eVTOL舱外噪声的仿真分析

来源：是德科技CAE

前言

前两期内容中讨论了eVTOL舱室内噪声仿真分析流程以及降噪优化方法，本文主要阐述eVTOL舱外噪声的仿真分析。

eVTOL在城市低空环境运行的场景，给城市居民带来的环境噪声是eVTOL 开发商必须要解决的问题，如果eVTOL带来的环境噪声过大，必然给城市居民带来严重的困扰，可能会激发其对eVTOL的抵触情绪，如美国旧金山等一些城市居民出于噪声和安全的担忧，不允许直升机在紧急情况外降落，故而对于eVTOL这种新型出行工具，为保证其正常的商业化进程，降低其环境噪声至公众可接受的程度尤为重要；同时北美及欧洲地区也出台了相关的噪声法规约束其环境噪声，因而通过虚拟仿真的方法预测并解决eVTOL的辐射噪声是避免项目后期由于噪声问题导致项目冻结或加长开发周期的重要措施。

一、VA ONE eVTOL 外声场噪声解决方案

eVTOL外声场噪声可通过VA ONE Acoustic BEM求解器及Ray Tracing方法进行预测。对于Acoustic BEM 模块，VA ONE 提供了标准边界元求解器及H-Matrix方法供用户选择；Ray Tracing即声线法可用于巡航工况下在城市界面运行时的外场噪声分析，可通过在VA ONE GUI界面下搭建城市界面群模型，考虑城市建筑及街道等对eVTOL辐射噪声的反射及衍射情况，相比于BEM 求解器，声线法具有求解效率高的优势。

eVTOL外声场的辐射噪声源主要来自旋翼工作时与空气相互作用产生的噪声，可通过CFD分析得到其噪声源频谱，具体利用CFD 表征旋翼噪声源的方法可参考《基于VA ONE的eVTOL舱室噪声仿真分析（一）》，本文对噪声源的表征不在赘述。利用VA ONE进行eVTOL外场辐射噪声的分析流程如下图所示。

二、基于BEM 分析eVTOL外声场噪声预测

建立如下图所示的eVTOL边界元分析模型，在旋翼中心位置加载CFD计算的旋翼噪声源，eVTOL机身边界元网格尺寸满足最高分析频率处一个波长内至少6个网格的要求，并将其网格类型设置为刚性，即满足迪利克雷边界条件。在eVTOL 前端2米位置处设置Data Recovery面，并在其上布置5个虚拟传感器，获取不同位置的声学响应，如果要获取机身表面的声学响应，也可将机身表面的网格进行复制并按照eVTOL外层板结构的分布划分为不同的数据接收面，这里要说明的一点是一般要求数据接收面的网格尺寸比eVTOL 自身面元网格小，从而保证分析的精度。

对于BEM模型的求解，VA ONE 内置了Standard BEM 求解器即H-Matrix方法进行求解，并且在最新版本的VA ONE中，H-matrix方法支持内外声场及边界设置有声学阻抗模型的求解，且H-Matrix方法在保证精度的同时具有更高的计算效率，在本次演示的eVTOL BEM 模型中，由于模型中节点较多，故而调用H-Matrix方法进行求解计算，计算完成后，VA ONE可输出机舱外表面各区域的声学响应。eVTOL 边界元计算结果如下图所示，在结果中除查看常规的响应计算结果外，VA ONE 也可输出模型中各声源在不同频域下在数据接收面的声场云图。

利用BEM 方法计算eVTOL外场辐射噪声主要适用于起飞或降落阶段对近场噪声的直接辐射噪声，如果将周边环境如城市建筑等考虑在内，其计算效率效率将会大打折扣，同时也对计算机的内存带来较大的挑战。因而eVTOL巡航工况下会周围环境的辐射噪声不建议采用BEM方法进行求解，而是推荐声射线法Ray Tracing进行求解。当然，除上述将eVTOL机身表面将设为刚性计算外，如果认为旋翼噪声辐射到机舱外壁面如前挡玻璃或侧窗玻璃并引起其振动，进而考虑机舱外壁面对外场的振动辐射噪声，也可将eVTOL外壁面板件设置为弹性结构，即建立FE-BEM耦合模型进行计算。

三、基于Ray Tracing的eVTOL外声场噪声预测

声射线法(Ray Tracing)是NVH分析中适用于中高频噪声分析的一种几何方法，其借鉴了几何光学中光线的概念，将声波在复杂腔体中的传播近似为无数条独立传播的声线的运动轨迹，传播过程中，声线携带的能量会因空气的吸收以及结构中的阻抗边界等耗散，当声线传递到模型边界时会被反射及吸收。在VA ONE中，边界的反射可设置为漫反射及镜面反射等不同的条件，为计算结构内某具体位置的声压级响应，VA ONE会在DR面上布置不同的接收球体，球体半径可根据计算的需求进行设置。声射线法计算声学响应的准确性与声射线数密切相关，线数过多，能带来更高的计算精度但也会增加求解时间，声线数过少，计算效率高但精度往往无法保证，为平衡计算效率与分析精度，VA ONE 提供了声射线数预估脚本，该脚本可根据分析频率及模型的大小预估所需要的声射线数，进而为用户提供参考。另外，VA ONE 声线法当前也考虑了声衍射对计算结果带来的影响，常见的声线法应用场景如下图所示。

基于VA ONE 声线法计算eVTOL在巡航工况下的外场辐射噪声时，在GUI 界面中用SEA平板子系统结构搭建城市建筑群及街道结构，eVTOL 各结构件主要通过SEA结构子系统描述，在上下旋翼位置中心点处加载CAS指向性声源模拟旋翼噪声，并将CFD提取的噪声源激励谱加载在CAS中作为计算的激励输入，对于关心区域的声学响应，可通过在该区域布置DR面获取该位空间区域的平均声压级响应，也可在DR面上布置虚拟传感器获得具体位置的声学响应。eVTOL声线法计算模型如下图所示：

本次演示算例中，将街道及某建筑大楼外立面作为关心区域，并在该区域建立Data Recovery 分析旋翼噪声辐射到以上两个区域的噪声响应，并在DR面上设置虚拟传感器获取具体位置的响应，计算结果如下图所示。由于eVTOL 产生的环境噪声主要受相关法规的约束，故而可基于法规中的要求设定声载荷边界和响应点，从而将Ray tracing 计算结果与法规中的标准要求进行对比，评估eVTOL是否满足法规的要求。

四、最后

eVTOL产生的环境噪声污染是影响其普及应用的重要挑战，eVTOL NVH工程师越早介入项目的开发，越有利于应对相关噪声法规的要求。

作者简介

马涛

VA One解决方案专家

毕业于重庆大学车辆工程专业，硕士研究生，研究方向为汽车NVH性能。曾就职于东风等汽车主机厂，熟悉整车NVH性能开发流程，擅长声学包及风噪性能分析等。2022年起担任VA One中国区技术专家，负责推进VA One在中国市场的应用及部署、对用户进行高级培训等工作，致力于推动虚拟样机解决方案在工程领域中的应用。