隨著城市空中交通（UAM）概念的興起，電動(dòng)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(yùn)行，其噪聲問題也尤為突出，eVTOL噪聲問題直接關(guān)系到公眾對(duì)eVTOL的接受度、噪聲法規(guī)符合性以及最終的適航認(rèn)證等。對(duì)于eVTOL艙內(nèi)聲學(xué)舒適性而言，終端市場(chǎng)一般期望eVTOL的艙內(nèi)噪聲水平能達(dá)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(yù)測(cè)艙內(nèi)噪聲水平并采取降噪優(yōu)化措施，對(duì)eVTOL開發(fā)成本、合規(guī)性以及開發(fā)周期都會(huì)帶來較大的優(yōu)勢(shì)，本文將結(jié)合eVTOL噪聲源特點(diǎn)，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(dòng)噪聲分析軟件，其將有限元(FEM)、聲學(xué)邊界元（Acoustic BEM）、統(tǒng)計(jì)能量法(SEA)及聲線法(Ray Tracing)等多個(gè)核心求解器集成在同一個(gè)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(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲問題進(jìn)行求解，目前VA ONE已廣泛應(yīng)用在汽車、軌道交通、航空航天及船舶等領(lǐng)域。VA ONE 中的SEA是分析高頻空氣聲激勵(lì)導(dǎo)致的系統(tǒng)NVH問題的行業(yè)標(biāo)桿求解器，其快速高效地求解效率極大的滿足目前各個(gè)行業(yè)不斷縮短地開發(fā)周期的需求。

對(duì)于eVTOL艙內(nèi)噪聲仿真，可結(jié)合VA ONE 聲學(xué)BEM求解器以及SEA求解器分析其艙內(nèi)噪聲水平；對(duì)于降噪設(shè)計(jì)，VA ONE 提供了不同的NCT(Noise Control Treatment)建模方法模擬聲學(xué)包設(shè)計(jì)方案，也提供了諸如Global GA/MMA等優(yōu)化方法對(duì)聲學(xué)包進(jìn)行優(yōu)化，從而在達(dá)成eVTOL噪聲性能的前提下，滿足輕量化以及經(jīng)濟(jì)型的設(shè)計(jì)要求。針對(duì)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(jī)艙表面湍流載荷激勵(lì)

2、基于VA ONE BEM 分析旋翼噪聲到機(jī)艙表面的噪聲傳播

3、基于VA ONE SEA 分析艙內(nèi)噪聲響應(yīng)分析

4、基于VA ONE HF Foam及優(yōu)化模塊對(duì)艙內(nèi)噪聲進(jìn)行降噪方案設(shè)計(jì)

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(jìn)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(yīng)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(duì)于eVTOL而言，從結(jié)構(gòu)來講，其噪聲源包括電機(jī)輻射噪聲、電動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲、旋翼不平衡引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)、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(yùn)行速度較低，艙內(nèi)噪聲響應(yīng)主要來自外部旋翼工作時(shí)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(yùn)行速度較高，機(jī)艙表面還受到湍流載荷的激勵(lì)。

按照FWH理論，旋轉(zhuǎn)機(jī)械周圍產(chǎn)生的流動(dòng)區(qū)域可等效為一個(gè)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(duì)eVTOL旋翼噪聲源進(jìn)行表征。采用OpenFoam CFD軟件對(duì)旋翼進(jìn)行建模，為提高計(jì)算效率，在CFD模型中僅建立兩個(gè)共軸反向旋轉(zhuǎn)的旋翼模型，旋翼轉(zhuǎn)速設(shè)置為2000RPM，計(jì)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(shè)置在旋翼不同距離的近場(chǎng)范圍內(nèi)。計(jì)算模型及結(jié)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(shí)為驗(yàn)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(jì)算在同一區(qū)域的SPL響應(yīng)，結(jié)果顯示在葉片通過頻率（BDF）以下，F(xiàn)WH聲類比方法和CFD計(jì)算的結(jié)果吻合度較好，但是躍過BDF后，CFD計(jì)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(yīng)較低，F(xiàn)WH聲類比方法能恢復(fù)聲場(chǎng)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(jī)體表面噪聲傳播的過程。對(duì)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(jī)體外表面的湍流載荷激勵(lì)，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(dòng)載荷激勵(lì)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(jī)艙外表面的過程，即利用BEM進(jìn)行外聲場(chǎng)分析。建立eVTOL 外覆蓋件結(jié)構(gòu)及旋翼邊界元網(wǎng)格模型，認(rèn)為機(jī)艙表面為剛性邊界，即滿足迪利克雷邊界條件，機(jī)身表面邊界元尺寸參數(shù)滿足在最高分析頻率每個(gè)波長(zhǎng)至少有6個(gè)單元，同時(shí)將eVTOL各關(guān)鍵外表面作為Data Recovery面（DR面代表響應(yīng)面，后續(xù)分析中需要將DR面上的響應(yīng)作為載荷加載在SEA各結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)子系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)）。在4個(gè)旋翼中心點(diǎn)處分別加載CAS聲源，并導(dǎo)入上一步中提取的聲源激勵(lì)。通過求解獲得各個(gè)面上的平均聲壓級(jí)響應(yīng)，當(dāng)然也可以在各數(shù)據(jù)接收面上設(shè)置各類虛擬傳感器獲得具體關(guān)心位置的響應(yīng)。

眾所周知，BIE 方程通常為滿秩非對(duì)稱的稠密矩陣，在求解BEM模型時(shí)，求解器需要對(duì)每個(gè)面元進(jìn)行積分求解，并儲(chǔ)存計(jì)算結(jié)果，這就導(dǎo)致采用常規(guī)BEM 求解器計(jì)算BEM模型時(shí)，計(jì)算效率低下且對(duì)計(jì)算機(jī)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(fù)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(dá)式中，整個(gè)矩陣的顯示形式并不存在，而是以分塊低秩的形式存儲(chǔ)，H-Matrix只對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的矩陣塊進(jìn)行低秩近似（或壓縮儲(chǔ)存，即使采用的是低秩近似，但不改變?cè)季仃噳K的秩，且在軟件算法中設(shè)置了原矩陣塊和近似矩陣塊的誤差閾值，從而達(dá)到控制模型計(jì)算精度的效果），對(duì)近場(chǎng)的矩陣塊直接求解（稠密儲(chǔ)存），即將BIE 方程轉(zhuǎn)化為“全局滿秩+遠(yuǎn)場(chǎng)近似”的方法進(jìn)行求解，從而大幅降低計(jì)算量，進(jìn)而提高計(jì)算效率，同時(shí)也保證工程分析精度的要求。H-Matrix方法尤其對(duì)大型復(fù)雜BEM模型求解具有很大的優(yōu)勢(shì)，推薦對(duì)于節(jié)點(diǎn)數(shù)超過3萬的BEM模型采用該方法進(jìn)行求解。在本次eVTOL演示案例中亦采用H-Matrix BEM求解器進(jìn)行計(jì)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(jí)響應(yīng)，也可通過Contour Plot功能繪制各DR面上的聲壓級(jí)云圖顯示， 該結(jié)果將最終映射到eVTOL  SEA模型中作為聲載荷激勵(lì)分析其向內(nèi)傳播噪聲的過程，BEM外聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

四、最后

以上即為eVTOL旋翼噪聲表征及其向機(jī)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(yīng)分析及優(yōu)化過程。如您對(duì)eVTOL噪聲仿真感興趣，可通過郵件聯(lián)系VA ONE 技術(shù)支持：tao.ma@keysight.com