VA One在eVTOL噪聲分析與優(yōu)化中的應(yīng)用

隨著城市空中交通（UAM）的快速發(fā)展，電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）的噪聲問題成為影響公眾接受度與法規(guī)合規(guī)的核心挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)飛行器相比，eVTOL需在低空密集區(qū)域運(yùn)行，其噪聲控制直接關(guān)系到商業(yè)化進(jìn)程。VA One 是工業(yè)領(lǐng)域振動(dòng)噪聲的標(biāo)桿產(chǎn)品，憑借其高效建模與多物理場(chǎng)耦合能力，成為eVTOL噪聲預(yù)測(cè)與優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)工具。

eVTOL噪聲

01eVTOL主要噪聲源

eVTOL的噪聲源可以大致分為結(jié)構(gòu)噪聲（Structural Borne Noise）和空氣噪聲（Air Borne Noise）兩大類，結(jié)構(gòu)噪聲指系統(tǒng)振動(dòng)引起的通過結(jié)構(gòu)向艙內(nèi)及艙外傳播的噪聲，空氣噪聲主要指通過空氣介質(zhì)傳播的噪聲。對(duì)eVTOL而言，結(jié)構(gòu)噪聲源主要包括電動(dòng)力總成工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲、旋翼不平衡引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)等；空氣噪聲源主要包括旋翼旋轉(zhuǎn)過程中與空氣的相互作用產(chǎn)生的氣流噪聲，包括湍流邊界層噪聲及尾流噪聲等；另外eVTOL還包括電動(dòng)力總成運(yùn)行時(shí)間電磁力波引起的高頻振動(dòng)噪聲等。

02eVTOL主要噪聲挑戰(zhàn)

艙內(nèi)聲學(xué)舒適性:作為未來新型交通出行工具，eVTOL對(duì)艙內(nèi)舒適性上具有極高的要求，艙內(nèi)聲學(xué)舒適性需要達(dá)到豪華車型噪聲水平，同時(shí)為提升其視野開闊性，大面積應(yīng)用玻璃結(jié)構(gòu)也對(duì)艙內(nèi)噪聲水平帶來較大的噪聲挑戰(zhàn)。

艙外輻射聲挑戰(zhàn)：基于eVTOL在低空密集區(qū)域運(yùn)行的環(huán)境，如果輻射噪聲過大，必然會(huì)引起居民的抱怨及噪聲污染，故而不同國家和地區(qū)都出臺(tái)了相應(yīng)的嚴(yán)格噪聲法規(guī)，如下圖所示，eVTOL必須滿足這類噪聲法規(guī)要求才能在其市場(chǎng)推廣，故而滿足相應(yīng)的法規(guī)要求是eVTOL外場(chǎng)輻射噪聲的主要挑戰(zhàn)。

VA One對(duì)eVTOL噪聲的解決方案

VA One全頻段振動(dòng)噪聲分析軟件包含低頻結(jié)構(gòu)及聲學(xué)有限元（FE Structural&Acoustic）、聲學(xué)邊界元（Acoustic BEM）、統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA）、混合FE-SEA、聲線法（RTD）等多個(gè)核心求解器以及聲學(xué)包設(shè)計(jì)及優(yōu)化、氣動(dòng)噪聲仿真分析等多個(gè)模塊，完全覆蓋eVTOL的NVH性能仿真。

圖 VA One SEA各模塊

01eVTOL艙內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)及優(yōu)化分析

旋翼噪聲是eVTOL艙內(nèi)噪聲的主要噪聲源，在傳播路徑上主要是通過空氣介質(zhì)傳遞到eVTOL玻璃面以及蒙皮上并向艙內(nèi)傳播，從而引起艙內(nèi)關(guān)心位置的噪聲響應(yīng)。對(duì)于該類噪聲的預(yù)測(cè)一般結(jié)合CFD+VA One聯(lián)合仿真的手段實(shí)現(xiàn)，通過CFD模擬方法表征旋翼激勵(lì)（任何旋轉(zhuǎn)致噪聲均可通過寬帶內(nèi)的多個(gè)噪聲源表征），再利用VA One BEM+SEA方法即可得到艙內(nèi)關(guān)系位置的噪聲響應(yīng)，如下圖所示。

對(duì)于艙內(nèi)噪聲的高頻噪聲優(yōu)化分析，VA One提供了完備的聲學(xué)包設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法、聲學(xué)玻璃性能驗(yàn)證等。對(duì)于eVTOL聲學(xué)包的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，VA One提供了基于Biot 參數(shù)設(shè)計(jì)及利用吸聲系數(shù)&插入損失的方法等定義聲學(xué)包，并內(nèi)置了SQP/MMA/Global GA等優(yōu)化方法可對(duì)聲包進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證在滿足NVH性能的前提下進(jìn)行輕量化及降本的設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證。通過對(duì)比不同的玻璃設(shè)計(jì)方案進(jìn)而優(yōu)化從玻璃路徑傳遞到艙內(nèi)噪聲的噪聲水平。

