來源：是德科技CAE

前言

前兩期內(nèi)容中討論了eVTOL艙室內(nèi)噪聲仿真分析流程以及降噪優(yōu)化方法，本文主要闡述eVTOL艙外噪聲的仿真分析。

eVTOL在城市低空環(huán)境運行的場景，給城市居民帶來的環(huán)境噪聲是eVTOL 開發(fā)商必須要解決的問題，如果eVTOL帶來的環(huán)境噪聲過大，必然給城市居民帶來嚴(yán)重的困擾，可能會激發(fā)其對eVTOL的抵觸情緒，如美國舊金山等一些城市居民出于噪聲和安全的擔(dān)憂，不允許直升機在緊急情況外降落，故而對于eVTOL這種新型出行工具，為保證其正常的商業(yè)化進程，降低其環(huán)境噪聲至公眾可接受的程度尤為重要；同時北美及歐洲地區(qū)也出臺了相關(guān)的噪聲法規(guī)約束其環(huán)境噪聲，因而通過虛擬仿真的方法預(yù)測并解決eVTOL的輻射噪聲是避免項目后期由于噪聲問題導(dǎo)致項目凍結(jié)或加長開發(fā)周期的重要措施。

一、VA ONE eVTOL 外聲場噪聲解決方案

eVTOL外聲場噪聲可通過VA ONE Acoustic BEM求解器及Ray Tracing方法進行預(yù)測。對于Acoustic BEM 模塊，VA ONE 提供了標(biāo)準(zhǔn)邊界元求解器及H-Matrix方法供用戶選擇；Ray Tracing即聲線法可用于巡航工況下在城市界面運行時的外場噪聲分析，可通過在VA ONE GUI界面下搭建城市界面群模型，考慮城市建筑及街道等對eVTOL輻射噪聲的反射及衍射情況，相比于BEM 求解器，聲線法具有求解效率高的優(yōu)勢。

eVTOL外聲場的輻射噪聲源主要來自旋翼工作時與空氣相互作用產(chǎn)生的噪聲，可通過CFD分析得到其噪聲源頻譜，具體利用CFD 表征旋翼噪聲源的方法可參考《基于VA ONE的eVTOL艙室噪聲仿真分析（一）》，本文對噪聲源的表征不在贅述。利用VA ONE進行eVTOL外場輻射噪聲的分析流程如下圖所示。

二、基于BEM 分析eVTOL外聲場噪聲預(yù)測

建立如下圖所示的eVTOL邊界元分析模型，在旋翼中心位置加載CFD計算的旋翼噪聲源，eVTOL機身邊界元網(wǎng)格尺寸滿足最高分析頻率處一個波長內(nèi)至少6個網(wǎng)格的要求，并將其網(wǎng)格類型設(shè)置為剛性，即滿足迪利克雷邊界條件。在eVTOL 前端2米位置處設(shè)置Data Recovery面，并在其上布置5個虛擬傳感器，獲取不同位置的聲學(xué)響應(yīng)，如果要獲取機身表面的聲學(xué)響應(yīng)，也可將機身表面的網(wǎng)格進行復(fù)制并按照eVTOL外層板結(jié)構(gòu)的分布劃分為不同的數(shù)據(jù)接收面，這里要說明的一點是一般要求數(shù)據(jù)接收面的網(wǎng)格尺寸比eVTOL 自身面元網(wǎng)格小，從而保證分析的精度。

對于BEM模型的求解，VA ONE 內(nèi)置了Standard BEM 求解器即H-Matrix方法進行求解，并且在最新版本的VA ONE中，H-matrix方法支持內(nèi)外聲場及邊界設(shè)置有聲學(xué)阻抗模型的求解，且H-Matrix方法在保證精度的同時具有更高的計算效率，在本次演示的eVTOL BEM 模型中，由于模型中節(jié)點較多，故而調(diào)用H-Matrix方法進行求解計算，計算完成后，VA ONE可輸出機艙外表面各區(qū)域的聲學(xué)響應(yīng)。eVTOL 邊界元計算結(jié)果如下圖所示，在結(jié)果中除查看常規(guī)的響應(yīng)計算結(jié)果外，VA ONE 也可輸出模型中各聲源在不同頻域下在數(shù)據(jù)接收面的聲場云圖。

