來源：是德科技CAE

隨著城市空中交通(UAM)概念的興起，電動垂直起降飛行器(eVTOL)作為其核心載體，正經(jīng)歷前所未來的發(fā)展熱潮。由于eVTOL在城市低空環(huán)境下運行，其噪聲問題也尤為突出，eVTOL噪聲問題直接關系到公眾對eVTOL的接受度、噪聲法規(guī)符合性以及最終的適航認證等。對于eVTOL艙內(nèi)聲學舒適性而言，終端市場一般期望eVTOL的艙內(nèi)噪聲水平能達到豪華舒適性汽車的水平，這也給eVTOL開發(fā)商帶來較大的挑戰(zhàn)。如果能在eVTOL開發(fā)前期，通過仿真的方法預測艙內(nèi)噪聲水平并采取降噪優(yōu)化措施，對eVTOL開發(fā)成本、合規(guī)性以及開發(fā)周期都會帶來較大的優(yōu)勢，本文將結合eVTOL噪聲源特點，介紹基于VA ONE仿真分析eVTOL艙內(nèi)噪聲的方法。

一、VA ONE介紹

VA ONE 是原ESI Group于2005年推出的一款全頻段振動噪聲分析軟件，其將有限元(FEM)、聲學邊界元（Acoustic BEM）、統(tǒng)計能量法(SEA)及聲線法(Ray Tracing)等多個核心求解器集成在同一個GUI界面，用戶可根據(jù)自己的分析需求選擇合適的求解器對系統(tǒng)的振動噪聲問題進行求解，目前VA ONE已廣泛應用在汽車、軌道交通、航空航天及船舶等領域。VA ONE 中的SEA是分析高頻空氣聲激勵導致的系統(tǒng)NVH問題的行業(yè)標桿求解器，其快速高效地求解效率極大的滿足目前各個行業(yè)不斷縮短地開發(fā)周期的需求。

對于eVTOL艙內(nèi)噪聲仿真，可結合VA ONE 聲學BEM求解器以及SEA求解器分析其艙內(nèi)噪聲水平；對于降噪設計，VA ONE 提供了不同的NCT(Noise Control Treatment)建模方法模擬聲學包設計方案，也提供了諸如Global GA/MMA等優(yōu)化方法對聲學包進行優(yōu)化，從而在達成eVTOL噪聲性能的前提下，滿足輕量化以及經(jīng)濟型的設計要求。針對eVTOL艙內(nèi)噪聲仿真分析，VA ONE分析流程如下所示：

1基于CFD仿真分析提取葉片噪聲源及機艙表面湍流載荷激勵

2基于VA ONE BEM 分析旋翼噪聲到機艙表面的噪聲傳播

3基于VA ONE SEA 分析艙內(nèi)噪聲響應分析

4基于VA ONE HF Foam及優(yōu)化模塊對艙內(nèi)噪聲進行降噪方案設計

eVTOL艙內(nèi)噪聲分析流程

由于涉及內(nèi)容較多，本文討論的內(nèi)容將分為兩節(jié)進行闡述，本節(jié)內(nèi)容主要介紹eVTOL旋翼噪聲表征以及BEM求解過程，eVTOL艙內(nèi)噪聲的響應分析及優(yōu)化將在下節(jié)內(nèi)容中展開介紹。

二、eVTOL旋翼噪聲表征

對于eVTOL而言，從結構來講，其噪聲源包括電機輻射噪聲、電動力總成振動噪聲、旋翼不平衡引起的結構振動、旋翼輻射噪聲等，其中旋翼噪聲是主要的噪聲源；從工況角度，在起飛階段，由于eVTOL運行速度較低，艙內(nèi)噪聲響應主要來自外部旋翼工作時與空氣相互作用產(chǎn)生的噪聲；在巡航階段，除旋翼噪聲外，由于運行速度較高，機艙表面還受到湍流載荷的激勵。

