來源：是德科技CAE

上一節(jié)中介紹了eVTOL旋翼噪聲的表征以及通過聲學(xué)BEM模型分析旋翼噪聲到eVTOL機(jī)體外表面的噪聲傳播分析流程，本節(jié)將在上節(jié)內(nèi)容的基礎(chǔ)上繼續(xù)介紹eVTOL艙內(nèi)噪聲響應(yīng)分析的仿真流程，同時(shí)根據(jù)貢獻(xiàn)量分析獲取對艙內(nèi)噪聲響應(yīng)貢獻(xiàn)較大的路徑并進(jìn)行優(yōu)化，旨在提升eVTOL NVH 工程師建立全流程艙內(nèi)高頻空氣噪聲分析的能力。

一、SEA基本理論概述

統(tǒng)計(jì)能量分析（Statistical Energy Analysis）是目前行業(yè)解決高頻空氣噪聲唯一有效的數(shù)值分析方法，其通過功率流平衡方程描述系統(tǒng)中能量儲存、耗散及傳遞的過程，如下圖（右）所示。SEA理論中描述子系統(tǒng)吸收并儲存能量的最小單元為子系統(tǒng)，通過模態(tài)密度（Modal density）表征其儲存能量的能力，用內(nèi)損耗因子（Damping Loss Factor）表示子系統(tǒng)自身對能量的耗散能力，耦合損耗因子(Coupling Loss Factor)表示子系統(tǒng)之間能量傳遞的強(qiáng)弱，以上三個(gè)參數(shù)統(tǒng)稱為統(tǒng)計(jì)能量三大參數(shù)，也奠定了 SEA分析復(fù)雜系統(tǒng)高頻空氣聲響應(yīng)的基礎(chǔ)，外界對分析系統(tǒng)的激勵或載荷會轉(zhuǎn)換為功率的形式輸入給對應(yīng)的子系統(tǒng)。SEA理論認(rèn)為能量在系統(tǒng)內(nèi)是保守的，故而可基于此建立功率流平衡方程，通過求解該方程即可獲得每個(gè)子系統(tǒng)的能量，進(jìn)而借助能量與各動力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)的關(guān)系轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的輸出。為便于更加直觀地了解SEA基本理論，可參考下圖（左）中“蓄水池”原理進(jìn)行理解。

在SEA理論中，復(fù)雜系統(tǒng)通常被劃分為不同的子系統(tǒng)進(jìn)行分析，子系統(tǒng)必須能儲存振動能量，且認(rèn)為只有一些相似共振模態(tài)組成一群共振運(yùn)動的子系統(tǒng)才可以儲存能量，因此一群相似模態(tài)就可以視為統(tǒng)計(jì)能量分析中的一個(gè)子系統(tǒng)，此即模態(tài)相似準(zhǔn)則，如對于一個(gè)平板子系統(tǒng)而言，可以簡單認(rèn)為是由空間彎曲子系統(tǒng)以及面內(nèi)伸縮即剪切子系統(tǒng)構(gòu)成。模態(tài)相似準(zhǔn)則是SEA分析中劃分子系統(tǒng)的重要依據(jù)，在對實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模時(shí)，還要根據(jù)邊界及內(nèi)外部聲腔子系統(tǒng)的劃分對結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)進(jìn)行靈活處理。另外，SEA模型分析準(zhǔn)確的前提是分析帶寬內(nèi)子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)要足夠高，理論上要求≥5，實(shí)際工程項(xiàng)目中認(rèn)為≥3亦可滿足分析的需求。

二、eVTOL SEA 模型

借助VA ONE GUI及SEA 求解器對eVTOL 進(jìn)行高頻SEA模型的建模，VA ONE支持采用網(wǎng)格建立SEA模型，即將網(wǎng)格模型直接轉(zhuǎn)化為 各SEA結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，也支持采用節(jié)點(diǎn)信息建立SEA分析模型，本次演示模型采用eVTOL 網(wǎng)格上的節(jié)點(diǎn)信息建立SEA 模型。

eVTOL有限元網(wǎng)格模型如下圖（左）所示，對FE mesh模型進(jìn)行相關(guān)簡化后，以FE Geometry的形式導(dǎo)入到VA ONE中，根據(jù)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建對應(yīng)的SEA的節(jié)點(diǎn)，由于SEA分析支持粗略簡化，即不需要對結(jié)構(gòu)的詳細(xì)特征進(jìn)行完整的描述，故而在創(chuàng)建SEA結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)只需要描述結(jié)構(gòu)的輪廓特征即可，之后再選擇對應(yīng)的子系統(tǒng)類型，如平板子系統(tǒng)或曲面板類型建立結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)；對于eVTOL艙內(nèi)空間，在SEA模型中模擬為多個(gè)子聲腔，如駕駛員頭部及腿部聲腔等，艙外聲學(xué)空間用半無限流體SIF 描述。對于各結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)屬性的設(shè)置，VA ONE支持各向同性以及各向異性材料的建模，也支持各類復(fù)合材料的建模，如eVTOL中采用碳釬維材料以達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的，對于該類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可以采用Composite屬性對其進(jìn)行建模，對于前擋及側(cè)窗玻璃，可以采用Laminate的形式模擬其聲學(xué)玻璃的建模。完成eVTOL結(jié)構(gòu)及聲腔子系統(tǒng)建模后，利用Auto connect工具實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間的耦合，保證傳遞路徑的準(zhǔn)確性。對于艙內(nèi)聲學(xué)包的建模，通過Biot參數(shù)建立聲學(xué)材料再應(yīng)用到對應(yīng)的結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)上。

