，旨在根据振动或噪声的测量值求解结构力或声源载荷强度。这种分析包括两个步骤，整合了Actran常规分析功能与载荷反推功能：

（1）提取每一种载荷（contributor）对目标测点响应的传递函数。

（2）根据目标测点响应的输入值，利用反推算法基于上述传递函数计算等效载荷的幅值和相位信息。

因此，在使用这一种振动识别方法时，需要已知结构的有限元模型或模态，并能准确的定义结构在工作状态下的载荷形式（集中力/分布力/压力等），但载荷大小未知。通过结构振动表面的测试结果反推载荷强度。反推出的载荷可用于进一步的结构优化和噪声评估。

详细的流程如下：

（1）获得实验测试的加速度数据。

（2）基于振动有限元模型定义(Equivalent BC)等效载荷反推模型，为每个结构载荷设定一个“假”的数值并添加至对应的contributor中。

（3）Actran将计算每一个contributor到加速度测点之间的传递函数，并结合实验测试数据计算每个贡献者的载荷强度，同时输出所有结构单元的振动响应及模态参与因子。

（4）基于结构网格创建声学包面网格，定义格林声辐射分析模型。此步骤考虑到后期要进行多种不同结构设计方案下噪声的评估，为了提高计算效率而定义格林分析。如果只是为了验证一两种结构的辐射噪声，则可以采用常规的声学直接频响分析建模。

（5）格林分析将输出麦克风测点的噪声响应，并一同输出结构表面各个单元对噪声的贡献量以及各个结构模态对噪声的贡献量。

（6）噪声优化：基于第五步的声场贡献量分析，对贡献较大的结构区域进行结构优化，使用反推出的结构载荷进行新结构设计下的振动和噪声验算，比如加筋优化或阻尼优化；也可以对辐射噪声较强的区域进行声学封装材料的设计，并使用格林分析模型进行噪声验算。

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图 4 振动载荷识别及噪声预测的仿真流程图

由此可见，上述流程不仅完善了整个仿真过程，让工程师不再仅依赖传递函数或模态进行结构优化，而能够基于实际载荷进行量化物理机理分析并开展优化设计，评估优化方案的实际效果。

国内工程机械领域的某领先企业使用Actran载荷反推功能进行了卷扬机的噪声优化。尽管之前拥有相对准确的卷扬机结构有限元模型，但由于缺乏实际载荷信息，无法进行精确的振动响应分析，也无法确定噪声产生的具体位置。通过使用Actran软件中的等效声源模型，实验数据帮助工程师快速获得了实际载荷，从而正确分析了整个卷扬机的振动分布和辐射噪声。根据噪声结果中的贡献量云图，工程师锁定了侧板是问题所在，并尝试在侧板上进行挖空设计和纵向加筋降低噪声。

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