按照FWH理論，旋轉(zhuǎn)機械周圍產(chǎn)生的流動區(qū)域可等效為一個靜止流體區(qū)域和分布在其表面的噪聲源系統(tǒng)，可采用該方法對eVTOL旋翼噪聲源進行表征。采用OpenFoam CFD軟件對旋翼進行建模，為提高計算效率，在CFD模型中僅建立兩個共軸反向旋轉(zhuǎn)的旋翼模型，旋翼轉(zhuǎn)速設置為2000RPM，計算域采用旋轉(zhuǎn)網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸隨著與旋翼的距離增大而增大，湍流模型選擇LES 模擬，F(xiàn)WH面可根據(jù)分析的需求設置在旋翼不同距離的近場范圍內(nèi)。計算模型及結果如下圖所示，可以看到在葉片通過頻率以及整諧波頻率處存在明顯的峰值，同時為驗證FWH類比法提取的噪聲源的精度，在CFD軟件中用提取的噪聲源計算在同一區(qū)域的SPL響應，結果顯示在葉片通過頻率（BDF）以下，F(xiàn)WH聲類比方法和CFD計算的結果吻合度較好，但是躍過BDF后，CFD計算受到網(wǎng)格尺寸的限制，很難捕獲到高頻短波噪聲的傳遞信息，故而其SPL響應較低，F(xiàn)WH聲類比方法能恢復聲場的守恒特性，故而精度更高。最終用FWH類比法提取的旋翼噪聲在VA ONE中轉(zhuǎn)化為指向性聲源CAS加載在eVTOL BEM模型中分析其向機體表面噪聲傳播的過程。對于eVTOL的巡航工況，除用上述方法獲取旋翼不同旋轉(zhuǎn)速度下的旋翼噪聲外，還要考慮機體外表面的湍流載荷激勵，湍流噪聲在CFD軟件中的表征與汽車行業(yè)提取側(cè)窗脈動載荷激勵類似，此處不再贅述。

三、eVTOL BEM 分析

eVTOL BEM 分析模型主要用于模擬旋翼噪聲傳遞到機艙外表面的過程，即利用BEM進行外聲場分析。建立eVTOL 外覆蓋件結構及旋翼邊界元網(wǎng)格模型，認為機艙表面為剛性邊界，即滿足迪利克雷邊界條件，機身表面邊界元尺寸參數(shù)滿足在最高分析頻率每個波長至少有6個單元，同時將eVTOL各關鍵外表面作為Data Recovery面（DR面代表響應面，后續(xù)分析中需要將DR面上的響應作為載荷加載在SEA各結構子系統(tǒng)上，故而建議DR面的劃分和SEA模型中eVTOL外覆蓋件的SEA結構子系統(tǒng)一一對應）。在4個旋翼中心點處分別加載CAS聲源，并導入上一步中提取的聲源激勵。通過求解獲得各個面上的平均聲壓級響應，當然也可以在各數(shù)據(jù)接收面上設置各類虛擬傳感器獲得具體關心位置的響應。

眾所周知，BIE 方程通常為滿秩非對稱的稠密矩陣，在求解BEM模型時，求解器需要對每個面元進行積分求解，并儲存計算結果，這就導致采用常規(guī)BEM 求解器計算BEM模型時，計算效率低下且對計算機的內(nèi)存帶來較大的挑戰(zhàn)。為改善常規(guī)BEM求解器求解大型復雜BEM模型的弊端，VA ONE 為BEM模型的求解開發(fā)了H-Matrix求解器，即采用“分塊”的方法。在H-Matrix矩陣表達式中，整個矩陣的顯示形式并不存在，而是以分塊低秩的形式存儲，H-Matrix只對遠場的矩陣塊進行低秩近似（或壓縮儲存，即使采用的是低秩近似，但不改變原始矩陣塊的秩，且在軟件算法中設置了原矩陣塊和近似矩陣塊的誤差閾值，從而達到控制模型計算精度的效果），對近場的矩陣塊直接求解（稠密儲存），即將BIE 方程轉(zhuǎn)化為“全局滿秩+遠場近似”的方法進行求解，從而大幅降低計算量，進而提高計算效率，同時也保證工程分析精度的要求。H-Matrix方法尤其對大型復雜BEM模型求解具有很大的優(yōu)勢，推薦對于節(jié)點數(shù)超過3萬的BEM模型采用該方法進行求解。在本次eVTOL演示案例中亦采用H-Matrix BEM求解器進行計算。

求解完成后即可在VA ONE中通過Engineering Unit查看各DR面的平均聲壓級響應，也可通過Contour Plot功能繪制各DR面上的聲壓級云圖顯示， 該結果將最終映射到eVTOL SEA模型中作為聲載荷激勵分析其向內(nèi)傳播噪聲的過程，BEM外聲場計算結果如下圖所示。

四、最后

以上即為eVTOL旋翼噪聲表征及其向機體外表面覆蓋件輻射噪聲的仿真流程，在下節(jié)內(nèi)容中我們將介紹基于VA ONE SEA 模型的艙內(nèi)噪聲響應分析及優(yōu)化過程。