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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(yùn)行的場(chǎng)景，給城市居民帶來(lái)的環(huán)境噪聲是eVTOL 開(kāi)發(fā)商必須要解決的問(wèn)題，如果eVTOL帶來(lái)的環(huán)境噪聲過(guò)大，必然給城市居民帶來(lái)嚴(yán)重的困擾，可能會(huì)激發(fā)其對(duì)eVTOL的抵觸情緒，如美國(guó)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(jī)在緊急情況外降落，故而對(duì)于eVTOL這種新型出行工具，為保證其正常的商業(yè)化進(jìn)程，降低其環(huán)境噪聲至公眾可接受的程度尤為重要；同時(shí)北美及歐洲地區(qū)也出臺(tái)了相關(guān)的噪聲法規(guī)約束其環(huán)境噪聲，因而通過(guò)虛擬仿真的方法預(yù)測(cè)并解決eVTOL的輻射噪聲是避免項(xiàng)目后期由于噪聲問(wèn)題導(dǎo)致項(xiàng)目?jī)鼋Y(jié)或加長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期的重要措施。

一、VA ONE eVTOL 外聲場(chǎng)噪聲解決方案

eVTOL外聲場(chǎng)噪聲可通過(guò)VA ONE Acoustic BEM求解器及Ray Tracing方法進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)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(yùn)行時(shí)的外場(chǎng)噪聲分析，可通過(guò)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(duì)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(shì)。

eVTOL外聲場(chǎng)的輻射噪聲源主要來(lái)自旋翼工作時(shí)與空氣相互作用產(chǎn)生的噪聲，可通過(guò)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(duì)噪聲源的表征不在贅述。利用VA ONE進(jìn)行eVTOL外場(chǎng)輻射噪聲的分析流程如下圖所示。

二、基于BEM 分析eVTOL外聲場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)

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(jì)算的旋翼噪聲源，eVTOL機(jī)身邊界元網(wǎng)格尺寸滿足最高分析頻率處一個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)至少6個(gè)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(gè)虛擬傳感器，獲取不同位置的聲學(xué)響應(yīng)，如果要獲取機(jī)身表面的聲學(xué)響應(yīng)，也可將機(jī)身表面的網(wǎng)格進(jìn)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(shuō)明的一點(diǎn)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(duì)于BEM模型的求解，VA ONE 內(nèi)置了Standard BEM 求解器即H-Matrix方法進(jìn)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(chǎng)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(shí)具有更高的計(jì)算效率，在本次演示的eVTOL BEM 模型中，由于模型中節(jié)點(diǎn)較多，故而調(diào)用H-Matrix方法進(jìn)行求解計(jì)算，計(jì)算完成后，VA ONE可輸出機(jī)艙外表面各區(qū)域的聲學(xué)響應(yīng)。eVTOL 邊界元計(jì)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(jì)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(chǎng)云圖。

利用BEM 方法計(jì)算eVTOL外場(chǎng)輻射噪聲主要適用于起飛或降落階段對(duì)近場(chǎng)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(jì)算效率效率將會(huì)大打折扣，同時(shí)也對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)。因而eVTOL巡航工況下會(huì)周圍環(huán)境的輻射噪聲不建議采用BEM方法進(jìn)行求解，而是推薦聲射線法Ray Tracing進(jìn)行求解。當(dāng)然，除上述將eVTOL機(jī)身表面將設(shè)為剛性計(jì)算外，如果認(rèn)為旋翼噪聲輻射到機(jī)艙外壁面如前擋玻璃或側(cè)窗玻璃并引起其振動(dòng)，進(jìn)而考慮機(jī)艙外壁面對(duì)外場(chǎng)的振動(dòng)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(jìn)行計(jì)算。

三、基于Ray Tracing的eVTOL外聲場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)

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(wú)數(shù)條獨(dú)立傳播的聲線的運(yùn)動(dòng)軌跡，傳播過(guò)程中，聲線攜帶的能量會(huì)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(shí)會(huì)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(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)某具體位置的聲壓級(jí)響應(yīng)，VA ONE會(huì)在DR面上布置不同的接收球體，球體半徑可根據(jù)計(jì)算的需求進(jìn)行設(shè)置。聲射線法計(jì)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(guò)多，能帶來(lái)更高的計(jì)算精度但也會(huì)增加求解時(shí)間，聲線數(shù)過(guò)少，計(jì)算效率高但精度往往無(wú)法保證，為平衡計(jì)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(jìn)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(duì)計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的影響，常見(jiàn)的聲線法應(yīng)用場(chǎng)景如下圖所示。

基于VA ONE 聲線法計(jì)算eVTOL在巡航工況下的外場(chǎng)輻射噪聲時(shí)，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(guò)SEA結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)描述，在上下旋翼位置中心點(diǎn)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(lì)譜加載在CAS中作為計(jì)算的激勵(lì)輸入，對(duì)于關(guān)心區(qū)域的聲學(xué)響應(yīng)，可通過(guò)在該區(qū)域布置DR面獲取該位空間區(qū)域的平均聲壓級(jí)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(jì)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(gè)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(jì)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(diǎn)，從而將Ray tracing 計(jì)算結(jié)果與法規(guī)中的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對(duì)比，評(píng)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(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，越有利于應(yīng)對(duì)相關(guān)噪聲法規(guī)的要求。

作者簡(jiǎn)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?yàn)槠嘚VH性能。曾就職于東風(fēng)等汽車主機(jī)廠，熟悉整車NVH性能開(kāi)發(fā)流程，擅長(zhǎng)聲學(xué)包及風(fēng)噪性能分析等。2022年起擔(dān)任VA One中國(guó)區(qū)技術(shù)專家，負(fù)責(zé)推進(jìn)VA One在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用及部署、對(duì)用戶進(jìn)行高級(jí)培訓(xùn)等工作，致力于推動(dòng)虛擬樣機(jī)解決方案在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。