對于激勵的加載，可按理想載荷工況及實(shí)際載荷工況分類討論，對于靜態(tài)理想工況分析，可在邊界元模型中在旋翼中心位置加載單位載荷激勵分析其向機(jī)體外表面的聲輻射，進(jìn)而加載到SEA模型中進(jìn)行求解，最后指導(dǎo)艙內(nèi)聲學(xué)包的設(shè)計(jì)等；對于實(shí)際載荷工況，可按照起飛階段工況和巡航工況討論，在起飛階段，艙內(nèi)的高頻噪聲響應(yīng)主要來自旋翼噪聲，因此只需要考慮該噪聲源即可；在巡航階段，除旋翼噪聲外，還要考慮不同巡航速度下湍流噪聲源的影響。在VA ONE中可采用DAF(Diffuse Acoustic Field)模擬旋翼噪聲輻射到機(jī)體外表面的聲激勵，用TBL(Turbulent Boundary Layer)或GSP(General Surface Pressure)模擬湍流載荷激勵，DAF聲載荷激勵譜則來自上節(jié)中介紹的基于BEM 計(jì)算的結(jié)果，TBL或GSP的激勵譜則通過CFD計(jì)算得到，加載激勵后進(jìn)行求解即可得到關(guān)心區(qū)域的平均聲壓級響應(yīng)，下圖為在巡航工況下加載TBL及DAF后駕駛員頭部聲腔的聲壓級響應(yīng)。

三、eVTOL艙內(nèi)噪聲優(yōu)化分析

可利用VA ONE中的貢獻(xiàn)量分析腳本對艙內(nèi)噪聲計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，從而獲得對關(guān)心聲腔貢獻(xiàn)量較大的傳遞路徑。下圖所示為駕駛員頭部聲腔貢獻(xiàn)量分析結(jié)果，從圖中可以獲悉前門側(cè)窗玻璃在整個(gè)分析頻帶內(nèi)對其都有較大的貢獻(xiàn)，在100Hz-2000Hz范圍內(nèi)，后門側(cè)窗玻璃對其貢獻(xiàn)較大；另外在中高頻段來自頂棚及地板的噪聲對駕駛員頭部聲腔也有較大的貢獻(xiàn)。

玻璃結(jié)構(gòu)的大面積應(yīng)用可以提高eVTOL的視野，但是也對艙內(nèi)噪聲帶來較大的調(diào)整，為降低通過玻璃路徑傳遞到艙內(nèi)的噪聲，可采用聲學(xué)玻璃提高其傳遞損失達(dá)到該路徑上降噪的效果，下圖為普通夾層玻璃和聲學(xué)夾層玻璃設(shè)計(jì)方案對駕駛員頭部聲腔聲壓級響應(yīng)降噪效果對比，可以看到在中高頻段采用聲學(xué)夾層玻璃可以顯著提高艙內(nèi)噪聲舒適性。對于玻璃結(jié)構(gòu)自身隔聲量的計(jì)算，亦可采用VA ONE VTL(Virtual Transmission Loss)進(jìn)行計(jì)算，分析不同玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案其隔聲性能，進(jìn)而得到玻璃結(jié)構(gòu)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。通過頂棚及地板傳遞到艙內(nèi)的噪聲，可通過吸隔聲材料進(jìn)行降噪，即通過設(shè)計(jì)聲學(xué)包方案達(dá)到降噪的效果，eVTOL聲學(xué)包的設(shè)計(jì)與汽車類似，此處不再贅述，感興趣的小伙伴可再后臺留言或私信詳細(xì)交流。

四、最后

以上即為本節(jié)分享的全部內(nèi)容，結(jié)合上節(jié)內(nèi)容即為完整的eVTOL 艙室噪聲仿真分析的全流程。VA ONE提供了eVTOL噪聲問題從概念設(shè)計(jì)到量產(chǎn)階段的全流程解決方案，有助于eVTOL OEM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)鍵分析工具，更多咨詢可通過郵件聯(lián)系我們：tao.ma@keysight.com

作者簡介

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性能開發(fā)流程，擅長聲學(xué)包及風(fēng)噪性能分析等。2022年起擔(dān)任VA One中國區(qū)技術(shù)專家，負(fù)責(zé)推進(jìn)VA One在中國市場的應(yīng)用及部署、對用戶進(jìn)行高級培訓(xùn)等工作，致力于推動虛擬樣機(jī)解決方案在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。