02eVTOL輻射噪聲預(yù)測(cè)

對(duì)于eVTOL對(duì)外聲場(chǎng)的輻射噪聲，VA One提供了聲學(xué)邊界元法及聲線法可對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于聲學(xué)邊界元法，VA One包含標(biāo)準(zhǔn)邊界元法及H-matrix方法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，其中H-Matrix方法可大幅度降低復(fù)雜模型的計(jì)算時(shí)間及對(duì)計(jì)算機(jī)資源的要求。對(duì)于聲線法，VA One可根據(jù)模型預(yù)估聲射線數(shù)，同時(shí)考慮模型結(jié)構(gòu)中的聲衍射現(xiàn)象，具有很高的計(jì)算效率。

實(shí)際應(yīng)用案例

目前，在北美及歐洲地區(qū)，VA One已經(jīng)廣泛用于eVTOL艙內(nèi)及艙外噪聲的預(yù)測(cè)，并且通過與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)發(fā)現(xiàn)，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有很好的吻合，能滿足工程分析的需求，下面以某公司的實(shí)際應(yīng)用為例簡(jiǎn)要說明。

01eVTOL 艙內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)

基于以上介紹方法，利用CFD LES計(jì)算模型提取旋翼噪聲激勵(lì)源，并在VA One中搭建聲學(xué)邊界元模型計(jì)算旋翼噪聲輻射到eVTOL表面的噪聲響應(yīng)，并進(jìn)一步搭建eVTOL SEA模型將邊界元計(jì)算結(jié)果加載到SEA模型上作為激勵(lì)源進(jìn)行分析，從而完成艙內(nèi)中高頻噪聲的預(yù)測(cè)。詳細(xì)資料請(qǐng)參考ESI公開發(fā)表的論文：Engineering process for eVTOL interior sound predictions, Rabah Hadit,Weimin Thor. Inter-noise 2023

02eVTOL 艙外噪聲預(yù)測(cè)

如2.2中所述，可利用邊界元法及聲線法預(yù)測(cè)eVTOL對(duì)外場(chǎng)的輻射噪聲，分析結(jié)果表明，聲線法與邊界元法計(jì)算具有相似的精度。更多信息請(qǐng)參考：Application of Accelerated H-Matrix Boundary Element Methods to Predict Exterior eVTOL Acoustics, Chadwyck T .Musser, Rabah Hadit. Inter-noise 2023

應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與行業(yè)價(jià)值

1. 全周期降本增效：早期設(shè)計(jì)階段識(shí)別噪聲風(fēng)險(xiǎn)，減少物理樣機(jī)迭代次數(shù)。

2. 用戶體驗(yàn)提升：優(yōu)化艙內(nèi)聲學(xué)舒適度，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3. 法規(guī)合規(guī)保障：在數(shù)字設(shè)計(jì)階段讓NVH工程師提前介入開發(fā)流程，利用虛擬仿真的手段預(yù)測(cè)輻射噪聲并提出優(yōu)化方法，從而規(guī)避不能滿足法規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)。

VA One提供了eVTOL噪聲問題從概念設(shè)計(jì)到認(rèn)證的全流程解決方案，可覆蓋eVTOL艙內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)及其對(duì)外場(chǎng)的輻射噪聲，有助于eVTOL公司在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期階段，利于虛擬仿真的方法進(jìn)行NVH設(shè)計(jì)，是行業(yè)突破噪聲瓶頸的關(guān)鍵使能工具。

關(guān)于ESI

ESI集團(tuán)是Keysight Technologies的一部分，提供基于預(yù)測(cè)物理建模和虛擬樣機(jī)專業(yè)知識(shí)的可靠且定制的解決方案。主要在汽車、陸上運(yùn)輸、航空航天和國防以及重工業(yè)領(lǐng)域，ESI軟件使工程師能夠模擬機(jī)械設(shè)計(jì)、智能制造流程和以人為中心的工作流程，從而在產(chǎn)品生命周期的早期做出更好的決策。Keysight是一家標(biāo)普500公司，提供市場(chǎng)領(lǐng)先的設(shè)計(jì)、仿真和測(cè)試解決方案，幫助工程師在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中更快、更低風(fēng)險(xiǎn)地開發(fā)和部署產(chǎn)品。