利用BEM 方法計算eVTOL外場輻射噪聲主要適用于起飛或降落階段對近場噪聲的直接輻射噪聲，如果將周邊環(huán)境如城市建筑等考慮在內(nèi)，其計算效率效率將會大打折扣，同時也對計算機的內(nèi)存帶來較大的挑戰(zhàn)。因而eVTOL巡航工況下會周圍環(huán)境的輻射噪聲不建議采用BEM方法進行求解，而是推薦聲射線法Ray Tracing進行求解。當(dāng)然，除上述將eVTOL機身表面將設(shè)為剛性計算外，如果認為旋翼噪聲輻射到機艙外壁面如前擋玻璃或側(cè)窗玻璃并引起其振動，進而考慮機艙外壁面對外場的振動輻射噪聲，也可將eVTOL外壁面板件設(shè)置為彈性結(jié)構(gòu)，即建立FE-BEM耦合模型進行計算。

三、基于Ray Tracing的eVTOL外聲場噪聲預(yù)測

聲射線法(Ray Tracing)是NVH分析中適用于中高頻噪聲分析的一種幾何方法，其借鑒了幾何光學(xué)中光線的概念，將聲波在復(fù)雜腔體中的傳播近似為無數(shù)條獨立傳播的聲線的運動軌跡，傳播過程中，聲線攜帶的能量會因空氣的吸收以及結(jié)構(gòu)中的阻抗邊界等耗散，當(dāng)聲線傳遞到模型邊界時會被反射及吸收。在VA ONE中，邊界的反射可設(shè)置為漫反射及鏡面反射等不同的條件，為計算結(jié)構(gòu)內(nèi)某具體位置的聲壓級響應(yīng)，VA ONE會在DR面上布置不同的接收球體，球體半徑可根據(jù)計算的需求進行設(shè)置。聲射線法計算聲學(xué)響應(yīng)的準(zhǔn)確性與聲射線數(shù)密切相關(guān)，線數(shù)過多，能帶來更高的計算精度但也會增加求解時間，聲線數(shù)過少，計算效率高但精度往往無法保證，為平衡計算效率與分析精度，VA ONE 提供了聲射線數(shù)預(yù)估腳本，該腳本可根據(jù)分析頻率及模型的大小預(yù)估所需要的聲射線數(shù)，進而為用戶提供參考。另外，VA ONE 聲線法當(dāng)前也考慮了聲衍射對計算結(jié)果帶來的影響，常見的聲線法應(yīng)用場景如下圖所示。

基于VA ONE 聲線法計算eVTOL在巡航工況下的外場輻射噪聲時，在GUI 界面中用SEA平板子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建城市建筑群及街道結(jié)構(gòu)，eVTOL 各結(jié)構(gòu)件主要通過SEA結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)描述，在上下旋翼位置中心點處加載CAS指向性聲源模擬旋翼噪聲，并將CFD提取的噪聲源激勵譜加載在CAS中作為計算的激勵輸入，對于關(guān)心區(qū)域的聲學(xué)響應(yīng)，可通過在該區(qū)域布置DR面獲取該位空間區(qū)域的平均聲壓級響應(yīng)，也可在DR面上布置虛擬傳感器獲得具體位置的聲學(xué)響應(yīng)。eVTOL聲線法計算模型如下圖所示：

本次演示算例中，將街道及某建筑大樓外立面作為關(guān)心區(qū)域，并在該區(qū)域建立Data Recovery 分析旋翼噪聲輻射到以上兩個區(qū)域的噪聲響應(yīng)，并在DR面上設(shè)置虛擬傳感器獲取具體位置的響應(yīng)，計算結(jié)果如下圖所示。由于eVTOL 產(chǎn)生的環(huán)境噪聲主要受相關(guān)法規(guī)的約束，故而可基于法規(guī)中的要求設(shè)定聲載荷邊界和響應(yīng)點，從而將Ray tracing 計算結(jié)果與法規(guī)中的標(biāo)準(zhǔn)要求進行對比，評估eVTOL是否滿足法規(guī)的要求。

四、最后

eVTOL產(chǎn)生的環(huán)境噪聲污染是影響其普及應(yīng)用的重要挑戰(zhàn)，eVTOL NVH工程師越早介入項目的開發(fā)，越有利于應(yīng)對相關(guān)噪聲法規(guī)的要求。

作者簡介

馬濤

VA One解決方案專家

畢業(yè)于重慶大學(xué)車輛工程專業(yè)，碩士研究生，研究方向為汽車NVH性能。曾就職于東風(fēng)等汽車主機廠，熟悉整車NVH性能開發(fā)流程，擅長聲學(xué)包及風(fēng)噪性能分析等。2022年起擔(dān)任VA One中國區(qū)技術(shù)專家，負責(zé)推進VA One在中國市場的應(yīng)用及部署、對用戶進行高級培訓(xùn)等工作，致力于推動虛擬樣機解決方案在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。